合同式の定義とその直観的解釈

「余り」がらみの問題では合同式が使えると見通しよく解けることが少なくありません。が,合同式を未習の生徒は非常に多い。そんなとき,簡単のため「まあ要は余りが等しいもの同士を\(\equiv\)で結ぶんだよ~」とざっくり紹介していますが厳密には違います。合同式の定義は

\[a\equiv b \pmod{p} \overset{\text{def}}{\Longleftrightarrow} \exists k\in\mathbb{Z}[a-b=pk]\]

です。なので

\[\exists k\in\mathbb{Z}[a-b=pk] \Longleftrightarrow \text{\(a\)を\(p\)で割った余りと\(b\)を\(p\)で割った余りが等しい}\]

を証明する必要があります。

証明

\(\Leftarrow\)は明らかであるから,\(\Rightarrow\)を示す.
\[a=pq_1+r_1,~b=pq_2+r_2\quad (0\leq r_1,r_2< p)\]とおくと,仮定により\((pq_1+r_1)-(pq_2+r_2)=pk~(k\in \mathbb{Z})\)と表せる.
\begin{align*}
&(pq_1+r_1)-(pq_2+r_2)=pk\Longleftrightarrow~p(q_1-q_2-k)=r_2-r_1
\end{align*}したがって\(r_2-r_1\)は\(p\)の倍数.ここで\(0\leq r_1,r_2< p\)より\(-p < r_1-r_2 < p\)であるから,\[r_2-r_1=0\]すなわち\(r_1=r_2\).

証明終

まあ,同値ですから「余りが等しい」ことを「定義」とするという立場をとってもいいのかも知れませんが。。

正多面体

正多面体は,次の\(5\)種類しかないことが知られている。

正四面体 正六面体 正八面体 正十二面体 正二十面体(図省略)

数研出版 高等学校 数学A

 

まず正多面体の定義が

  • 各面はすべて合同な正多角形である.
  • 各頂点に集まる面の数はすべて等しい.
  • ような凸多面体であることに注意しておきます。

    証明

    正多面体のひとつの面を正\(m\)角形(\(m\geq 3\)),ひとつの頂点に集まる面の個数を\(n\)とする.\(n\leq 2\)とすると頂点を作らないから\(n\geq 3\).

    このとき正多面体のひとつの頂点に集まる角度の和は\[\frac{180(m-2)}{m}\times n\]で表される.これが\(360^{\circ}\)より小さいから(さもなければ平面になってしまい,頂点を作らない),
    \begin{align*}
    &\frac{180^{\circ}(m-2)}{m}\times n < 360^{\circ}\\
    \Longleftrightarrow~&\frac{180^{\circ}(m-2)}{m}\times n < 360^{\circ}\\
    \Longleftrightarrow~&mn-2m-2n < 0\\
    \Longleftrightarrow~&(m-2)(n-2) < 4
    \end{align*}これを満たす\((m,n)\)を調べると

    • \(m=3\)のとき,\((3\leq)~n<6\)より\((m,n)=(3,3),(3,4),(3,5)\)
    • \(m=4\)のとき,\((3\leq)~n<4\)より\((m,n)=(4,3)\)
    • \(m=5\)のとき,\((3\leq)~n<\frac{10}{3}\)より\((m,n)=(5,3)\)

    次に\(m,n\)と頂点\(v\),辺\(e\),面\(f\)の個数の関係を調べる.\(m\)は正多面体の\(1\)つの面の辺の個数,\(n\)は正多面体の\(1\)つの頂点に集まる辺の個数でもあることに注意すると,

    \begin{align*}
    e=\frac{mf}{2},\quad e=\frac{nv}{2}~\Longleftrightarrow~f=\frac{2e}{m},\quad v=\frac{2e}{n}
    \end{align*}(\(\times \frac{1}{2}\)は重複の除去)となり,これをオイラーの多面体定理\(v-e+f=2\)に代入すると
    \begin{align*}
    v-e+f=2\Longleftrightarrow~&\frac{2e}{n}-e+\frac{2e}{m}=2\\
    \Longleftrightarrow~&\frac{2m-nm+2n}{nm}e=2\\
    \Longleftrightarrow~&e=\frac{2mn}{2m-mn+2n}
    \end{align*}よって\[f=\frac{4n}{2m-mn+2n}\]
    を得る.上で調べた\((m,n)=(3,3),(3,4),(3,5),(4,3),(5,3)\)を代入すると,それぞれ\[f=4,8,20,6,12\]となり,それぞれ正四面体,正八面体,正二十面体,正六面体,正十二面体となる.

