16.5 Zastosowanie wzorów skróconego mnożenia w dowodzeniu
Kartkóka
Grupa A
Zadanie 1 (5 pkt)
a) Wykaż, że liczba $3^{12} - 1$ jest podzielna przez 13
b) Wykaż, że liczba $4^6 - 2^3$ jest podzielna przez 7.
a) Liczba $3^{12} - 1$ jest podzielna przez $13$ ponieważ $3^3 - 1 = 26 = 2 \cdot 13$, a wyrażenie $3^{12} - 1$ zawiera czynnik $(3^3 - 1)$.
b) Liczba $4^6 - 2^3$ jest podzielna przez $7$ ponieważ $4^6 - 2^3 = 16^3 - 2^3$, co jest podzielne przez $16 - 2 = 14$, a $14$ jest podzielne przez $7$.
a) Obliczenie podzielności $3^{12} - 1$ przez $13$:
Wykorzystujemy wzór na różnicę kwadratów: $a^2 - b^2 = (a-b)(a+b)$.
Zapisujemy wyrażenie w postaci różnicy kwadratów:\[ 3^{12} - 1 = (3^6)^2 - 1^2 \]Podstawiamy $a = 3^6$ i $b = 1$ do wzoru:\[ (3^6 - 1)(3^6 + 1) \]Następnie rozkładamy wyrażenie $3^6 - 1$ ponownie jako różnicę kwadratów:\[ 3^6 - 1 = (3^3)^2 - 1^2 = (3^3 - 1)(3^3 + 1) \]Obliczamy wartość pierwszego czynnika:\[ 3^3 - 1 = 27 - 1 = 26 \]Sprawdzamy podzielność liczby $26$ przez $13$:\[ 26 = 2 \cdot 13 \]Ponieważ wyrażenie $3^6 - 1$ jest podzielne przez $13$, a jest ono czynnikiem w $3^{12} - 1$, to cała liczba $3^{12} - 1$ jest podzielna przez $13$.
b) Obliczenie podzielności $4^6 - 2^3$ przez $7$:
Wykorzystujemy wzór na różnicę sześcianów: $a^3 - b^3 = (a-b)(a^2+ab+b^2)$.
Przekształcamy pierwsze wyrażenie w nawiasie, tak aby potęgi były tego samego stopnia:\[ 4^6 - 2^3 = (4^2)^3 - 2^3 = 16^3 - 2^3 \]Podstawiamy $a = 16$ i $b = 2$ do wzoru.
Zatem wyrażenie $16^3 - 2^3$ jest podzielne przez $a-b$.
Obliczamy wartość $a-b$:\[ 16 - 2 = 14 \]Sprawdzamy podzielność liczby $14$ przez $7$:\[ 14 = 2 \cdot 7 \]Ponieważ $16^3 - 2^3$ jest podzielne przez $14$, a $14$ jest podzielne przez $7$, to cała liczba $4^6 - 2^3$ jest podzielna przez $7$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Pokaż, że jeśli $a - b = 2$ oraz $a \cdot b = 3$, to $a^3 - b^3 = 26$.
Pokazano, że $a^3 - b^3 = 26$.
Używamy wzoru skróconego mnożenia: $a^3 - b^3 = (a - b)(a^2 + ab + b^2)$
Wiemy również, że $(a - b)^2 = a^2 - 2ab + b^2$, co implikuje $a^2 + b^2 = (a - b)^2 + 2ab$.
Dane w zadaniu to: $a - b = 2$ oraz $a \cdot b = 3$.
Obliczamy $a^2 + b^2$:\[ a^2 + b^2 = (a - b)^2 + 2ab \]\[ a^2 + b^2 = (2)^2 + 2 \cdot 3 \]\[ a^2 + b^2 = 4 + 6 \]\[ a^2 + b^2 = 10 \]Teraz podstawiamy wartości do wzoru na różnicę sześcianów:\[ a^3 - b^3 = (a - b)(a^2 + ab + b^2) \]Możemy zapisać wyrażenie $a^2 + ab + b^2$ jako $(a^2 + b^2) + ab$:\[ a^3 - b^3 = (a - b)((a^2 + b^2) + ab) \]Podstawiamy znane wartości:\[ a^3 - b^3 = (2)(10 + 3) \]\[ a^3 - b^3 = 2 \cdot 13 \]\[ a^3 - b^3 = 26 \]Wartość $a^3 - b^3$ wynosi $26$, co potwierdza tezę zadania.
Zadanie 3 (2 pkt)
Wykaż, że jeśli liczba całkowita $a$ przy dzieleniu przez 4 daje resztę 3, to sześcian tej liczby przy dzieleniu przez 4 daje resztę 3.
Sześcian liczby $a$ przy dzieleniu przez 4 daje resztę $3$.
