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120 令和6年度前期  東京医科歯科大学   理系 ・・・  整数(数学A)  やや難

東京医科歯科大学 前期理系(2024)

第1問 nを2以上の自然数とする。自然数の組(a1,a2,・・・,a)を解とする方程式

 (*)  a1+a2+・・・+a=a12・・・a

を考えるとき、以下の各問いに答えよ。

(1) n=3のとき、(*)の解(a1,a2,a3)のうち、a1≦a2≦a3 を満たすものをすべて求めよ。
(2) n≧3のとき、(*)の任意の解(a1,a2,・・・,a)において、a=1となる i が少なくとも
 1つ存在することを示せ。
(3) (*)のある解(a1,a2,・・・,a)において、a=1となる i がちょうど2個存在していると
 する。このとき、nの取り得る値をすべて求めよ。

(解)(1) 条件より、 3a3≧a1+a2+a3=a123 より、 3≧a12

 このとき、 (a1,a2)=(1,1)、(1,2)、(1,3)

(a1,a2)=(1,1) のとき、 2+a3=a3 は、不適

(a1,a2)=(1,2) のとき、 3+a3=2a3 より、 a3=3

(a1,a2)=(1,3) のとき、 4+a3=3a3 より、 a3=2 これは、a2≦a3 に矛盾

以上から、 (a1,a2,a3)=(1,2,3)

(2) a1≦a2≦・・・≦an としても一般性を失わない。

 すべての i について、a≧2 と仮定すると、 na≧a1+a2+・・・+a=a12・・・a

から、 n≧a12・・・an-1≧2n-1

 しかるに、n≧3 のとき、 2n-1>n なので、これは矛盾。

 したがって、 a=1となる i は少なくとも1つ存在する。

(3) a1≦a2≦・・・≦an としても一般性を失わない。

 明らかに、n=2のときは起こらない。

 (1)より、n=3のときも、条件に不適なので、n≧4 である。

条件より、a1=a2=1 で、2≦a3≦・・・≦an、2+a3+・・・+a=a3・・・a が成り立つ。

 n=4 のとき、 2+a3+a4=a34 より、 (a3−1)(a4−1)=3 なので、

  a3−1=1 、a4−1=3 すなわち、 a3=2 、a4=4

 よって、n=4 は適である。

 n=5 のとき、 2+a3+a4+a5=a345 より、a3=a4=a5=2 という解を持つので、

 n=5 は適である。

 n≧6 のとき、2+a3+a4+・・・+a=a34・・・a で、2≦a3≦・・・≦an と仮定すると、

   a34・・・a=2+a3+a4+・・・+a≦(n−1)a

すなわち、 a34・・・an-1≦n−1 より、 2n-3≦n−1

しかるに、n≧6 のとき、 2n-3>n−1 なので、これは矛盾である。

 よって、n≧6 のとき、条件を満たす(*)の解は存在しない。

 以上から、条件を満たす n の取り得る値は、 n=4、5 である。  (終)



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