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一橋大学 2022年度 前期文系数学 第1問

2a3b+2c3d=2022 を満たす 0 以上の整数 a,b,c,d の組を求めよ。

難易度5/ 10計算量4/ 10目安20

整数 素因数分解、場合分け、剰余分類、計算整理

方針

右辺を 2022=23337 と素因数分解する。まず偶奇と3を法とする考察から a,b,c,d1 を示す。二項の対称性により ac として2で割ると a=1 が決まり,さらに3を法として b,d のどちらが1かを分ける。残る 3 のべきは有限個なので,全候補を検証する。

解答

右辺を素因数分解すると2022=23337である。

もし a=0 なら,偶奇から c=0 である。すると 3b+3d=2022 となり,3で割れば3b1+3d1=674を得る。両指数が正なら左辺が3の倍数となり,どちらかが0なら他方の項が673となるので,いずれも不可能である。よって a,c1 である。

同様に b=0 なら,3を法として d=0 である。このとき 2a+2c=2022 だが,偶奇と対称性から a=1,c2 とすると 2c1=1010 となり不可能である。したがってa,b,c,d1(1)である。

二項は交換できるから ac としてよい。1 を使って元の式を2で割ると2a13b+2c13d=1011である。右辺は奇数だから,a1=0,すなわちa=1でなければならず,c2 である。よって3b+2c13d=1011.(2)2 を3で割ると3b1+2c13d1=337.(3)ここで 3371(mod3) である。

b=d=1 なら 3 の左辺は 2(mod3) となるので不可能である。b=1,d2 なら2c13d1=336=2437となり,右辺に素因数7が現れるので不可能である。したがってd=1,b2であり,33b1+2c1=337(4)となる。

3b1<337<36 なので 1b15 である。各候補についてb1123453373b133432831025694となり,2のべきは 256=28 だけである。ゆえにb=5,c=9,d=1.二項を交換した場合も戻すと,求める組は(a,b,c,d)=(1,5,9,1), (9,1,1,5)である。

別解

解法2(2進・3進の指数を交差させる)

方針

各項を X=2a3b,Y=2c3d と見る。まず全指数が正であることを確認して6で割る。和が奇数かつ 1(mod3) であるため,2の最小指数と3の最小指数が同じ項に来る場合は一方が1となり,残り336に素因数7が出て破綻する。したがって最小指数は二項に交差して現れ,3m+2n=337 に帰着する。

解答

偶奇と3を法とする考察により,指数0を含む場合は 3b+3d=2022 または 2a+2c=2022 に帰着し,いずれも成立しない。よって a,b,c,d1 であり,元の式を6で割ると2a13b1+2c13d1=337(1)を得る。

1 の右辺は奇数なので,左辺の二項のうちちょうど一方が奇数である。また 3371(mod3) なので,二項のうちちょうど一方だけが3で割り切れない。

もし同じ項が「奇数」かつ「3で割り切れない」なら,その項は1,他方は 336=2437 となって 2m3n の形ではない。よって,2の指数が0になる項と3の指数が0になる項は異なる。

二項の交換によりa1=d1=0,b1>0,c1>0,3b1+2c1=337としてよい。

1b15 を順に代入すると,3373b1 が2のべきになるのは33734=256=28だけである。したがって,二項の交換も含めて(a,b,c,d)=(1,5,9,1), (9,1,1,5)である。

総評

公式問題・公式出題意図・参照解答を照合済み。公式意図は,剰余の性質で条件を絞り,対称性を使いつつ全可能性を検証することにある。最初から a,b,c,d>0 としてはいけず,指数0の場合を排除する論証が必要である。6で割った後は,2の最小指数と3の最小指数が別の項に現れると見抜けば 3m+2n=337 へ短く帰着できる。最後に二項交換によるもう一組を忘れない。想定時間は20分程度。

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出典: 一橋大学 2022年度 一般選抜(前期日程)数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。