方程φe(n)=2ω(n)(e=8,12)的正整數(shù)解

余 禮, 廖群英

(四川師范大學 數(shù)學科學學院, 四川 成都 610066)

1 引言及主要結(jié)果

由廣義歐拉函數(shù)的定義易知

φ1(n)=φ(n)

且

近年來,Cai等[3-4]利用勒讓德符號和雅可比符號得到了φe(n)(e=3,4,6)的準確計算公式.最近,Yang等[5]得到了廣義歐拉函數(shù)φe(n)(e=8,12)的準確計算公式.此外,許多學者對歐拉函數(shù)和廣義歐拉函數(shù)的相關(guān)方程進行了研究.例如:文獻[6-9]用初等方法研究了e∈{1,2,3,4,6}時,方程

φe(n)=2ω(n)

的可解性,并給出了全部正整數(shù)解,其中ω(n)定義為n的所有不同素因子的個數(shù),ω(1)=0;金明艷等[10]完全確定了方程

φ2(n)=2Ω(n)

的正整數(shù)解,其中Ω(n)定義為n的所有素因子的個數(shù)(按重數(shù)算),Ω(1)=0;鄧桂林等[11]研究了方程

φe(n)=2tω(n),e=2,3,4,6

的可解性,給出了其部分正整數(shù)解.

本文利用初等的方法和技巧,完全確定了方程φe(n)=2ω(n)在e=8,12時的全部正整數(shù)解,即證明如下2個主要結(jié)果.

定理 1.1方程

φ8(n)=2ω(n)

(1)

的全部正整數(shù)解為

n=17,19,23,27,32,35,51,58,62,68,80,
96,154,182,186,170,204,228,240.

定理 1.2方程

φ12(n)=2ω(n)

(2)

的全部正整數(shù)解為

n=25,27,29,31,55,63,65,69,86,88,92,94,
104,106,112,144,195,230,238,260,266,280,
282,306,312,336,342,360,714,780,840.

2 相關(guān)引理

為證明本文主要結(jié)果,需要以下幾個引理.

引理 2.1[5]若n=2α,α>0,則

引理 2.2[5]若

n=2

其中pi(1≤i≤k)是不同的奇素數(shù).記

Pk={p1,p2,…,pk},

RPk={ri|pi≡ri(mod8),

0≤ri≤7,1≤i≤k},

則

φ8(n)=

引理 2.3[5]若

n=2α3β≥12,

則

引理 2.4[5]若

n=2α3

其中pi(1≤i≤k)是不同的奇素數(shù)且

gcd(pi,6)=1, 1≤i≤k.

記

Pk={p1,p2,…,pk},

0≤ri≤11,1≤i≤k},

則

φ12(n)=

3 主要結(jié)果證明

定理1.1的證明容易驗證,當n≤8時,均不是方程(1)的解.下面討論n>8時,方程(1)的解的情況.

情形 1若n=2α>8,由引理2.1,方程(1)即為φ8(n)=2α-4=2,解得α=5,此時n=32.

(Ⅰ) 當α∈{0,1},RPk={5,7},{5}時,由引理2.2,方程(1)即為

(3)

1)α=0.由(3)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

若Ω(n)為偶數(shù),則

因為6=2·3,所以k=2,并且α1=α2=1,于是

此式有解

p1=5,p2=7,

所以方程(1)有解n=35.

2)α=1.由(3)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

因為18=2·32,所以k=2,α1=α2=1,于是

此式有解p1=7,p2=13,則方程(1)有解n=182;

若Ω(n)為偶數(shù),則

(Ⅱ) 當α∈{0,1,2},RPk={3,7},{3}時,由引理2.2,方程(1)即為

(4)

1)α=0.由(4)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=19和k=1,α1=3,p1=3,則方程(1)有解n=19,27;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=15,這與p2為奇素數(shù)矛盾,所以方程(1)無解.

2)α=1.由(4)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=7,p2=11和k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=31,則方程(1)有解n=154,186;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=35,這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(1)無解.

