指数型递推数列构成完全剩余系的模数
设 为数列 的前 项和,满足
求所有的整数 ,使得
构成模 的完全剩余系。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
二进赋值 是2整除整数 的次数;本题 可由奇数指数和逐次平方证明。特征根法是线性递推工具,也可猜出显式式后逐项代回并由初值唯一性确认。乘法阶与欧拉函数用于界定周期。
想法从哪来:完全剩余系最直接的判据是前 项两两不同,先把递推转成便于比较两项之差的显式表达式。 特征多项式分解后得到指数型项,两项差包含 。试模2的幂时,这个差中因子2的个数能精确跟踪指标差,正好排除碰撞。 反过来,含奇因子的模数可能有较短周期。因为公式分母为4,必须寻找 模 的周期,而非只看模 。阶小于 就能在指定前 项里制造碰撞;底数5不互素的情形要先另行排除。
先由前缀和递推求出 。若模数是 的幂,两个不同项之差的 二进赋值恰等于指标差的二进赋值,可直接证明互异;若模数含奇因子,则利用 在 模 下的乘法阶制造前 项中的碰撞。
由已知三项,
前缀和递推的特征多项式为
结合三个初值可得
因此对一切 ,
这里 也可直接核对。
先证所有 的幂都符合。设
对任意正整数 ,由二进赋值公式
于是当 时,由 (1) 得
所以 。前 项模 两两不同,因而恰构成模 的完全剩余系。
再证没有其他模数。设
其中 为奇数。若 ,则由 (1)
对所有 成立,不可能构成模 的完全剩余系。
以下设 。令 为 模 的乘法阶。模 时, 的阶为 ;模奇数 时, 的阶整除 。由中国剩余定理,
按乘法阶定义,
结合 (1),
由于 ,指标 与 都在 内,前 项出现了 相同余数,矛盾。因此 不可能。
综上,全部答案为
公式 (2) 可由提升指数引理得到;也可直接从奇数 时 ,以及
逐次归纳。逆向排除中使用乘法阶前已单独排除 ,所以 ;且 确保碰撞的两项都位于题目指定的前 项内。
完全剩余系的核心是“前 项模 两两不同”。指数型数列对 的幂可用赋值精确 比较差;一旦模数含奇因子,乘法阶通常比模数本身小,从而产生周期碰撞。证明时应先处理 底数与模数不互素的情形,再调用乘法阶。
要从三阶和递推还原,利用精确二进赋值证明2幂模数全部可行,再以模4m的阶不足m排除所有含奇因子的模数。
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