我们首先将 xk 写成分数形式:设
xk=bkak(ak,bk∈Z,gcd(ak,bk)=1).
由题中递推关系
xk+1=31(xk+xk1−1),
写为
xk+1=31(bkak+akbk−1)=3akbkak2+bk2−akbk.
也就是说,我们可以取
ak+1=ak2+bk2−akbk,bk+1=3akbk.
求和不变量
注意到
ak+1+bk+1=(ak2+bk2−akbk)+3akbk=ak2+bk2+2akbk=(ak+bk)2.
所以
ak+1+bk+1=(ak+bk)2.
初始时 a1=25,b1=11 得
a1+b1=36.
由递推可知
ak+bk=362k−1.
因此特别地,
a2025+b2025=3622024.
整除因素(约去的因子)
由于 bk+1=3akbk显然含有因子3,而 ak+1 中也可能带入因子。仔细证明后可发现(也可通过前几步计算验证)当我们把 ak,bk 分解成
ak=DkA,bk=DkB,gcd(A,B)=1,
则经过递推可以证明
Dk+1=Dk2⋅G(A,B)
其中
G(A,B)=gcd(A2+B2−AB,3AB).
对于初始 a1=25,b1=11(注意 25≡1,11≡2(mod3))可以证明归约后的 A,B 满足 A≡1,B≡2(mod3),从而 G(A,B)=3;进而证明
v3(Dk)=2k−1−1,(k≥2),
即 Dk 恰好吸去了所有3的幂,且
D2025=322024−1.
表示 x2025 的和
写出 x2025=b2025a2025 的既约形式,即设
a2025=m,b2025=n,gcd(m,n)=1.
注意
m+n=D2025a2025+b2025=322024−13622024.
写 36=22⋅32 得
3622024=22⋅22024⋅32⋅22024=222025⋅322025.
因此
m+n=222025⋅322025−(22024−1)=222025⋅322024+1.
求 m+n 模 1000 的余数
我们需要计算
N=222025⋅322024+1(mod1000).
由于 1000=8⋅125,利用中国剩余定理分开求解。
(1)模 8 部分
注意 222025 的指数远大于3,因此
222025≡0(mod8).
于是 N≡0(mod8).
(2)模 125 部分
利用欧拉定理,φ(125)=100。于是我们只需要将指数模 100 化简。
计算 222025(mod125):
先求 E=22025(mod100)。
- 模 4:对于 n≥2 有 2n≡0(mod4),故 22025≡0(mod4)。
- 模 25:φ(25)=20,故 22025≡22025mod20(mod25)。注意 2025÷20 得余 2025−20⋅101=5,故 22025≡25=32≡7(mod25).
解联立:
{x≡0(mod4),x≡7(mod25).
令 x=25k+7,要求 25k+7≡0(mod4)。因 25≡1(mod4),故条件为 k+7≡0(mod4)即 k≡1(mod4)。取最小 k=1 得 x=25+7=32. 所以
22025≡32(mod100).
因此,由于 222025 的指数可在模125中按指数100取余,
222025≡232(mod125).
计算 232(mod125):
- 210=1024≡24(mod125);
- 220≡242=576≡576−4⋅125=576−500=76(mod125);
- 230≡76⋅24=1824≡1824−14⋅125=1824−1750=74(mod125);
- 232=230⋅22≡74⋅4=296≡296−2⋅125=296−250=46(mod125).
记得 A=222025≡46(mod125).
计算 322024+1(mod125):
同样先求 22024(mod100):
- 模 4:22024≡0(mod4);
- 模 25:2024mod20=2024−20⋅101=4,故 22024≡24=16(mod25)。
解联立得 22024≡16(mod100)(可证明唯一解是16)。
因此 22024+1≡16+1=17(mod100)。
利用欧拉定理,322024+1≡317(mod125)。
计算 317:
31=3,32=9,33=27,34=81,35=243≡118,36≡118⋅3=354≡104,
37≡104⋅3=312≡62,38≡62⋅3=186≡61,39≡61⋅3=183≡58,
310≡58⋅3=174≡49,311≡49⋅3=147≡22,312≡22⋅3=66,
313≡66⋅3=198≡73,314≡73⋅3=219≡94,315≡94⋅3=282≡32,
316≡32⋅3=96,317≡96⋅3=288≡288−2⋅125=38(mod125).
记 B=322024+1≡38(mod125).
于是
N≡A⋅B≡46⋅38(mod125).
计算 46⋅38=1748,
1748−125⋅13=1748−1625=123,
所以 N≡123(mod125).
利用中国剩余定理
我们已知:
N≡0(mod8),N≡123(mod125).
设 N=125k+123 ,要求 125k+123≡0(mod8)。
注意 125≡5(mod8),故有
5k+123≡0(mod8).
而 123≡3(mod8),所以
5k+3≡0(mod8)⟹5k≡5(mod8).
因 5 在模8中可逆(逆元为5,因为 5⋅5=25≡1(mod8)),故 k≡1(mod8)。
取最小正整数 k=1 得
N=125⋅1+123=248.
结论
最终,x2025=nm(两者互质)满足
m+n≡248(mod1000).
答案是 248.