    証明終

    (参考)

    正十二面体

    正二十面体

    メネラウスの定理の逆

    メネラウスの定理とは,

    三角形\(\mathrm{ABC}\)の\(2\)つの辺上と他の\(1\)辺の延長上に点\(\mathrm{P,Q,R}\)をとる(※).ここでは
    点\(\mathrm{P}\)を辺\(\mathrm{BC}\)の延長上の点,\(\mathrm{R,Q}\)をそれぞれ辺\(\mathrm{AB,AC}\)上の点であるとする.

    という仮定のもとで(※ 簡単のために「点\(\mathrm{P,Q,R}\)がすべて各辺の延長上の点である場合」は除いて考えることにします。),

    \begin{align*}
    &\text{点\(P,Q,R\)は一直線上に存在する}\Longleftrightarrow~\frac{RB}{AR}\cdot\frac{PC}{BP}\cdot\frac{QA}{CQ}=1
    \end{align*}

    が成り立つ,というものでした。問題では(\(\Rightarrow\))で使うことが圧倒的に多いのですが,まれに(\(\Leftarrow\))で使うことがあります。問題集等では唐突に出てきますがその証明は載ってないことが多いので以下に示します。

    証明

    (\(\Rightarrow\)の証明は有名なので割愛)

    (\(\Leftarrow\)の証明)
    直線\(\mathrm{RQ}\)が直線\(\mathrm{BC}\)と交わる点を\(\mathrm{P^{\prime}}\)とする.

    メネラウスの定理(上で証明済み)により,
    \[\frac{RB}{AR}\cdot\frac{P^{\prime}C}{BP^{\prime}}\cdot\frac{QA}{CQ}=1\tag{1}\]
    仮定により\[\frac{RB}{AR}\cdot\frac{PC}{BP}\cdot\frac{QA}{CQ}=1\tag{2}\]
    \((1)\)により\[\frac{RB}{AR}\cdot\frac{QA}{CQ}=\frac{BP^{\prime}}{P^{\prime}C}\]

    これを\((2)\)に代入すると
    \begin{align*}
    \frac{PC}{BP}\cdot\frac{BP^{\prime}}{P^{\prime}C}=1\Longleftrightarrow~&\frac{PC}{BP}=\frac{P^{\prime}C}{BP^{\prime}}\\
    \Longleftrightarrow~&BP:PC=BP^{\prime}:P^{\prime}C
    \end{align*}
    よって\(P=P^{\prime}\).ゆえに\(P,Q,R\)は一直線上に存在する.

    証明終

    • メネラウスの定理は一般的には高校で習いますが,学校によっては中学でも扱います。これを使うことで妙な(?)補助線を思いつく必要がなくなったりします。
    • 上のように中学幾何は論理(必要性・十分性)を学ぶ絶好の機会…と思うのだけど学習の際はそこはあまり強調されないようです。証明に至っては「証明は型にはめる作業だ」と教わることもあるそうな…
    • チェバの定理の逆も同じようにして証明できます。