3)α=2.由(4)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=15,這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(1)無解;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=19,則方程(1)有解n=228.

(Ⅲ) 當α∈{0,1,2},RPk={7}時,由引理2.2,方程(1)即為

(5)

1)α=0.由(5)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=23,則方程(1)有解n=23;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=11,此時與RPk={7}矛盾,所以方程(1)無解.

2)α=1.由(5)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=35,這與p2為奇素數(shù)且RPk={7}矛盾,所以方程(1)無解;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=31,則方程(1)有解n=62.

3)α=2.由(5)式有

即

若Ω(n)為奇數(shù),則

有解k=1,α1=1,p1=15,這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(1)無解;

若Ω(n)為偶數(shù),則

有解k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=19,這與RPk={7}矛盾,所以方程(1)無解.

(Ⅳ) 其他.方程(1)即為

(6)

1)α=0.(6)式可化為

有解k=1,α1=1,p1=17和k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=17,則方程(1)有解為n=17,51.

2)α=1.(6)式可化為

有解k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=17時,則方程(1)有解為n=170.

3)α=2.(6)式可化為

有解k=1,α1=1,p1=17和k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=17時,則方程(1)有解為n=68,204.

4)α=3.(6)式可化為

有解k=1,α1=1,p1=9,這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(1)無解.

5)α=4.(6)式可化為

有解k=1,α1=1,p1=5和k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=5,則方程(1)有解n=80,240.

6)α=5.(6)式可化為

有解k=1,α1=1,p1=3,則方程(1)有解n=96.

7)α≥6.(6)式可化為

由25-α<1可知此方程無解,所以方程(1)無解.

這就完成了定理1.1的證明.

定理1.2的證明容易驗證,當n≤12時,均不是方程(2)的解.下面討論n>12時,方程(2)的解的情況.

情形 1若n=2α3β>12.

(Ⅰ)α∈{0,1}.由引理2.3,方程(2)即為

1)α=0.(7)式可化為

3β-1-3(-1)Ω(n)=12.

當Ω(n)為奇數(shù)時,3β-1=9,有解β=3,則方程(2)有解n=27;當Ω(n)為偶數(shù)時,3β-1=15,此方程無解,所以方程(2)無解.

2)α=1.(7)式可化為

3β-1-3(-1)Ω(n)=24.

當Ω(n)為奇數(shù)時,3β-1=21,此方程無解,所以方程(2)無解;當Ω(n)為偶數(shù)時,3β-1=27,此方程無解,所以方程(2)無解.

(Ⅱ)β∈{0,1}.由引理2.3,方程(2)即為

1)β=0.(8)式可化為

2α-1+4(-1)Ω(n)=24.

當Ω(n)為奇數(shù)時,2α-1=28,此方程無解,所以方程(2)無解;當Ω(n)為偶數(shù)時,2α-1=20,此方程無解,所以方程(2)無解.

2)β=1.(8)式可化為

2α+4(-1)Ω(n)=48.

當Ω(n)為奇數(shù)時,2α=52,此方程無解,所以方程(2)無解;當Ω(n)為偶數(shù)時,2α=44,此方程無解,所以方程(2)無解.

(Ⅲ)α≥2,β≥2.由引理2.3,方程(2)即為

即

2α3β-1=48,

有解α=4,β=2,則方程(2)有解n=144.

情形 2若

其中pi(1≤i≤k)是滿足p1

(9)

1)α=0,β=0.由(9)式有

即

2)α=1,β=0.由(9)式有

即

k=2,α1=α2=1,p1=7,p2=19,

則方程(2)有解n=266;

(10)

1)α=0.由(10)式有

即

k=1,α1=1,p1=7,

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=11,

2)α=1.由(10)式有

即

3

k=1,α1=1,p1=15,

k=1,α1=1,p1=19,

則方程(2)有解n=342.

k=1,α1=2,p1=3

和

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=7,

當β≥4時,3(-1)Ω(n)+1=8.當Ω(n)為奇數(shù)時,由3β-2>1且gcd(3β-2,7)=1可知此方程無解,所以方程(2)無解;當Ω(n)為偶數(shù)時,由且3β-4≥1可知此方程無解,所以方程(2)無解.