Zgodnie z treścią zadania, liczba całkowita $a$ przy dzieleniu przez 4 daje resztę 3. Możemy to zapisać jako:\[a = 4k + 3\]dla pewnej liczby całkowitej $k$. Następnie obliczamy sześcian liczby $a$: \[a^3 = (4k + 3)^3\]Rozwijamy sześcian sumy $(x+y)^3 = x^3 + 3x^2y + 3xy^2 + y^3$: \[a^3 = (4k)^3 + 3 \cdot (4k)^2 \cdot 3 + 3 \cdot (4k) \cdot 3^2 + 3^3\]Obliczamy poszczególne składniki: \[a^3 = 64k^3 + 3 \cdot (16k^2) \cdot 3 + 3 \cdot (4k) \cdot 9 + 27\]\[a^3 = 64k^3 + 144k^2 + 108k + 27\]Zauważamy, że pierwsze trzy składniki są podzielne przez 4. Grupujemy je i wyłączamy 4 przed nawias: \[a^3 = 4(16k^3 + 36k^2 + 27k) + 27\]Teraz analizujemy ostatni składnik, 27. Dzielimy 27 przez 4, aby znaleźć resztę: \[27 = 4 \cdot 6 + 3\]Podstawiamy to do wyrażenia na $a^3$: \[a^3 = 4(16k^3 + 36k^2 + 27k) + 4 \cdot 6 + 3\]Wyłączamy 4 z wyrażenia zawierającego 6: \[a^3 = 4(16k^3 + 36k^2 + 27k + 6) + 3\]Niech $K = 16k^3 + 36k^2 + 27k + 6$. Ponieważ $k$ jest liczbą całkowitą, $K$ również jest liczbą całkowitą. Zatem, możemy zapisać: \[a^3 = 4K + 3\]Co oznacza, że sześcian liczby $a$ przy dzieleniu przez 4 daje resztę 3. Tym samym wykazaliśmy tezę.
Zadanie 4 (5 pkt)
Wykaż, że liczba $(4+\sqrt{3})\sqrt[3]{100-51\sqrt{3}}$ jest równa 13.
Wyrażenie $(4+\sqrt{3})\sqrt[3]{100-51\sqrt{3}}$ jest równe $13$.
Aby wykazać równość, należy uprościć wyrażenie po lewej stronie.
Zauważamy, że wyrażenie pod pierwiastkiem sześciennym można zapisać jako sześcian dwumianu.
Przyjmijmy, że $100-51\sqrt{3} = (a-b\sqrt{3})^3$.
Rozwijamy dwumian $(a-b\sqrt{3})^3$:\[(a-b\sqrt{3})^3 = a^3 - 3a^2b\sqrt{3} + 3a(b\sqrt{3})^2 - (b\sqrt{3})^3\]\[= a^3 - 3a^2b\sqrt{3} + 3a \cdot 3b^2 - b^3 \cdot 3\sqrt{3}\]\[= (a^3 + 9ab^2) - (3a^2b + 3b^3)\sqrt{3}\]Porównując to z $100-51\sqrt{3}$, otrzymujemy układ równań:\[a^3 + 9ab^2 = 100\]\[3a^2b + 3b^3 = 51\]Poprzez podstawienie i sprawdzenie, znajdujemy, że wartości $a=4$ i $b=1$ spełniają oba równania:
Dla pierwszego równania:\[4^3 + 9 \cdot 4 \cdot 1^2 = 64 + 36 = 100\]Dla drugiego równania:\[3 \cdot 4^2 \cdot 1 + 3 \cdot 1^3 = 3 \cdot 16 \cdot 1 + 3 \cdot 1 = 48 + 3 = 51\]Zatem wyrażenie pod pierwiastkiem sześciennym to:\[100-51\sqrt{3} = (4-\sqrt{3})^3\]Podstawiamy to do oryginalnego wyrażenia:\[(4+\sqrt{3})\sqrt[3]{(4-\sqrt{3})^3}\]Upraszczamy pierwiastek sześcienny:\[(4+\sqrt{3})(4-\sqrt{3})\]Stosujemy wzór na różnicę kwadratów $x^2-y^2=(x+y)(x-y)$:\[4^2 - (\sqrt{3})^2\]\[16 - 3\]\[13\]Wyrażenie jest równe $13$, co należało wykazać.
Zadanie 5 (4 pkt)
Wykaż, że jeśli reszta z dzielenia liczby całkowitej dodatniej $n$ przez 3 jest równa 1, to reszta z dzielenia liczby $4^n$ przez 9 jest równa 4.
Zostało wykazane, że jeśli reszta z dzielenia liczby całkowitej dodatniej $n$ przez 3 jest równa 1, to reszta z dzielenia liczby $4^n$ przez 9 jest równa 4.