    2次の不定方程式(つづき2)

    \begin{align*}
    &2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0 \land x,y\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \in \{0,1,2,\cdots\}[25y^2-50y+49=k^2]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \in \{0,1,2,\cdots\}[(5y-k-5)(5y+k-5)=-24]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \in \{0,1,2,\cdots\}\left[\begin{cases}5y-k-5=-2\\5y+k-5=12 \end{cases} \lor \begin{cases}5y-k-5=-4\\5y+k-5=6\end{cases}\right.\\
    &\lor \left. \begin{cases}5y-k-5=-6\\5y+k-5=4\end{cases} \lor \begin{cases}5y-k-5=-12\\5y+k-5=2\end{cases} \right]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \left[\begin{cases}5y-k-5=-2\\5y+k-5=12\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \lor \begin{cases}5y-k-5=-4\\5y+k-5=6 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases}\right.\\
    &\lor \left. \begin{cases}5y-k-5=-6\\5y+k-5=4 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \lor \begin{cases}5y-k-5=-12\\5y+k-5=2 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \right]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x,y\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \left[\begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \lor \begin{cases}y=\frac{6}{5}\\k=5 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases}\right.\\
    &\lor \left. \begin{cases}y=\frac{4}{5}\\k=5 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \lor \begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases} \right]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \left[\begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \lor \begin{cases}y=\frac{6}{5}\\k=5 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases}\right.\\
    &\lor \left. \begin{cases}y=\frac{4}{5}\\k=5 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \lor \begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \right]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x\in\mathbb{Z} \\
    &\land \exists k \left[\begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \lor \begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \right]\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x\in\mathbb{Z} \\
    &\land \left( \exists k \begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \lor \exists k\begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \right)\\
    \Longleftrightarrow~&\left( x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x\in\mathbb{Z} \land \exists k \begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases}\right)\\
    &\lor \left( x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4} \land x\in\mathbb{Z} \land \exists k\begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\y\in\mathbb{Z}\end{cases} \right)\\
    \Longleftrightarrow~&\exists k \begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4}\end{cases} \lor \exists k\begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4}\end{cases}\\
    \Longleftrightarrow~&\exists k \begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=\frac{-3\pm 7}{4}\end{cases} \lor \exists k\begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=\frac{3 \pm 7}{4}\end{cases}\\
    \Longleftrightarrow~&\exists k \begin{cases}y=2\\k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=1\end{cases} \lor \exists k\begin{cases}y=0\\k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\\x,y\in\mathbb{Z}\\x=-1\end{cases}\\
    \Longleftrightarrow~&\left(\begin{cases}(x,y)=(1,2)\\x,y\in \mathbb{Z}\end{cases} \land \exists k \begin{cases}k=7\\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases}\right) \\
    &\lor \left(\begin{cases} (x,y)=(-1,0)\\\\x,y\in \mathbb{Z}\end{cases} \land \exists k\begin{cases}k=7 \\ k\in \{0,1,2,\cdots\}\end{cases}\right)\\
    \Longleftrightarrow~&\begin{cases}(x,y)=(1,2)\\x,y\in \mathbb{Z}\end{cases} \lor \begin{cases} (x,y)=(-1,0)\\x,y\in \mathbb{Z}\end{cases}\\
    \Longleftrightarrow~&(x,y)=(1,2) \lor (x,y)=(-1,0)
    \end{align*}

    2次の不定方程式(つづき1)

    次の方程式を満たす整数\(x,y\)の値を求めよ.

    1. \(2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\)
    2. \(x^2-4xy+5y^2+2x-5y-1=0\)
  • 前回記事(上の問題)の1. \[2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\]を因数分解せずに解くとどうなるかを見てみます。前と同様,
    \begin{align*}
    &2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4}
    \end{align*}と変形し,ここから必要条件として\[25y^2-50y+49\geq 0\]が得られますが,しかしこれは何の旨味もないものです。なぜならこの式を満たす\(y\in \mathbb{Z}\)は無数にあり,\(y\)が絞れないからです。そこで必要条件として別のものをとり出してみます。

