Shortlist 2022, N1¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : Cyprus
Concepts : Équations diophantiennes : factorisation et encadrement · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
Solution officielle : Shortlist officielle 2022 (avec solutions), p. 60 (page 62 du PDF)
Énoncé¶
A number is called Norwegian if it has three distinct positive divisors whose sum is equal to \(2022\). Determine the smallest Norwegian number.
(Note: The total number of positive divisors of a Norwegian number is allowed to be larger than \(3\).)
Indices : les idées clés
- Écrire les diviseurs sous la forme \(N/a\), \(N/b\), \(N/c\) : la condition devient \(2022 = N\left(\frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{c}\right)\).
- Encadrement : si \(N < 1344\), la somme \(\frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{c}\) dépasse \(\frac{3}{2}\), ce qui force \(a = 1\) et \(b \in \{2, 3\}\).
- PGCD et divisibilité : dans le cas \(b = 2\), \((3c+2)N = 4044c\) et \(\operatorname{pgcd}(c, 3c+2) \mid 2\) donnent \(3c + 2 \mid 2^3 \cdot 337\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2022 (une solution).
Réponse : \(1344\).
Solution¶
Le nombre \(1344\) est norvégien : \(6\), \(672\) et \(1344\) sont trois diviseurs distincts de \(1344\) et \(6 + 672 + 1344 = 2022\). Il reste à montrer que c'est le plus petit.
Supposons par l'absurde que \(N < 1344\) soit norvégien, et écrivons ses trois diviseurs distincts sous la forme \(N/a\), \(N/b\), \(N/c\) avec \(a < b < c\). Alors
donc
Encadrement. Si \(a > 1\), alors
donc nécessairement \(a = 1\). De même, on doit avoir \(b < 4\), sinon
Il reste deux cas : \(b = 2\) et \(b = 3\).
Cas \(b = 3\). Alors
donc \(c = 4\) ou \(c = 5\). Si \(c = 4\),
ce qui est impossible car \(19 \nmid 2022\). Si \(c = 5\),
ce qui est de nouveau impossible car \(23 \nmid 2022\).
Cas \(b = 2\). On a \(c < 224\) car
Par ailleurs,
Comme \(\operatorname{pgcd}(c, 3c + 2) = \operatorname{pgcd}(c, 2) \in \{1, 2\}\), on obtient \(3c + 2 \mid 8088 = 2^3 \cdot 3 \cdot 337\), et comme \(3c + 2\) n'est pas divisible par \(3\), \(3c + 2 \mid 2^3 \cdot 337\). (Le livret écrit \(\operatorname{pgcd}(c, 3c - 2)\) ; il faut lire \(3c + 2\).) Mais \(3c + 2 \geq 3 \cdot 3 + 2 > 8 = 2^3\) (car \(c > b = 2\)) et \(3c + 2 \neq 337\) (\(335\) n'est pas divisible par \(3\)) ; donc \(3c + 2 \geq 2 \cdot 337\), ce qui contredit \(c < 224\).
Dans tous les cas on aboutit à une contradiction : le plus petit nombre norvégien est \(1344\). \(\blacksquare\)