Zgodnie z treścią zadania, reszta z dzielenia liczby $n$ przez 3 jest równa 1. Oznacza to, że $n$ można zapisać w postaci:\[n = 3k + 1\]gdzie $k$ jest liczbą całkowitą nieujemną ($k \ge 0$).Chcemy wykazać, że reszta z dzielenia liczby $4^n$ przez 9 jest równa 4. To jest równoważne wykazaniu, że $4^n - 4$ jest podzielne przez 9. Podstawiamy wzór na $n$:\[4^n - 4 = 4^{3k+1} - 4\]Wyciągamy 4 przed nawias:\[4^{3k+1} - 4 = 4 \cdot 4^{3k} - 4 = 4 \cdot (4^{3k} - 1)\]Zauważmy, że $4^{3k} = (4^3)^k = 64^k$. Zatem wyrażenie przyjmuje postać:\[4 \cdot (64^k - 1)\]Aby $4 \cdot (64^k - 1)$ było podzielne przez 9, a ponieważ 4 i 9 są względnie pierwsze, wyrażenie $(64^k - 1)$ musi być podzielne przez 9. Korzystamy ze wzoru skróconego mnożenia na różnicę $k$-tych potęg: $a^k - b^k = (a-b)(a^{k-1} + a^{k-2}b + \dots + b^{k-1})$. Dla $a=64$ i $b=1$:\[64^k - 1 = (64-1)(64^{k-1} + 64^{k-2} \cdot 1 + \dots + 1^{k-1})\]\[64^k - 1 = 63 \cdot (64^{k-1} + 64^{k-2} + \dots + 1)\]Niech $M = (64^{k-1} + 64^{k-2} + \dots + 1)$. $M$ jest liczbą całkowitą dla $k \ge 1$. Zatem $64^k - 1 = 63M$. Ponieważ $63$ jest podzielne przez 9 ($63 = 9 \cdot 7$), to $63M$ jest podzielne przez 9. A więc, $(64^k - 1)$ jest podzielne przez 9 dla $k \ge 1$.Teraz wracamy do $4 \cdot (64^k - 1)$:\[4 \cdot (64^k - 1) = 4 \cdot (9 \cdot 7 \cdot M) = 9 \cdot (28M)\]Wyrażenie $9 \cdot (28M)$ jest podzielne przez 9.To dowodzi, że $4^n - 4$ jest podzielne przez 9 dla $k \ge 1$. Rozważmy przypadek $k=0$. Wtedy $n = 3 \cdot 0 + 1 = 1$. Wówczas $4^n - 4 = 4^1 - 4 = 4 - 4 = 0$. Liczba 0 jest podzielna przez 9.Zatem dowód jest prawdziwy dla wszystkich liczb całkowitych nieujemnych $k$.
Grupa B
Zadanie 1 (5 pkt)
a) Wykaż, że liczba $2^{24} - 1$ jest podzielna przez 17
b) Wykaż, że liczba $9^8 - 3^4$ jest podzielna przez 13.
a) Liczba $2^{24} - 1$ jest podzielna przez $17$ ponieważ $2^8 - 1 = 255 = 15 \cdot 17$, a wyrażenie $2^{24} - 1$ zawiera czynnik $2^8 - 1$.
b) Liczba $9^8 - 3^4$ jest podzielna przez $13$ ponieważ $9^8 - 3^4 = 81^4 - 3^4$, co jest podzielne przez $81 - 3 = 78$, a $78$ jest podzielne przez $13$.
Zadanie 2 (2 pkt)
Pokaż, że jeśli $a - b = 3$ oraz $a \cdot b = 2$, to $a^3 - b^3 = 45$.
Pokazano, że $a^3 - b^3 = 45$.
Zadanie 3 (2 pkt)
Wykaż, że jeśli liczba całkowita $a$ przy dzieleniu przez 7 daje resztę 4, to sześcian tej liczby przy dzieleniu przez 7 daje resztę 1.
Sześcian liczby $a$ przy dzieleniu przez 7 daje resztę $1$.
Zadanie 4 (5 pkt)
Wykaż, że liczba $(5+\sqrt{2})\sqrt[3]{155-77\sqrt{2}}$ jest równa 23.
Wyrażenie $(5+\sqrt{2})\sqrt[3]{155-77\sqrt{2}}$ jest równe $23$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Wykaż, że jeśli reszta z dzielenia liczby całkowitej dodatniej $n$ przez 4 jest równa 1, to reszta z dzielenia liczby $3^n$ przez 10 jest równa 3.
Zostało wykazane, że jeśli reszta z dzielenia liczby całkowitej dodatniej $n$ przez 4 jest równa 1, to reszta z dzielenia liczby $3^n$ przez 10 jest równa 3.
