Problema de teoría de números modular

Question

Dejar $k\in\mathbb{N}, 2<p\in\mathbb{P}, p^{\alpha}\mid\mid n,\alpha\ge1$. Entonces prueba eso$$1^k+2^k+\ldots+n^k\equiv\begin{cases}\hfill 0\pmod{p^{\alpha}},& p-1\nmid k\\-\frac{n}{p}\pmod{p^{\alpha}},& p-1\mid k\end{cases}$$

En primer lugar, probé $n=p$. Si$p-1\mid k$, entonces puede demostrarse fácilmente con el pequeño teorema de Fermat. Dejar$p-1\nmid k$. Ya que$p$ es primo, tiene una raíz primitiva $g$ y satisface $\{1,g,g^2,\ldots,g^{p-2}\}=\{1,2,3,\ldots,p-1\}$. Entonces es suficiente para demostrar que$1+g^k+g^{2k}+\ldots+g^{(p-2)k}\equiv 0\pmod p\iff p\mid\frac{g^{(p-1)k}-1}{g^k-1}\iff p\cdot (g^k-1)\mid g^{(p-1)k}-1$. Ya que$(p, g^k-1)\neq1\iff p-1\nmid k$ y $p\mid g^{(p-1)k}-1,g^k-1\mid g^{(p-1)k}-1$, es verdad.

Y no puedo continuar eso por $n=p^{\alpha}$ (para $p-1\nmid k$, es similar a $n=p$. Pero no puedo probarlo$p-1\mid k$), $n=p^{\alpha}\cdot n_1$, dónde $n_1>1, (n_1,p)=1$y así. ¿Alguien puede ayudarme?

Answer 1

No es difícil comprobar que es suficiente para mostrarlo $n=p^{\alpha}$.

Lo mostraremos por inducción sobre $\alpha$.

Si $\alpha=1$entonces funciona. Suponga que el resultado es válido para$\alpha-1$.

Entonces, mod $p^{\alpha}$, $\sum_{m=0}^{p^{\alpha}-1}{m^k} = \sum_{m=0}^{p^{\alpha-1}-1}{\sum_{l=0}^{p-1}{(m+p^{\alpha-1}l)^k}} = \sum_{m=0}^{p^{\alpha-1}-1}{\sum_{l=0}^{p-1}{m^k+kp^{\alpha-1}l}}=p\sum_{k=0}^{p^{\alpha-1}-1}{m^k}+kp^{\alpha-1}\sum_{l=0}^{p-1}{l} = p\sum_{k=0}^{p^{\alpha-1}-1}{m^k} = -p \cdot p^{\alpha-1}/p = -p^{\alpha}/p$.

Answer 2

Viendo todo como elementos de $\Bbb{Z}/p^a\Bbb{Z}$,

• Si $p-1\nmid k$ entonces toma $p\nmid s, s^k \ne 1\bmod p$ $$\sum_{m\bmod p^a} m^k =\sum_{m\bmod p^a} (sm)^k=s^k\sum_{m\bmod p^a} m^k$$ Lo que significa que $\sum_{m\bmod p^a} m^k=0$.

• Si $p-1|k$ luego toma el más grande $b$ tal que $(p-1)p^b | k$, ya que $m\to m^k$ , restringida a las unidades, es sobreyectiva al subgrupo de elementos de la forma $1+p^{b+1}l$ lo conseguimos $$\sum_{m\bmod p^a} m^k=\sum_{m\bmod p^a,p\ \nmid\ m} m^k+\sum_{m\bmod p^{a-1}} (pm)^k\\=(p-1)\sum_{l\bmod p^{a-1}} (1+p^{b+1} l)+p^k \sum_{m\bmod p^{a-1}} m^k$$ $$ = -p^{a-1}+p^k \sum_{m\bmod p^{a-1}} m^k$$ $$ = -p^{a-1}-p^k p^{a-2}-p^{2k} p^{a-3}-\ldots- p^{(a-1)k} p^{a-a}$$ $$ = -p^{a-1}$$