(1)
N が 3 の倍数なら考えることはありません。それ以外の場合,どうなっているのか調べてみましょう。
p=5 の場合,2p+1 は
11=6+5=3⋅2+5⋅1
と表されますね。今回は (2p+1)−p が3の倍数になったことがポイントです。
N≡p (mod 3) であれば N−p=3⋅(正の整数) と表されるのでOKというワケです。
今,N も p も 3 の倍数ではないときを考えています。そのため,N≡p (mod 3) ではない場合,代わりに N≡2p (mod 3) になります。特に今回 N≧2p であるため N−2p>0 となり,確実に N−2p=3⋅(正の整数) と表されます。
3 で割った余りは 0,1,2 という3択です。今回,余りが 0 の場合は自明であるため考える必要がなく,本質的に議論は2択に絞られ,シンプルな論証が可能になります。
(1)
以下,p≡1 (mod 3) の場合を考える。このとき,ある正整数 q が存在して p=3q+1 と表される。
-
N≡0 (mod 3) の場合
ある正整数 m があって N=3m+p⋅0 と表されるため,この場合,命題は従う。
-
N≡1 (mod 3) の場合
ある正整数 M が存在して N=3M+1 と表される。このとき N−p=3(M−q) である。今,N≧2p であるため,M−q>0 である。
以上の議論より N は
N=3(M−q)+p⋅1
と表され,この場合,命題は従う。
-
N≡2 (mod 3) の場合
ある正整数 M が存在して N=3M+2 と表される。このとき N−2p=3(M−2q) である。今,N≧2p であるため,M−2q>0 である。
以上の議論より N は
N=3(M−2q)+p⋅2
と表され,この場合,命題は従う。
p≡2 (mod 3) の場合,2と3の議論をそれぞれ入れ替えることで,同様に示される。
もし 3 ではなく 5 の場合は,4通りのパターン分けが必要になっていました。
(2)
2p 未満の数のなかには,どれくらい「書けない」数が出てくるのでしょうか?
p=11 で考えてみると
1,2,4,5,7,8,10,13,16,19
の 10 個となります。
p=13 で考えてみると
1,2,4,5,7,8,10,11,14,17,20,23
の 12 個となります。
他にも実験してみると p−1 個であることが予想されます。これをどのように論証するのが良いでしょうか?
見比べてみましょう。p を越えるまでは同じように 1,2,4,5,⋯ と続きます。他方,p を越えると様子が変わってきますが,よく見るとどちらも 3 個おきに登場します。この観察から p を区切りに場合分けしてみるのがよさそうです。
(2)
(1) より 2p−1 以下の整数のみ考えればよい。
-
1≦N≦p−1 の場合
3 の倍数ではない整数の個数を求めればよい。
- p≡1 (mod 3) の場合
p−1≡0 (mod 3) であるため,3 の倍数ではない整数は
3p−1×2
個存在する。
- p≡2 (mod 3) の場合
p−2≡0 (mod 3) であるため,3 の倍数ではない整数は
3p−2×2+1
個存在する。
-
p+1≦N≦2p−1 の場合
- p≡1 (mod 3) の場合
N が 3 の倍数である場合は 3m,N≡1 (mod 3) の場合は 3m+p⋅1 と表される。よって N≡2 (mod 3) となる N の個数を数えればよい。
p+1≡2 (mod 3),2p−1≡1 (mod 3) であるため,N≡2 (mod 3) となる N は
32p−(p+1)=3p−1
個存在する。
- p+1≦N≦2p−1 の場合
N が 3 の倍数である場合は 3m,N≡2 (mod 3) の場合は 3m+p⋅1 と表される。よって N≡1 (mod 3) となる N の個数を数えればよい。
p+1≡0 (mod 3),2p−1≡0 (mod 3) であるため,N≡2 (mod 3) となる N は
32p−1−(p+1)=3p−2
個存在する。
-
p≡1 (mod 3) の場合,求める個数は
3p−1×2+3p−1=p−1
-
p≡2 (mod 3) の場合,求める個数は
3p−2×2+1+3p−2=p−1
以上より p−1 個である。