    別解

    \begin{align*}
    &2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&x=\frac{-3(y-1)\pm \sqrt{25y^2-50y+49}}{4}
    \end{align*}\(x\)は整数であるから\[25y^2-50y+49=k^2\quad(k=0,1,2,\cdots)\]と表せることが必要.ここで
    \begin{align*}
    &25y^2-50y+49=k^2\\
    \Longleftrightarrow~&25(y^2-2y+1-1)-k^2+49=0\\
    \Longleftrightarrow~&25(y-1)^2-k^2=-24\\
    \Longleftrightarrow~&(5(y-1)-k)(5(y-1)+k)=-24\\
    \Longleftrightarrow~&(5y-k-5)(5y+k-5)=-24(=-2^3\times 3)
    \end{align*}
    また,\((5y-k-5)+(5y+k-5)=2(5y-3)(=\text{偶数})\)であることから\(5y-k-5\)と\(5y+k-5\)の偶奇は一致すること,そして\(5y-k-5<5y+k-5\)であることから,\((5y-k-5,5y+k-5)\)の組み合わせは\[(-2^1,2^2\cdot 3),(-2^2,2^1\cdot 3),(-2^1\cdot 3,2^2),(-2^2\cdot 3,2^1)\]の\(4\)通りであることが分かる.これより\(y=2,\frac{6}{5},\frac{4}{5},0\)が得られ,\(y\)は整数だから\(y=0,2\)で\(x=-1,1\).したがって求める答えは\((x,y)=(-1,0),(1,2)\)である.

    別解終

    途中,必要条件なのに逆の考察をしていないのはやはり同値だからです。論理式で記述すると(つづく)

    2次の不定方程式

    次の方程式を満たす整数\(x,y\)の値を求めよ.

    1. \(2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\)
    2. \(x^2-4xy+5y^2+2x-5y-1=0\)
  • 1.
    整数問題の大まかなタイプとしては,

    因数分解,範囲を絞ってしらみつぶし,合同式の利用(余りで分類)

    というのは有名ですが,このうち一つ目の因数分解を狙うというのは自然な発想かと思います。

    (因数分解の方針その1)
    \begin{align*}
    &2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2x^2+3(y-1)x-2y^2+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2x^2+3(y-1)x-2(y^2-2y+1-1)-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2x^2+3(y-1)x-2(y-1)^2-3=0\\
    \Longleftrightarrow~&(2x-y+1)(x+2y-2)=3
    \end{align*}

    3行目の変形がちょっと苦しい…?^^;

    (因数分解の方針その2)
    \begin{align*}
    &2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2x^2+3(y-1)x-2y^2+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2\left(x^2+\frac{3(y-1)}{2}x+\frac{9(y-1)^2}{16}-\frac{9(y-1)^2}{16}\right)-2y^2+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&2\left(x+\frac{3(y-1)}{4}\right)^2-\frac{9(y-1)^2}{8}-2y^2+4y-5=0\\
    \Longleftrightarrow~&(4x+3(y-1))^2-9(y-1)^2-16y^2+32y-40=0\\
    \Longleftrightarrow~&(4x+3(y-1))^2-25y^2+50y-49=0\\
    \Longleftrightarrow~&(4x+3(y-1))^2-25(y^2-2y+1-1)-49=0\\
    \Longleftrightarrow~&(4x+3(y-1))^2-25(y-1)^2=24\\
    \Longleftrightarrow~&(4x-2y+2)(4x+8y-8)=24\\
    \Longleftrightarrow~&(2x-y+1)(x+2y-2)=3
    \end{align*}平方完成で強引に。

    (因数分解の方針その3)
    \(2x^2+3xy-2y^2=(2x-y)(x+2y)\)に着目し,\((2x-y+a)(x+2y+b)\)という式の展開式を考えます。すると\[(2x-y+a)(x+2y+b)=2x^2+3xy-2y^2+Ax+By+C\]という与式の形が現れますから,\(A=-3,B=4\)を解いて,\(a,b\)を求めます(これを\(a_0,b_0\)とします。これにより\(C=C_0\)も求まる):\[(2x-y+a_0)(x+2y+b_0)=2x^2+3xy-2y^2-3x+4y+C_0\]与式より\(2x^2+3xy-2y^2-3x+4y=5\)でしたから
    \begin{align*}
    &(2x-y+a_0)(x+2y+b_0)=2x^2+3xy-2y^2-3x+4y+C_0\\
    \Longleftrightarrow&~(2x-y+a_0)(x+2y+b_0)=5+C_0
    \end{align*}を得ます。以上を実際行うと,
    \[(2x-y+1)(x+2y-2)=2x^2+3xy-2y^2-3x+4y-2=5-2=3\]となります。

