方針
が1でない3乗根であること,すなわちかつを使う。(3)は,とおき,和と積が整数であることからの漸化式を作る。
解答
(1) であるから,,である。したがってである。また,であるからである。
(2)
を3で割った余りで場合分けする。が3の倍数のとき,,であるからである。
が3で割って1余るとき,,であるから,和はである。
が3で割って2余るとき,,であるから,和はである。
よってである。
(3)
,とおく。するとであり,である。
とおく。はともに方程式を満たすから,についてである。また,である。したがって漸化式から,数学的帰納法によりすべての正の整数については整数である。
ゆえには整数である。
別解
別解(二項展開で(2)を利用する)
方針
(1) (2) は , だけで指数を整理する。(3) は2つの式を二項展開して同じ次数の項をまとめ,係数に現れる が (2) により整数であることを使う。
解答
(1) 与えられた を代入するとしたがって(2) を3で割った余りが0なら である。余りが1または2なら, と は順序を除いて である。よってである。
(3) 二項定理により辺々を加えると(2) と同じ考察は にも成り立ち,括弧内は または である。また と は整数である。したがって右辺の各項は整数であり,その有限和も整数である。ゆえに,すべての正の整数 については整数である。
総評
難度4,計算量4。想定時間は12分程度。優先度は「必ず完答したい」。 と を使う前半は確実な得点源である。差がつくのは (3) で,共役な2数の和を展開せず,和と積から整数係数の漸化式を作れるかどうかである。採点上は初期値,漸化式,数学的帰納法の結論を明記したい。時間が不足しても (1)(2) は取り切る。