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binomio de congruencia $\sum_{i=1}^{\frac{p-1}{2}}\binom{2i}{i}\equiv 0~or (-2)\pmod p$

Deje $p\ge 5$ ser un número primo. Mostrar que $$\sum_{i=1}^{\frac{p-1}{2}}\binom{2i}{i}\equiv 0 \text{ or } -2\pmod p .$$

Ejemplos:

Si $p=5$, luego $$f=\sum_{i=1}^{\frac{p-1}{2}}\binom{2i}{i}=\binom{2}{1}+\binom{4}{2}=8\equiv -2\pmod 5 .$$

Si $p=7$, luego $$f=\sum_{i=1}^{\frac{p-1}{2}}\binom{2i}{i}=\binom{2}{1}+\binom{4}{2}+\binom{6}{3}=28\equiv 0\pmod 7 .$$

Si $p=11$, luego $$f=\sum_{i=1}^{\frac{p-1}{2}}\binom{2i}{i}=\binom{2}{1}+\binom{4}{2}+\binom{6}{3}+\binom{8}{4}+\binom{10}{5}=350\equiv -2 \pmod{11} .$$

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Noam D. Elkies Puntos 17729

Es más conveniente para iniciar la suma de $i=0$ en lugar de $i=1$, añadir el término ${0 \choose 0} = 1$, y apunta $$ \sum_{i=0}^{(p-1)/2} {2i \elegir i} \equiv \pm 1 \bmod p. $$ Para probar esto, tenga en cuenta que ${2i \choose i} \equiv 0 \bmod p$ $(p-1)/2 < i \leq p-1$. Por lo tanto $$ \left( \sum_{i=0}^{(p-1)/2} {2i \elegir i} \right)^2 = \sum_{i=0}^{(p-1)/2} \, \sum_{j=0}^{(p-1)/2} {2i \elegir i} {2j \elegir j} \equiv \mathop{\sum\sum}_{i,j \geq 0}^{i+j \leq p-1} {2i \elegir i} {2j \elegir j} \bmod p. $$ Pero $\sum_{i+j = n} {2i \choose i} {2j \choose j} = 4^n$ debido a $2i\choose i$ $x^i$ coeficiente de $(1-4x)^{-1/2}$. Por lo tanto $$ \left( \sum_{i=0}^{(p-1)/2} {2i \elegir i} \right)^2 \equiv \sum_{n=0}^{p-1} 4^n = 1 + \sum_{n=1}^{p-1} 4^n \bmod p. $$ Desde que asumió $p \geq 5$, la última suma es $4 \cdot (4^p-1)/(4-1) \equiv 0 \bmod p$, por lo que $\sum_{i=0}^{(p-1)/2} {2i \choose i}$ es una raíz cuadrada de $1 \bmod p$, QED.

barak manos observa en un comentario de que el signo de $1$ o $-1$ parece coincidir el residuo de $p \bmod 6$ (lo que es equivalente, de $p \bmod 3$ porque $p$ es impar). He comprobado experimentalmente para todos los $p < 1000$. Probando es probable que requieren un enfoque diferente.

Postscript no tan diferentes, como resulta. Considere el polinomio $$ P(x) = \sum_{i=0}^{(p-1)/2} {2i \choose i} (x/4)^i \bmod p. $$ El mismo argumento muestra que antes de $P(x)^2 \equiv (x^p - 1) / (x-1) \bmod p$ de forma idéntica; pero eso significa que $P(x)^2 \equiv (x-1)^{p-1}$, por lo que $P(x) = \pm (x-1)^{(p-1)/2}$ (que también puede ser visto directamente). La comparación de los coeficientes de $x^{(p-1)/2}$ (o más simplemente, de $x$) pronto nos vemos de que el signo es el símbolo de Legendre $(-1/p)$. La sustitución de algunos de los $x \bmod p$ a $(x-1)^{(p-1)/2}$ los rendimientos del símbolo de Legendre $((x-1)/p)$. Aquí $x=4$ así obtenemos $(-1/p) (3/p) = (-3/p)$, que por reciprocidad cuadrática es $1$ o $-1$ $p$ $1$ o $-1 \bmod 3$, QED.

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