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一橋大学 2022年度
文系数学 第1問

問題

を満たす 以上の整数 の組を求めよ。

出典:一橋大学 2022年度 前期 文系 第1問

方針

解法1(最小の指数を先に決める)

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

解法2(2進・3進の指数を交差させる)

各項を 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 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, に帰着する。

解答

解法1(最小の指数を先に決める)

右辺を素因数分解すると

である。

もし なら,偶奇から である。すると となり,3で割れば

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 である。

同様に なら,3を法として である。このとき だが,偶奇と対称性から とすると となり不可能である。したがって

である。

二項は交換できるから としてよい。 を使って元の式を2で割ると

である。右辺は奇数だから,,すなわち

でなければならず, である。よって

を3で割ると

ここで である。

なら の左辺は となるので不可能である。 なら

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

であり,

となる。

なので である。各候補について

となり,2のべきは だけである。ゆえに

二項を交換した場合も戻すと,求める組は

である。

解法2(2進・3進の指数を交差させる)

偶奇と3を法とする考察により,指数0を含む場合は または に帰着し,いずれも成立しない。よって であり,元の式を6で割ると

を得る。

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 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 となって 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

としてよい。

を順に代入すると, が2のべきになるのは

だけである。したがって,二項の交換も含めて

である。