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Moreover rp(qk2+ a

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Academic year: 2021

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Problem 11428

(American Mathematical Monthly, Vol.116, April 2009) Proposed by W. Blumberg (USA).

Letp a prime congruent to 3 mod 4, and let a and q be integers, such that p does not divide q.

Show that

p

X

k=1

(qk2+ a)/p = 2a + 1 +

p

X

k=1

(qk2− a − 1)/p .

Solution proposed by Roberto Tauraso, Dipartimento di Matematica, Universit`a di Roma “Tor Vergata”, via della Ricerca Scientifica, 00133 Roma, Italy.

Let rp(n) be the remainder of the division of n by p then, since n = p⌊n/p⌋ + rp(n), the above equality is equivalent to

p

X

k=1

rp(qk2+ a) =

p

X

k=1

rp(qk2− a − 1).

Moreover

rp(qk2+ a) = rp(qk2) + rp(a) − p x(k) and rp(qk2− a − 1) = rp(qk2) − rp(a) − 1 + p y(k) with

x(k) = [rp(qk2) ≥ p − rp(a)] and y(k) = [rp(qk2) ≤ rp(a)]

where [Q] is equal to 1 if proposition Q is true and it is 0 otherwise.

Hence, since x(p) = 0 and y(p) = 1 then it suffices to show that

p−1

X

k=1

(x(k) + y(k)) = 2rp(a).

Note that rp(qk2) = j for some j ∈ {1, . . . , p − 1} iff k2 = jq−1 mod p (q is invertible mod p), that is iff jq−1 is a square mod p which means that 

jq−1 p

 = 1 where 

· p

 is the Legendre symbol.

Therefore the number of k ∈ {1, . . . , p − 1} such that rp(qk2) = j isjq−1

p

+ 1 (it gives 0 or 2).

Since p = 3 mod 4 then

−1 p

= (−1)(p−1)/2= −1, and it follows that

p−1

X

k=1

x(k) =

p−1

X

j=p−rp(a)

 jq−1 p

 + 1



= rp(a) + q−1 p

rp(a) X

j=1

 p − j p



= rp(a) − q−1 p

rp(a) X

j=1

 j p

 .

In a similar way

p−1

X

k=1

y(k) =

rp(a)

X

j=1

 jq−1 p

 + 1



= rp(a) + q−1 p

rp(a) X

j=1

 j p

 .

Finally,

p−1

X

k=1

(x(k) + y(k)) = rp(a) − q−1 p

rp(a) X

j=1

 j p



+ rp(a) + q−1 p

rp(a) X

j=1

 j p



= 2rp(a).



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