    …ともあれ因数分解できました。あとは右辺の因数の組み合わせが\((1,3),(-1,-3),(3,1),(-3,-1)\)のみであることから\((x,y)=(1,2),(-1,0)\)を得ます。

    2.
    これも因数分解…と思いきや,1.のようにうまく因数分解できない。お手上げか…?
    そこで姿勢を変えて論理で攻めてみます

    解答
    \begin{align*}
    &x^2-4xy+5y^2+2x-5y-1=0\\
    \Longleftrightarrow~&x^2-2(2y-1)x+5y^2-5y-1=0\\
    \Longleftrightarrow~&x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2}
    \end{align*}これが整数解をもつならば,\(-y^2+y+2\geq 0\)であることが必要
    \begin{align*}
    &-y^2+y+2\geq 0\\
    \Longleftrightarrow~&y^2-y-2\leq 0\\
    \Longleftrightarrow~&(y-2)(y+1)\leq 0\\
    \Longleftrightarrow~&-1 \leq y\leq 2
    \end{align*}

    \(y\)は整数であるから,\(y=-1,0,1,2\)
    \(y=-1\)のとき\(x=-3\),
    \(y=0\)のとき\(x=-1\pm \sqrt{2}\),
    \(y=1\)のとき\(x=1\pm \sqrt{2}\),
    \(y=2\)のとき\(x=3\),

    ゆえに\((x,y)=(-1,-3),(2,3)\)が求めるものである.

    解答終

    必要条件なのに逆の考察をしていないのは同値だからです。論理式で記述すると
    \begin{align*}
    &x,y\in \mathbb{Z},x^2-4xy+5y^2+2x-5y-1=0\\
    \Longleftrightarrow~&x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2}\\
    \Longleftrightarrow~& x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land -y^2+y+2\geq 0\\
    \Longleftrightarrow~& x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land -1\leq y \leq 2\\
    \Longleftrightarrow~& x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2}\\
    &\land (y=-1 \lor y=0 \lor y=1 \lor y=2)\\
    \Longleftrightarrow~& \left(x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land y=-1\right)\\
    \lor & \left(x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land y=0\right)\\
    \lor & \left(x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land y=1\right)\\
    \lor & \left(x,y\in \mathbb{Z} \land x=(2y-1)\pm\sqrt{-y^2+y+2} \land y=2\right)\\
    \Longleftrightarrow~& (x,y\in \mathbb{Z} \land x=-3 \land y=-1)\\
    \lor & (x,y\in \mathbb{Z} \land x=-1\pm \sqrt{2} \land y=0)\\
    \lor & (x,y\in \mathbb{Z} \land x=1\pm\sqrt{2} \land y=1)\\
    \lor & (x,y\in \mathbb{Z} \land x=3 \land y=2)\\
    \Longleftrightarrow~&(x,y\in \mathbb{Z} \land x=-3 \land y=-1)\lor (x,y\in \mathbb{Z} \land x=3 \land y=2)\\
    \Longleftrightarrow~&x,y\in \mathbb{Z} \land (( x=-3 \land y=-1)\lor (x=3 \land y=2))\\
    \Longleftrightarrow~&( x=-3 \land y=-1)\lor (x=3 \land y=2)
    \end{align*}ということをしています。ちなみに,\(1.,2.\)それぞれを図示すると\(1.\)は双曲線,\(2.\)は楕円になります。

     

    実験する

    次の\(2\)つの条件\(\mathrm{(i),(ii)}\)をみたす自然数\(n\)について考える.

