早大理工数学'08年[2]

自然数m,nに対してを
   
で定める。以下の問に答えよ。
(1) をみたすm,nを1組求めよ。
(2) a,b,c,dは整数で、等式をみたすとする。不等式,が成り立つならば、,となることを示せ。
(3) 任意の自然数kに対し、をみたすm,nがただ1組だけ存在することを示せ。


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解答 私は意地の悪い人間なので、私なら、(1)は、にしますが、難問というわけでもなく、それでいて、実験をさせながらメカニズムを発見させ、論理的構想力も見ようという問題で、私は、良問だと思います。なお、整数を参照してください。

(1)
ここで、平方数:が200から大きく異なると、が大きく、つまり、m,nの差が大きくなり、m,nのどちらかが大きな自然数になってしまい、平方数:がさらに大きな値になってしまって、等式を満たしにくくなる、ということに、まず、気づかないといけません。
このことに気づけず、機械的に小さい方、
m=n=1から代入していくのであれば、時間的に大きくロスをすることになります。
従って、が
200に近いものから、候補を順次代入していくべきです。m=n=1からではない、というところがこの問題のよく工夫されている点です。200に一番近い平方数は、です。そこで、
,
つまり、
,
とすると、
となり、条件を満たすので、, ......[答]

(2)  ・・・�@
より、
問題文に与えられている条件:
 ・・・�A
 ・・・�B
�A−�Bより、 (不等式の証明を参照)
∴
�Aより、,つまり、です。また、�Bより、です。従って、 ()で各辺を割ると、
は整数なので、
�@より、

(3) まず、任意の自然数kに対し、,つまり、
として、
,
となる整数が見つかったとします。
この
2式を連立してm,nについて解くと、
,
,は連続2整数の積なので偶数であって、,は整数です。従って、m,nは整数です。ここで、,であるためには、
,
でなければなりません。2番目の方の不等式は、k,が整数であることから、
と同値で、結局、
 ・・・�C
が満たされればよいことになります。従って、m,nが少なくとも1組存在することを言うためには、�Cを満たすが存在することを言えばよいことになります。
�Cの左の不等号から、
∴  ・・・�D
�Cの右の不等号から、
∴ , ・・・�E
�D
かつ �Eより、を自然数とすれば、
 ・・・�F
この区間の幅は1なので�Fをみたす自然数は必ず存在します。
結局、証明のストーリーは以下のようになります。

任意の自然数
kに対して、より、
 ・・・�F
を満たす自然数が必ず存在します。
�Fの左の不等号より、
両辺を2乗して、
∴
�Fの右の不等号より、
2乗して整理すると、
従って、任意の自然数kに対して、
を満たす自然数が必ず存在します。このとき、
,
とおけば、
,
を満たします。

次に、任意の自然数
kに対し、2組の自然数m,nと,を持ってきたときに、
つまり、
とします。
,,,とおくと、�@を満たします。

m,nは自然数なので、


∴
全く同様にして、
よって、�A,�Bも満たされるので、(2)より、,
つまり、


∴ ,
よって、任意の自然数kに対し、をみたすm,nがただ1組だけ存在します。


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