最終更新日: 2001年3月23日(金曜日)
ここで考える問題は「an=xa+ya n,x,yは自然数 x,yは互いに素」の解を求めるというものです。
xが奇数⇔xaが奇数 xが偶数⇔xaが偶数 で、a≡0(mod 4)より
an≡0(mod 2) なので、(x,y)は(奇,奇)か(偶,偶)。
(x,y)が(偶,偶)だと互いに素という条件に反するので、(x,y)は(奇,奇)。
よって、x,y≡1or3(mod 4)よって、x2,y2≡1(mod 4)
a=4m とすると、xa=x4m=(x2)2m≡12m≡1(mod 4)
ya も同じなので、xa+ya≡1+1≡2(mod 4)
しかし、 an≡0(mod 4)となってしまうので、これに解はない。
a≡2 a2≡0 a3≡0 (mod 4) ・・・となり、n≧2のときan≡0(mod 4)
上と同じように(x,y)=(奇,奇)で、a=4m+2 とすると、
xa=x(4m+2)=(x2)(2m+1)≡1(2m+1)≡1(mod 4) となり、
xa+ya≡1+1≡2(mod 4) となるので、n=1
xa+yaが最小になるのはx=y=1のとき a=1a+1a=2となり、
a=2のときは(n,x,y)=(1,1,1)という解が一つだけある。
xa+yaがこの次に小さくなるのは(x,y)=(1,3)のとき。
a<(1a)+(3a)=(3a)+1 a≧1 ・・・・※
なので、a>2 のとき、これに解はない。
(※の証明は略させてもらいます。)
3n=(x3)+(y3)=(x+y){(x2)−xy+(y2)}
x+y=3m (x2)−xy+(y2)=3k とする。
x2+2xy+y2=32m
−)x2−xy +y2=3k
3xy =3k{3(2m−k)−1}
x+y≡0(mod 3)なので、{x≡0,y≡0}か{x≡1,y≡2}か{x≡2,y≡1}
一番はじめのものは、互いに素という条件に反するので違う。
xy≡1×2≡2(mod 3) よって、3xyは因数に3を1つだけもつ。
3k{3(2m−k)−1}は因数に3をk個もつ。よって、k=1
(x−y)2=(x2)−2xy+(y2)<(x2)−xy+(y2)=3
(x−y)2=0か1か4か9か・・・・となっていて、x=y だと、互いに素という条件に
より、x=y=1となってしまい3n=13+13=2となってしまうので、x≠y
また、(x−y)2<3より、(x−y)2=1
x2− xy+y2=3
−)x2−2xy+y2=1
xy =2
よって、(x=1,y=2)か(x=2,y=1) 3n=13+23=23+13=9
より、n=2 この場合の解は、(n,x,y)=(2,1,2),(2,2,1)
an=xa+ya=(x+y){x(a−1)−x(a−2)y+・・−xy(a−2)+y(a−1)}
↓ ↓
am ak とする。
(x+y)(a−1)
=a−1C0x(a−1)+a−1C1x(a−2)y+・・・+a−1Ca−1y(a−1)=a(a−1)m
−) x(a−1)− x(a−2)y+・・・・+ y(a−1)=ak
(a−1C0−1)x(a−1)+(a−1C1+1)x(a−2)y+・・・(a−1Ca−1−1)y(a−1)
=a{(a−1)m−k} ・・・・・☆
p−1Cm≡(−1)^m(mod p) (pは素数)を証明する。
p−1Cm=(p−1)×(p−2)×・・・×(p−m)/m! なので
p−1Cm×m!=(p−1)×(p−2)×・・・×(p−m)≡(−1)^m ×m!(mod p)
ac≡bc(mod m)で、cとmが互いに素⇒a≡b(mod m)
(ac≡bcならばac−bc=(a−b)cはmの倍数。cとmは互いに素なのでa−bは
mの倍数。よってa≡b)で、また、m!とpは互いに素なので、
この式がなりたつならば、p−1Cm≡(−1)^m(mod p)となる。
よって、p−1Cm≡(−1)^m(mod p) (pは素数)。
☆の左辺の第b項の係数はa−1Cb−1+(−1)^b≡1−1≡0(mod a)
よって、☆の左辺はaを因数に1個以上もつ。
☆の左辺をaで割ったときの係数をc1,c2,c3,・・・,caとする。
x+y≡0(mod a)なので y≡−x(mod a)となり、☆の左辺をaで割ると
c1x^(a−1)+c2x^(a−2)y+・・・+ca−1xy^(a−2)+cay^(a−1)
≡c1x^(a−1)−c2x^(a−1)+・・・−ca−1x^(a−1)+cax^(a−1)
フェルマーの小定理より、x^(a−1)≡1(mod a)なので、
≡c1−c2+c3−・・・+ca−2−ca−1+ca
=(c1+c3+・・・+ca)−(c2+c4+・・・+ca−1)
a−1C0+a−1C2+・・・+a−1Ca−1=d ・・・左辺の項の数は (a+1)/2 個
a−1C1+a−1C3+・・・+a−1Ca−2=e ・・・左辺の項の数は (a−1)/2 個
これはd=eである(理由は省略)。
a(c1+c3+・・・+ca)=(a−1C0−1)+(a−1C2−1)+・・・+(a−1Ca−1−1)
=d− (a+1)/2
a(c2+c4+・・・+ca−1)=(a−1C1+1)+(a−1C3+1)+・・・+(a−1Ca−2+1)
=e+ (a−1)/2=d+ (a−1)/2
よって、 a(c1+c3+・・・+ca)−a(c2+c4+・・・+ca−1)
=a{(c1+c3+・・・+ca)−(c2+c4+・・・+ca−1)}
={d− (a+1)/2}−{d+ (a−1)/2}=−a
よって、(c1+c3+・・・+ca)−(c2+c4+・・・+ca−1)=−1? 0(mod a)
よって、☆の左辺はaを因数に1個だけもつ。
また、そうすると、a^{(a−1)m−k}=a^k×[a^{(a−1)m−k}−1]も1つだけaを
因数に持つことになるので、 a^k=a
x^(a−2) × (x−y)+x^(a−4)y^2 × (x−y)+・・・+x^1y^(a−3)×(x−y)+y^(a−1) ・・・(yの方が大きいときはxとyを交換する。)★
x=y=1ではないので x−y≧1 x≧2 なので
この式は2^(a−2)より大きい aが4より大きい⇒2^(a−2)>a なので
★ >a よってこのようなx,yは存在しない。
よってこの場合に解はない。
(p^m)^n=x^(p^m)+y^(p^m)
p^mn=[x^{p^(m−1)}]^p+[y^{p^(m−1)}]^p
n'=mn x'=x^{p^(m−1)} y'=y^{p^(m−1)} とすると、
p^n'=x'^p+y'^p の解を求めるものになる。これはp≠3ならばこれに解はない。
p=3だと (x',y')=(2,1),(1,2)なので x'かy'=2^1となる。
よって、3^(m−1)=1 m=1となり不適。よってこの場合も解はない。
これ以外の場合はまだ解決できていません。わかった人は連絡してください。