Title

给定 $n$ 个素数,将它们任意相乘(每个素数可以出现任意次)已构造 $n+1$ 个正整数,试证:这 $n+1$ 个正整数中必定可以抽出若干个数,这些数的乘积是完全平方数。

Proof

不妨记这 $n$ 个素数为

$$p_1,p_2,\cdots, p_n$$

于是由它们构造的 $n+1$ 个正整数中的任意一个可以写成

$$p_{1}^{k_1}p_{2}^{k_2}\cdots p_{n}^{k_n} \qquad k_{i}^{} \in \mathbb{N}$$

的形式。

因为素因子 $p_i$ 是固定的,因此有序序列 $k_1k_2\dots k_n$ 就可以唯一地确定一个积;并且这个积是完全平方数,当且仅当 $k_i$ 全是偶数。

注意到序列 $k_1k_2\dots k_n$ 的奇偶排布的数目为 $2^n$(也就是长为 $n$ 的 0-1序列的数目),而我们从 $n+1$ 个正整数中抽取若干个数的方式数目为 $2^{n+1}-1 > 2^n$,从而我们可以由抽屉原理得知,这 $n+1$ 个整数的集合存在两个子集,记这两个子集中整数的各自的乘积分别为

$$p_{1}^{k'_1}p_{2}^{k'_2}\cdots p_{n}^{k'_n} \qquad k_{i}^{'} \in \mathbb{N}$$

$$p_{1}^{k_{1}^{''}}p_{2}^{k_{2}^{''}}\cdots p_{n}^{k_{n}^{''}} \qquad k_{i}^{''} \in \mathbb{N}$$

并满足

$$\forall i \in [n], \ k_{i}^{'} \equiv k_{i}^{''} \mod 2$$

于是,自然地,我们有

$$\forall i \in [n], \ (k_{i}^{'} + k_{i}^{''}) \equiv 0 \mod 2$$

也即是说,这两个子集共同的乘积

$$p_{1}^{k_{1}^{'}+k_{1}^{''}}p_{2}^{k_{2}^{'}+k_{2}^{''}}\cdots p_{n}^{k_{n}^{'}+k_{n}^{''}}$$

是完全平方数,命题得证。

Q.E.D.