    \(\mathrm{(i)}~\)\(n\)は素数ではない.
    \(\mathrm{(ii)}~\)\(l,m\)を\(1\)でも\(n\)でもない\(n\)の正の約数とすると,必ず\[|l-m|\leq 2\]である.このとき,次の問いに答えよ.

      1. \(n\)が偶数のとき,\(\mathrm{(i),(ii)}\)をみたす\(n\)をすべて求めよ.
      2. \(n\)が\(7\)の倍数のとき,\(\mathrm{(i),(ii)}\)をみたす\(n\)をすべて求めよ.
      3. \(2\leq n \leq 1000\)の範囲で,\(\mathrm{(i),(ii)}\)をみたす\(n\)をすべて求めよ.

    (大阪大)

    うーん/(^o^)\
    なんかよくわからないので,実験してみます。

    (考え方)

    \(\textbf{1.}\)
    偶数\(2,4,6,8,\cdots\)を順に調べてみます。

    するとどうやら,\(n\)が\(10\)以降だと適するものが現れないのでは?と予想できます。そこで,「\(n\geq 10\)ならば\(n\)は\(\mathrm{(i),(ii)}\)を満たさない」という命題の証明を試みます。実際,\(n=2k~(k\geq 5)\)とおくと,\(2\)と\(k\)は\(n(=2k)\)の\(1\)でも\(n\)でもない正の約数ですが,\[|k-2|=k-2\geq 5-2 =3\]となり\((\mathrm{ii})\)を満たしません。

    これで\(1.\)の答えは\(4,6,8\)のみであることが分かりました。

    \(\textbf{2.}\)
    これも\(1.\)と同様に考えてみます。ただし\(n\)が偶数の場合は\(1.\)ですでに調べているので,これを除いて調べていきます:

    すると\(n\)が\(63\)以降だと適するものが現れないのでは?と予想できます。そこで「\(n\geq 63\)ならば\(n\)は\(\mathrm{(i),(ii)}\)を満たさない」という命題の証明を試みると:

    \(n=7k~(k\geq 9)\)とおく.\(k=9\)とき,\(n=63\)より正の約数は\(1,3,7,9,21,63\)だから\((\mathrm{ii})\)を満たさない.\(k \geq 11\)のとき,\(7\)と\(k\)は\(n(=7k)\)の\(1\)でも\(n\)でもない正の約数だが,\[|k-2|=k-2\geq 11-2 =9\]となり\((\mathrm{ii})\)を満たさない.

    これで\(2.\)の答えは\(35\)と\(49\)のみであることが分かりました。

    \(\textbf{3}.\)
    上と同じように考えれば,\(n\)が\(3\)の倍数のとき,\(5\)の倍数のときも同じように\(\mathrm{(i),(ii)}\)を満たす\(n\)が簡単に見つかる気がします。もしそうであれば,結局\(2,3,5,7\)の倍数についてはすべて調べ上げたことになるので,調べるべき残りの\(n\)は(\(\mathrm{(i)}\)より\(n\)は素数でないことに注意すれば)\(11\)以上の素因数からなる合成数のみ調べればよいことが分かります(エラトステネスのふるい)。また,その合成数の因数の個数に着目すれば,因数の個数が\(1\)個のとき素数になるから\(\mathrm{(i)}\)を満たさず,因数の個数が\(3\)個以上のときは最小でも\(11^{3}=1331\)となり\(1000\)を超えてしまうことから,(素)因数の個数は\(2\)個であることが分かります。さらに,\(37 \times 37 =1369>1000\)より,\(37\)以降の素数については考える必要はありません。以上の考察から以下のように結論できます:

    \(n\)が\(3\)の倍数の場合
    \(2,7\)の倍数のときはすでに調べてあり,また\(5\)の倍数の場合はこのあと調べるのでこれらを除いて調べると

    求める\(n\)は\(9\)のみであることが分かる(証明は上と同様なので割愛).

    \(n\)が\(5\)の倍数の場合

    求める\(n\)は\(15\)と\(25\)のみであることが分かる(証明割愛).
    あとは素因数が\(11\)以上で\(31\)以下であり,かつその個数が\(2\)個である合成数のみを調べればよい.