(11)

k=1,α1=1,p1=29,

則方程(2)有解n=29.

k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=23,

則方程(2)有解n=230;

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=27,

這與p2為奇素數(shù)且gcd(pi,6)=1矛盾,所以方程(2)無解.

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=27,

這與p2為奇素數(shù)且gcd(pi,6)=1矛盾,所以方程(2)無解.

k=1,α1=1,p1=23,

則方程(2)有解n=69.

k=1,α1=1,p1=47,

則方程(2)有解n=282;

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=51,

這與p2為奇素數(shù)且gcd(pi,6)=1矛盾,所以方程(2)無解.

此時由等式左邊為奇數(shù),而等式右邊為偶數(shù),可知此方程無解,所以方程(2)無解.

(12)

1)α=3,β=0.由(12)式有

k=1,α1=α2=1,p1=3,p2=15,

這與p2為奇素數(shù)且gcd(pi,6)=1矛盾,所以方程(2)無解.

k=1,α1=1,p1=11,

則方程(2)有解n=88.

2)α≥4,β=0.由(12)式有

2

此時由等式左邊為奇數(shù),而等式右邊為偶數(shù),可知此方程無解,所以方程(2)無解.

3)α≥3,β=1.由(12)式有

2

此時由等式左邊為奇數(shù),而等式右邊為偶數(shù),可知此方程無解,所以方程(2)無解.

即

k=1,α1=1,p1=35,

這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(2)無解;

即

k=2,α1=α2=1,p1=3,p2=51,

這與p2為奇素數(shù)且gcd(pi,6)=1矛盾,所以方程(2)無解;

(Ⅶ) 其他.由引理2.4,方程(2)即為

(13)

1)α=0,β=0.由(13)式有

有解k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=13,則方程(2)有解n=65.

2)α=0,β≥1.由(13)式有

3

3)α=1,β=0.由(13)式有

有解k=2,α1=α2=1,p1=7,p2=17,則方程(2)有解n=238.

4)α=1,β≥1.由(13)式有

3

k=2,α1=α2=1,p1=7,p2=17,

則方程(2)有解n=714;

k=1,α1=1,p1=17,

則方程(2)有解n=306;

5)α=2,β=0.由(13)式有

有解k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=13,則方程(2)有解n=260.

6)α=2,β≥1.由(13)式有

3

k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=13,

則方程(2)有解n=780;

k=1,α1=1,p1=9,

這與p1為奇素數(shù)矛盾,所以方程(2)無解;

7)α=3,β=0.由(13)式有

有解

k=1,α1=1,p1=13

和

k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=7,

則方程(2)有解n=104,280.

8)α=3,β≥1.由(13)式有

3

k=1,α1=1,p1=13

和

k=2,α1=α2=1,p1=5,p2=7,

則方程(2)有解n=312,840;

k=1,α1=1,p1=5,

則方程(2)有解n=360;

9)α=4,β=0.由(13)式有

有解

k=1,α1=1,p1=7,

則方程(2)有解n=112.

10)α=4,β≥1.由(13)式有

3

k=1,α1=1,p1=7,

則方程(2)有解n=336;

k=1,α1=1,p1=3,

這與gcd(p1,6)=1矛盾,所以方程(2)無解;

11)α≥5,β=0.由(13)式有

由2α-4>1且

gcd(2α-4,3)=1

可知此方程無解,所以方程(2)無解.

12)α≥5,β≥1.由(13)式有

2α-43

這就完成了定理1.2的證明.

4 小結(jié)與展望

本文基于φe(n)(e=8,12)的準確計算公式,對n進行分類討論,利用初等的方法和技巧,研究了當e=8,12時,φe(n)=2ω(n)的可解性,完全確定了其正整數(shù)解.在此基礎上,可進一步討論關(guān)于廣義歐拉函數(shù)的方程φe(n)=pω(n)的可解性,其中p為奇素數(shù).