東工大数学'22年前期[2]

3つの正の整数a,b,cの最大公約数が1であるとき、次の問いに答えよ。
(1) ,,の最大公約数が1であることを示せ。
(2) ,,の最大公約数となるような正の整数をすべて求めよ。


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解答 (1)は、「最大公約数が1」と考えると難しいので、否定を考え、「最大公約数が1でない」、つまり、「2以上の最大公約数をもつ」と仮定すると誤りになることを導き、背理法で証明します。(2)は難問です。ここでは調べる対象を限定した上でシラミ潰しでやってみます。

(1) ,,が2以上の公約数mを持つと仮定します。d,e,fを自然数として、
,,
とおけます。a,b,cは3次方程式:

 ・・・�@
の解です。
は�@の解なので、
よって、
つまり、
aはmの倍数です。
は�@の解なので、
よって、
つまり、
bはmの倍数です。
は�@の解なので、
よって、
つまり、
cはmの倍数です。
よって、
a,b,cは2以上の公約数mを持つことになり、最大公約数が1という条件と矛盾します。よって、,,が2以上の公約数mを持つとした仮定は誤りです。即ち、,,の最大公約数は1です。

(2) ,,,,とおくと、(1)より、k,l,mの最大公約数は1です。
因数分解の公式:より、
ここで、k,n,dが公約数jを持つとすると、p,q,rを自然数として、
,, ・・・�A
とおけます。
 ∴  ・・・�B
 ・・・�C
∴
 ・・・�D
jが5よりも大きい素数(つまり、k,n,dが5以上の素数jを公約数に持つ)だとすると、jは2,3と互いに素なので、�A,�B,�Dより、k,l,mはjの倍数となり(1)に反します。よって、k,n,dは5以上の素数を公約数に持ちません。

のとき、�A,�B,�Dより、,, ・・・�E
これより、
lは3の倍数です。rがsを自然数として、とおけるとき、�Eより、
となりmも3の倍数です。このとき、k,l,mは3の倍数となり(1)に反します。
よってです。このとき、�Aより、は
3の倍数ですが、9の倍数ではありません。つまり、k,n,dの最大公約数が9になることはありません。
ここで、とおける
(剰余類を参照)とき、�Eより、
より、は3で割ると1余る数です。
例えば、のとき、となり
mは3で割ると1余りますが、このとき、,,は、最大公約数3です。
,のとき、となり
mは3で割ると1余りますが、このとき、,,の最大公約数は6です。
注.が3で割って1余る数になるのは、a,b,cをそれぞれ3で割った余りの組み合わせが、,となる場合です。
また、とおけるとき、�Eより、
は3で割ると2余る数ですが、a,b,cがいずれも3で割って2余る数のとき、は3で割ると2余ります。このとき、は3の倍数です。例えば、のとき、,,の最大公約数は6です。
注.が3で割って2余る数になるのは、a,b,cをそれぞれ3で割った余りの組み合わせが、,となる場合です。

のとき、�A,�B,�Dより、,, ・・・�F
これより、
k,mは偶数ですが、仮にqが偶数だとするとlも偶数で、k,l,mが公約数2をもつことになり(1)に反します。よってqは奇数ですが、このとき、�Aで、は偶数ですが4の倍数にはなりません。つまり、k,n,dの最大公約数が4になることはありません。
,が偶数で、が奇数となるのは、
a,b,cのいずれか1個だけが偶数、他が奇数の場合です。例えば、,,の場合、,,の最大公約数は2です。

以上より、,,は、
5以上の素数を公約数に持つことはなく、2,3を公約数に持つことはあっても、,を公約数に持つことはなく、最大公約数となる可能性のある正の整数は、1,2,3,6に限られます。公約数が5以上の素数になることはないので、a,b,cの1つが5(が5の倍数),例えば、,としてみると、,,の最大公約数は1になります(他にも、,のとき、,,のとき、など)。
,,の最大公約数となるような正の整数は、
1 (例えば,のとき),2 (例えば,,のとき),3 (例えばのとき),6 (例えばのとき) ......[答]
注.問題の要求は、最大公約数となる正の整数を求めることで、最大公約数が1,2,3,6以外にはならないことを示し、最大公約数が1,2,3,6になる例を各々1つ挙げればよく、どういう場合に最大公約数が1,2,3,6になるか、ということではないので注意してください。



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