    するとそれは(\(\mathrm{(ii)}\)に注意して)\[11^2,13^2,17^2,19^2,23^2,29^2,31^2,11\times13,17\times19,29\times 31\]すなわち\[121,169,289,361,529,841,961,143,323,899\]のみであることがわかる.以上により求める\(n\)は\[4,6,8,9,15,25,35,49,121,143,169,289,323,361,529,841,899,961\]となる.

    (考え方終わり)

    既知の解法にはまらないとき,あるいは既知の解法に帰着しないとき(=何をすればいいのか見通しが立たないとき),「とりあえず実験してみて,予想し,それを証明する」という姿勢はしばしば有効な気がします。(少なくとも泥臭く手を動かすだけで\(2.\)までは答えを導ける!)

    合同式の応用

    1. \(10^{10}\)を\(2020\)で割った余りを求めよ。
    2. \(100\)桁の正の整数で各位の数の和が\(2\)となるもののうち,\(2020\)で割り切れるものの個数を求めよ。
  • (一橋大)

    解答

    \(2020\)を法として考える.以下,\(\mod 2020\)を省略して記述する.
    \(10000\equiv10000+2020\cdot(-5)\equiv-100\)であるから
    \begin{align*}
    10^{10}\equiv&10^2\cdot(10^4)^2\\
    \equiv &10^2\cdot(-100)^2\\
    \equiv &10^2\cdot10000\\
    \equiv &10^2\cdot(-100)\\
    \equiv &-10000\\
    \equiv &-(-100)\\
    \equiv &100
    \end{align*}

    ゆえに\(10^{10}\equiv100\)(\(1.\)の答え

    \(100\)桁の正の整数で各位の数の和が\(2\)であるような数は
    \begin{align*}
    \mathrm{(i)}\quad &2\underbrace{0\cdots0}_{99\text{個}}=2\times10^{99}\\
    \mathrm{(ii)}\quad &1\underbrace{0\cdots01\overbrace{0\cdots0}^{k\text{個}}}_{99\text{個}}=10^{99}+10^k\quad(0\leq k \leq 98)
    \end{align*}のいずれかである.

    \(\mathrm{(i)}\)のとき
    \(1.\)により\(10^{10}\equiv10^2\)であることに注意して,
    \begin{align*}
    2\times10^{99}\equiv&2\cdot10^{9}\cdot(10^{10})^9\\
    \equiv&2\cdot10^{9}\cdot(10^{2})^9\\
    \equiv&2\cdot 10^{27}\\
    \equiv&2\cdot(10^{10})^2\cdot10^7\\
    \equiv&2\cdot(10^{2})^2\cdot10^7\\
    \equiv&2\cdot10^{11}\\
    \equiv&2\cdot10^{10}\cdot10\\
    \equiv&2\cdot10^{2}\cdot10\\
    \equiv&2000\\
    \end{align*}ゆえにこの数は\(2020\)で割り切れない.

    \(\mathrm{(ii)}\)のとき
    \(10^{99}+10^{k}\equiv 1000 + 10^{k}\)より(なぜならば\(\mathrm{(i)}\)の途中過程により\(10^{99}\equiv1000\)),\(1000+10^k\equiv 0(\Leftrightarrow 10^{k}\equiv -1000)\)を満たす\(k~(0\leq k \leq 98)\)の個数を調べればよい.\(k\)の値は高々\(99\)個なので,実際に調べてみると(やる気),

     

    \(1,10\)から始まり,\(100,1000,-100,-1000\)と繰り返すことがわかる.したがって,\(99=2+4\times 24+1\)により求める個数は\(24\)個とわかる.(\(2.\)の答え

    解答終

    必要条件を追う

    \(a_0,a_1,a_2\)を有理数とし,\(f(x)=a_0+a_1x+\frac{a_2}{2}x(x-1)\)とする.\(1\)つの整数\(n\)に対して,\(f(n),f(n+1),f(n+2)\)が整数ならば,\(a_0,a_1,a_2\)は整数であることを示せ.

