・平方数を作る2                           GAI 氏

 nを自然数とするとき、「2^(2*n) + 2^(2*n+3) + 2^p」が平方数となる自然数pがただ一つ
存在するという。そのpの値は何か?


(コメント) 2^(2*n)+2^(2*n+3)+2^p

 =(2^n)^2+2・2^n・2^(n+2)+2^(2n+4)-2^(2n+4)+2^p

 =(2^n+2^(n+2))^2-2^(2n+4)+2^p

 よって、題意を満たすためには、 2^p=2^(2n+4) すなわち、 p=2n+4

 以上から、自然数nに対して、p=2n+4 と定めれば、与式は必ず平方数となる。


 らすかるさんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 (n,p)=(1,6)、(2,8)、(3,10)、(4,12)、… で成り立ちますので、pは一つに決まらず、問題が正

しくないと思います...と思いましたが、ひょっとして、一行目は、「自然数nに対して」という

意味で、答えが、p=2n+4 ということでしょうか。


 うんざりはちべえさんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 らすかるさんと同じですが、2^(2n)+2^(2n+3)+2^p=a^2 とおくと、2^(2n)+8*2^(2n)+2^p=a^2

より、 9*2^(2n)+2^p=a^2 から、2^p=a^2-9*2^(2n)=(a+3*2^n)(a-3*2^n)

 左辺は正だから、a-3*2^n>0 で、2^p=(a+3*2^n)(a-3*2^n) より、b+3、b-3 が 2^c、2^d

になるのは、b+3=2^c より、b=2^c-3 、b-3=2^d より、b=2^d+3

WolfRamAlpha によると、整数解は、b=5、c=3、d=1 の1組しかない。

よって、a=5*2^n だとして、a-3*2^n=2*2^n  また、a+3*2^n=8*2^n

したがって、2^p=(a+3*2^n)(a-3*2^n)=16*(2^n)* (2^n)=16*2^(2n)=2^4*2^(2n)=2^(2n+4)

ゆえに、p=2n+4

#多分、「素因数分解の一意性」という趣旨からして、解法は間違っていると思います。


 DD++ さんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 2^(2*n) + 2^(2*n+3) を 9*2^(2*n) と書いていないのが不自然なので、問題を誤記している
のでしょう。

 2^(2*n) + 2^(n+3) + 2^p が正しい式で、答えは p=4 とかですかね。


 らすかるさんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 2^(2*n) + 2^(n+3) + 2^p の場合は、pが任意のnに対する定数ならば、p=4 しかないです
が、「任意のn」をなくして、「nに依存してよい」ならば、nが奇数限定で、p=(3n+5)/2 という解
もありますね。


 壊れた扉さんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 2^p=(a+3*2^n)(a-3*2^n) より、b+3、b-3 が 2^c、2^d になるのは、b+3=2^c より、
b=2^c-3 、b-3=2^d より、b=2^d+3
WolfRamAlpha によると、整数解は、b=5、c=3、d=1 の1組しかない。


 これは手計算でもいけますね。

 b+3=2^c より、b=2^c-3、b-3=2^d より、b=2^d+3 なので、2^c-3=2^d+3 から、

2^c-2^d=6 すなわち、2^(c-1)-2^(d-1)=3

右辺が奇数なので、左辺も正の奇数で、d-1=0、c-1=2 の場合しかない。

すなわち、c=3、d=1 から、b=2^3-3=5

よって、整数解は、b=5、c=3、d=1 の1組しかない。

また、2^p=(a+3*2^n)(a-3*2^n) から、左辺が偶数(p≠0とする)より、右辺も偶数で、

aは偶数より、a=2m(mは整数) と置くと、2^p=(2m+3*2^n)(2m-3*2^n)

すなわち、2^(p-1)=(m+3*2^(n-1))(m-3*2^(n-1))

これを繰り返す事になるので、初めに、a=b*2^n(n乗じゃないと右辺は奇数になってしまう)と

置くと、2^p=(b*2^n+3*2^n)(b*2^n-3*2^n) すなわち、2^(p-2n)=(b+3)(b-3)

よって、b+3=2^c、b-3=2^d と置くのですね。(p-2n>0)


 GAI さんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 題意より、2^(2*n)+2^(2*n+3)+2^p=m^2 (m:整数) とおくと、

2^p=m^2-2^(2*n)*(1+2^3)=m^2-(2^n*3)^2=(m-3*2^n)*(m+3*2^n)

ここに、素因数分解の一意性から、

 m-3*2^n=2^s・・・・・① 、m+3*2^n=2^t・・・・・②

を満たす自然数 s、t (s<t) が存在する。ただし、s+t=p・・・・・③

②-①より、3*2^(n+1)=2^t-2^s=2^s*(2^(t-s)-1)

ここに、2^s は偶数より、2^(t-s)-1=3 でなければならない。

よって、2^(t-s)=2^2 から、t-s=2 このとき、s=n+1 で、t=s+2=n+3

③からp=2*n+4

...なるものを準備していました。問題文の表現をどの様に表せばいいかの難しさを身に
染みて感じます。


 うんざりはちべえさんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 壊れた扉さん、なるほどです。手計算でできますね。

 GAI さん、なるほど。最初はその方向で・・・・でも、むつかしそうで、諦めました。


 DD++ さんからのコメントです。(令和5年11月27日付け)

 らすかるさん、n 依存の話をするなら、n が奇数限定で p = 3n-5 もありますし、n = 7 で、
p = 15 のような、かなり特殊な解もあります。まあ、なんにせよ誤記ではなかったようですけ
れども。

 GAI さん、「9*4^n」 という簡素な表記にせず、わざわざ 「2^(2*n)+2^(2*n+3)」 という表記に
した理由はなんだったのでしょう?



  以下、工事中!



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