Prvo rješenje.
Tvrdnju dokazujemo matematičkom indukcijom. Baza indukcije vrijedi jer je broj 2 − 3 + 1 = 0 2-3+1=0 2 − 3 + 1 = 0 djeljiv sa 7 7 7 .
Pretpostavimo sada da za neki prirodni broj n n n tvrdnja vrijedi, tj. da je broj
A n = 22 … 2 ⏟ n znamenaka − 3 n + 1 A_n=\underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}-3^n+1 A n = n znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1
djeljiv sa 7 7 7 . Vrijedi:
A n + 1 = 22 … 2 ⏟ ( n + 1 ) znamenaka − 3 n + 1 + 1 = 10 ⋅ 22 … 2 ⏟ n znamenaka + 2 − 3 n + 1 + 1 = 10 ( 22 … 2 ⏟ n znamenaka − 3 n + 1 ) + 10 ⋅ 3 n − 10 + 2 − 3 n + 1 + 1 = 10 A n + 10 ⋅ 3 n − 3 n + 1 − 7 = 10 A n + 10 ⋅ 3 n − 3 ⋅ 3 n − 7 = 10 A n + 7 ( 3 n − 1 ) . \begin{aligned} A_{n+1} &=\underbrace{22\ldots2}_{(n+1)\text{ znamenaka}}-3^{n+1}+1\\ &=10\cdot\underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}+2-3^{n+1}+1\\ &=10\left(\underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}-3^n+1\right)+10\cdot3^n-10+2-3^{n+1}+1\\ &=10A_n+10\cdot3^n-3^{n+1}-7\\ &=10A_n+10\cdot3^n-3\cdot3^n-7\\ &=10A_n+7(3^n-1). \end{aligned} A n + 1 = ( n + 1 ) znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 + 1 = 10 ⋅ n znamenaka 22 … 2 + 2 − 3 n + 1 + 1 = 10 ( n znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 ) + 10 ⋅ 3 n − 10 + 2 − 3 n + 1 + 1 = 10 A n + 10 ⋅ 3 n − 3 n + 1 − 7 = 10 A n + 10 ⋅ 3 n − 3 ⋅ 3 n − 7 = 10 A n + 7 ( 3 n − 1 ) .
Broj A n + 1 A_{n+1} A n + 1 smo prikazali kao zbroj dva broja djeljiva sa 7 7 7 , pa je i on sam djeljiv sa 7 7 7 . Time smo proveli korak indukcije, pa prema principu matematičke indukcije slijedi tvrdnja zadatka.
Drugo rješenje.
Kao u prošlom rješenju, tvrdnju dokazujemo matematičkom indukcijom. Nakon što provjerimo bazu indukcije, pretpostavljamo da tvrdnja vrijedi za neki prirodni broj n n n i dokazujemo za n + 1 n+1 n + 1 :
A n + 1 = 22 … 2 ⏟ ( n + 1 ) znamenaka − 3 n + 1 + 1 = 22 … 2 ⏟ n znamenaka + 2 ⋅ 10 n − 3 n + 1 + 1 = 22 … 2 ⏟ n znamenaka − 3 n + 1 + 2 ⋅ 10 n − 3 n + 1 + 3 n = A n + 2 ⋅ 10 n − 3 n + 1 + 3 n = A n + 2 ⋅ 10 n − 2 ⋅ 3 n = A n + 2 ( 10 n − 3 n ) . \begin{aligned} A_{n+1} &=\underbrace{22\ldots2}_{(n+1)\text{ znamenaka}}-3^{n+1}+1\\ &=\underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}+2\cdot10^n-3^{n+1}+1\\ &=\underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}-3^n+1+2\cdot10^n-3^{n+1}+3^n\\ &=A_n+2\cdot10^n-3^{n+1}+3^n\\ &=A_n+2\cdot10^n-2\cdot3^n\\ &=A_n+2(10^n-3^n). \end{aligned} A n + 1 = ( n + 1 ) znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 + 1 = n znamenaka 22 … 2 + 2 ⋅ 1 0 n − 3 n + 1 + 1 = n znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 + 2 ⋅ 1 0 n − 3 n + 1 + 3 n = A n + 2 ⋅ 1 0 n − 3 n + 1 + 3 n = A n + 2 ⋅ 1 0 n − 2 ⋅ 3 n = A n + 2 ( 1 0 n − 3 n ) .
Kako je
10 n − 3 n = ( 10 − 3 ) ( 10 n − 1 + 10 n − 2 ⋅ 3 + … + 10 ⋅ 3 n − 2 + 3 n − 1 ) , 10^n-3^n=(10-3)(10^{n-1}+10^{n-2}\cdot3+\ldots+10\cdot3^{n-2}+3^{n-1}), 1 0 n − 3 n = ( 10 − 3 ) ( 1 0 n − 1 + 1 0 n − 2 ⋅ 3 + … + 10 ⋅ 3 n − 2 + 3 n − 1 ) ,
vidimo da je taj izraz djeljiv sa 7 7 7 .
Po pretpostavci indukcije je i A n A_n A n djeljiv sa 7 7 7 , pa je i
22 … 2 ⏟ ( n + 1 ) znamenaka − 3 n + 1 + 1 \underbrace{22\ldots2}_{(n+1)\text{ znamenaka}}-3^{n+1}+1 ( n + 1 ) znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 + 1
djeljiv sa 7 7 7 kao zbroj dva takva broja. Time je dokazan korak indukcije, pa prema principu matematičke indukcije slijedi tvrdnja zadatka.
Treće rješenje.
Koristeći činjenicu da brojevi 10 10 10 i 3 3 3 daju isti ostatak pri dijeljenju sa 7 7 7 , dobivamo niz jednakosti i kongruencija:
22 … 2 ⏟ n znamenaka − 3 n + 1 = 2 ⋅ ( 10 n − 1 + 10 n − 2 + … + 10 + 1 ) − 3 n + 1 ≡ 2 ⋅ ( 3 n − 1 + 3 n − 2 + … + 3 + 1 ) − 3 n + 1 ( m o d 7 ) . \underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}-3^n+1 =2\cdot(10^{n-1}+10^{n-2}+\ldots+10+1)-3^n+1 \equiv2\cdot(3^{n-1}+3^{n-2}+\ldots+3+1)-3^n+1\pmod{7}. n znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 = 2 ⋅ ( 1 0 n − 1 + 1 0 n − 2 + … + 10 + 1 ) − 3 n + 1 ≡ 2 ⋅ ( 3 n − 1 + 3 n − 2 + … + 3 + 1 ) − 3 n + 1 ( mod 7 ) .
Primijenimo li formulu za zbroj prvih n n n članova geometrijskog niza, dobivamo
22 … 2 ⏟ n znamenaka − 3 n + 1 ≡ 2 ⋅ 3 n − 1 2 − 3 n + 1 = 0 ( m o d 7 ) . \underbrace{22\ldots2}_{n\text{ znamenaka}}-3^n+1 \equiv2\cdot\frac{3^n-1}{2}-3^n+1=0\pmod{7}. n znamenaka 22 … 2 − 3 n + 1 ≡ 2 ⋅ 2 3 n − 1 − 3 n + 1 = 0 ( mod 7 ) .
Iz toga zaključujemo da je broj s lijeve strane jednakosti djeljiv sa 7 7 7 , a to je i trebalo dokazati.