    (中央大)

    示すべきは必要条件であること,つまり十分性(逆が言えるか?)を考える必要がないことに注意します。これは細かいことを考えず手元にある道具(仮定)を好き勝手にいじり倒して結論が言えればその時点で証明終わりということなので気楽です:\[f(n),f(n+1),f(n+2)\in\mathbb{Z}\overset{\text{ひつよう!}}{\Longrightarrow} a_0,a_1,a_2 \in\mathbb{Z}\]
    とりあえず,\(f(n)\)と\(f(n+1)\)の\(n\)と\(n+1\)は連番なので,差をとってみたらどうか?と思いつきます。(邪魔者がもろもろ消えそうだから)\begin{align*}
    &~f(n+1)-f(n)\in \mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~\left(a_0+a_1(n+1)+\frac{a_2}{2}(n+1)n\right)\\
    &~-\left(a_0+a_1n+\frac{a_2}{2}n(n-1)\right)\in \mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~a_1+a_2n \in \mathbb{Z}\tag{1}
    \end{align*}なんかうまくいきそうなので,\(f(n+2)-f(n+1)\)も同様に計算すると,\[f(n+2)-f(n+1)\in \mathbb{Z}\Longleftrightarrow a_1+a_2n+a_2 \in \mathbb{Z}\tag{2}\]が得られます。\((1)\)と\((2)\)において\(a_1+a_2n\)が共通していることに着目して\(a_2\)が整数であることがわかり,またこれと\((1)\)により芋づるで\(a_1\)が整数であることが言えます。残りは\(a_0\)ですが,これは\(f(n)=a_0+a_1+\frac{a_2}{2}n(n-1)\in\mathbb{Z}\)であること,すでに示したように\(a_1,a_2\in \mathbb{Z}\)であること,そして\(n(n-1)\)は連続数だから偶数したがって\(\frac{a_2}{2}n(n-1)\in\mathbb{Z}\)であることからいうことができます。(証明終)

    とりあえず必要性を追うという方針で証明してみましたが,こうしてみると次のように同値変形できることに気づきます:

    証明

    \begin{align*}
    &~f(n),f(n+1),f(n+2)\in \mathbb{Z}\\
    \overset{(\ast)}{\Longleftrightarrow}&~f(n+1)-f(n)\in\mathbb{Z} ,f(n+2)-f(n+1)\in\mathbb{Z},f(n)\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~a_1+a_2n \in \mathbb{Z},a_1+a_2n+a_2\in\mathbb{Z},a_0+a_1+\frac{a_2}{2}n(n-1)\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~a_1+a_2n \in \mathbb{Z},a_2\in\mathbb{Z},a_0+a_1+\frac{a_2}{2}n(n-1)\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~a_1\in \mathbb{Z},a_2\in\mathbb{Z},a_0+a_1+\frac{a_2}{2}n(n-1)\in\mathbb{Z}\\
    \Longleftrightarrow&~a_1\in \mathbb{Z},a_2\in\mathbb{Z},a_0\in\mathbb{Z}
    \end{align*}
    証明終

    \((\ast)\)において,\begin{align*}
    &~f(n),f(n+1),f(n+2)\in \mathbb{Z}\\
    \Longrightarrow&~f(n+1)-f(n)\in\mathbb{Z} ,f(n+2)-f(n+1)\in\mathbb{Z}
    \end{align*}ですが,\(f(n)\in\mathbb{Z}\)を加えることで\(\Leftarrow\)も言え,上のように同値になるというカンジです。

    三角形の成立条件

    \begin{align*}
    &|b-c| < a < b+c\\
    \Longleftrightarrow~& |b-c| < a \land a < b+c\\ \Longleftrightarrow~& -a < b-c < a \land a < b+c\\ \Longleftrightarrow~& -a < b-c \land b-c < a \land a < b+c\\ \Longleftrightarrow~& c < a+b \land b < a+c \land a < b+c \end{align*} なのでどっち使ってもOKです。

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