以下のような問題を考えよう.
正の整数$n$に対して,$a_n=6n+1$ とおく.このとき,
$(1)$ $a_n,a_{n+1},a_{n+2},a_{n+3},a_{n+4}$が全て$3$で割って$2$余る素因数を持たないような正の整数$n$は存在しないことを示せ.
$(2)$ $a_n,a_{n+1},a_{n+2},a_{n+3}$が全て$3$で割って$2$余る素因数を持たないような正の整数$n$は無数に存在するか.
考えたい人はどうぞ.
以下解答
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(1)
$a_n,a_{n+1},a_{n+2},a_{n+3},a_{n+4}$を$5$で割ったあまりは互いに相異なるのでこの中のちょうど$1$つが$5$で割り切れる.また$5$は$3$で割って$2$余る素数であるので題意は示された.
(2)
無数に存在する.$0$以上の整数$k$に対して
$n_k=
\frac{
((2989+829\sqrt{13})(649+180\sqrt{13})^k
+(2989-829\sqrt{13})(649-180\sqrt{13})^k)^2-4
}{96}
$
とすれば条件をみたすことを示す.
このとき$n_k=\frac{x(x+1)}{6}$とおけば
$x=\frac{(2989+829\sqrt{13})(649+180\sqrt{13})^k
+(2989-829\sqrt{13})(649-180\sqrt{13})^k-2}{4}$
となるが,$$(2989+829\sqrt{13})(649+180\sqrt{13})^k=X_k+\sqrt{13}Y_k$$とすると$2989^2-13×829^2=-12,649^2-13×180^2=1$から
$X^2_k-13Y^2_k=-12$となる.この$X_k$を用いると$x=\frac{X_k-1}{2}$となるが,$X_k$について成り立つ漸化式$$X_{k+1}=649X_k+2340Y_k$$を用いると$X_k$は常に$6$で割って$1$あまることが確認できるのでこのように定義される$x,n_k$は正の整数であることが確認できる.また$X_k$は$5$の倍数でないことも確認できる.このとき
$$f(n_k)=x^2+x+1$$ $$f(n_k+1)=x^2+x+7$$ $$f(n_k+2)=x^2+x+13=13(y^2+y+1)$$ $$f(n_k+3)=x^2+x+19$$
である(ただし$y=\frac{Y_k-1}{2}$であり,これが整数であることは$x$が整数であることと同様に確認できる.)
まず有名事実から整数$n$に対して$n^2+n+1$は$3$で割って$2$あまる素因数をもたないので $f(n_k),f(n_k+2)$は条件をみたす.また$4f(n_k+1)=(2x+1)^2+27$より$f(n_k+1)$を割り切る任意の素数$p$に対して$-27$が$\mod p$において平方剰余となるが,もし$p\equiv 2\pmod 3$ならばこれは平方剰余の相互法則に矛盾.よって$f(n_k+1)$も条件をみたす.同様に$4f(n_k+3)=(2x+1)^2+75$から$f(n_k+3)$を割り切る素数$p$であって$3$で割って$2$あまるものの存在を仮定すると$-75$が$\mod p$において平方剰余であるので$p=5$となるほかない.しかし$X_k$が$5$で割り切れないことから適当な計算によりこれも$5$で割り切れないことが確かめられるので矛盾.以上よりこのように定められた$n_k$が常に条件をみたすことが示されたので条件をみたす$n$は無数に存在する.
かなり主張が面白く,かつ難易度の高い構成ゲーが作れて嬉しいです.(それ以上にこの主張を自分で思いついて自ら証明できた事実が嬉しい(勝手にめちゃくちゃ未解決問題っぽい見た目だなあと思っていたので))
この記事を面白いと思っていただければ幸いです.
最後まで読んでいただきありがとうございました.