『素数に関する問題3題』解答


◆大阪府 らぶりぃナナちゃん さんからの解答。

【問題2】

3数をa,a+2,a+4とすると、部屋割り論法より1つは3で割り切れる。
つまり、a,a+2,a+4が3を含む。

-1,1,3は-1が素数でない。
1,3,5は1が素数でない。
3,5,7は素数。

よって、3,5,7のみ。

【問題3】

パソコンを使って求めました。

q=150の7,157,307,457,607,757,907が一例です。
その他q=2760,3450,9150も満たします。


◆東京都の中学校2年生 青のトランプ さんからの解答。

【問題2】

2の差をもって並んでいる3つの連続する素数をn,n+2,n+4とする。
(nは2以上の自然数)

自然数は必ずこのどれか3つに分けられる。
よってn=3のときのみ三つ子素数ができる。


◆東京都 T.Kobayashi さんからの解答。

【問題1】

17, 79, 149, 179, 379. (それぞれ4つ)
1237, 1279. (それぞれ11個)

【問題2】

(1, 3, 5), (2, 4, 6) は素数列ではない。

n≧4 とすると、mod. 3 で二つずつ互いに不合同だから、
n, n+2, n+4 の何れかは 3 の倍数だけれども、それが 4 以上だから必ず合成数になる。

【問題3】

7, 157, 307, 457, 607, 757, 907.


◆広島県 清川 育男 さんからの解答。

【問題1】

1000以下
10個
137 173 317

10000以下
30個
1973 3719 3917 7193 9137 9173 9371

【問題2】

3の剰余で分類、nは自然数。

1) 3n,3n+2,3n+4
n=1 3,5,7
n≧2、3nは合成数。

2) 3n+1,3n+3,3n+5
3n+3=3(n+1)、合成数。

3) 3n+2,3n+4,3n+6
3n+6=3(n+2)、 合成数。

したがって、3,5,7 のみ。

【問題3】

 NO. 1 
 Q= 150 
 7  157  307  457  607  757  907 

 NO. 2 
 Q= 2760 
 7  2767  5527  8287  11047  13807  16567 

 NO. 3 
 Q= 3450 
 7  3457  6907  10357  13807  17257  20707 

 NO. 4 
 Q= 9150 
 7  9157  18307  27457  36607  45757  54907 

 NO. 5 
 Q= 14190 
 7  14197  28387  42577  56767  70957  85147 

 NO. 6 
 Q= 20040 
 7  20047  40087  60127  80167  100207  120247 

 NO. 7 
 Q= 21240 
 7  21247  42487  63727  84967  106207  127447 

 NO. 8 
 Q= 63600 
 7  63607  127207  190807  254407  318007  381607 

 NO. 9 
 Q= 76710 
 7  76717  153427  230137  306847  383557  460267


◆千葉県 J. Ono さんからの解答。

【問題1】

まず、異なる3つの数の並び順列は
3!=6(通り)

i) 6通りとも素数の可能性がある場合
このうち、6通りとも素数となる可能性のあるのは、
{1,3,7,9}のうち、3つの数で3桁の数を作ったときである。

このなかで、6通りとも素数となる組み合わせは存在せず、
{1,7,9}と{3,7,9}の組が4通りと一番多い。

次に素数が高々4通りとなる組み合わせを考えると、 5を含む3つの奇数からなる3桁の数の場合、または 偶数を1つ、奇数2つを含む3桁の数の場合(0の場合は2桁も含む)がある。

ii) 5を含む3つの奇数から3桁の数の場合
{1,3,5}、{1,5,7}、{1,5,9}、{3,5,7}、{3,5,9}、{5,7,9}・・・(1)
が高々4通りとなる。
このうち1の位に5がくる場合を除く4通りが素数となる可能性がある。
しかしながら、
153、517、159、357、539、579
が素数ではないので、(1)の組で素数が4通りになるものは存在しない。

iii) 偶数を1つ、奇数を2つ含む3桁の数の場合
iii-1) 偶数が0の場合
{0,1,3}、{0,1,7}、{0,1,9}、{0,3,7}、{0,3,9}、{0,7,9}・・・(2)
が高々4通りとなる。

このうち、301、901、703、39は素数でないため、(2)のなかで
{0,1,7}、{0,7,9}のみ条件を満たす。

iii-2) 偶数が2の場合
{1,2,7}、{1,2,9}、{2,3,7}、{2,3,9}、{2,7,9}・・・(3)
が高々4通りとなる。

このうち、123、217、921、327、329、279は素数でないため、
(3)のなかで4通りの条件を満たすものは存在しない。

iii-3) 偶数が4の場合
{1,3,4}、{1,4,7}、{1,4,9}、{3,4,7}、{3,4,9}、{4,7,9}・・・(4)
が高々4通りとなる。

このうち、341、147、437、493、497は素数でないため、
(4)のなかで{1,4,9}のみ条件を満たす。

iii-4) 偶数が6の場合
{1,3,6}、{1,6,7}、{1,6,9}、{3,6,7}、{6,7,9}・・・(5)
が高々4通りとなる。

このうち、361、671、169、637、679は素数でないため、
(5)のなかで4通りの条件を満たすものは存在しない。

iii-5) 偶数が8の場合
{1,3,8}、{1,7,8}、{1,8,9}、{3,7,8}、{3,8,9}・・・(6)
が高々4通りとなる。

このうち、381、871、189、783、893は素数でないため、
(6)のなかで4通りの条件を満たすものは存在しない。

以上i)〜iii-5)より
{0,1,7}、17、71、107、701
{0,7,9}、79、97、709、907
{1,4,9}、149、419、491、941
{1,7,9}、179、197、719、971
{3,7,9}、379、397、739、937
の組み合わせで4通りずつ存在する。

【感想 問題1について】

1000未満の素数については、闇雲に検討すると495個の奇数(11以上)を検討することになるのが、実際に52個の数字を検討するのみで十分となるような解答ができた。
しかし、4桁(10000未満)の場合、効率的な解答方法が見つからなかった。
3桁の場合の考え方を応用した場合、少なくとも294個の数について検討する必要がある。
より、効率的な解答方法はあるのか? 素数定理のπ(x)〜n/log nより(n=10000程度で用いるのは誤差が大きいが)1085程度と出ているので、294個の数(<1085)の検討は、比較的効率的かもしれない。

【問題2】

三つ子素数が{3,5,7}以外にも存在すると仮定する。

{3,5,7}以外のある三つ子素数をそれぞれl,m,nとする。
全ての自然数は3を法として合同なものは0,1,2のみであり、 素数は2以外すべて奇数、かつ3の倍数にならないことから
l=6k+1・・・(1) または l=6k-1・・・(2)
(ただし、k∈N、k>1)とおける。

(1)のとき、三つ子の素数の定義から
m=6k+3=3(2k+1)
n=6k+5
とおける

(2)のとき、同様に
m=6k+1
n=6k+3=3(2k+1)
とおける

これにより、(1)、(2)ともにどのようなk(∈N)の値であっても、 三つ子素数の1つに必ず3の倍数が存在し、素数であることに矛盾する。

よって、{3,5,7}以外に三つ子の素数は存在しない。

【感想 問題1について】

1000未満の素数については、闇雲に検討すると495個の奇数(11以上)を検討することになるのが、実際に52個の数字を検討するのみで十分となるような解答ができた。
しかし、4桁(10000未満)の場合、効率的な解答方法が見つからなかった。
3桁の場合の考え方を応用した場合、少なくとも294個の数について検討する必要がある。
より、効率的な解答方法はあるのか?

素数定理のπ(x)〜n/log nより(n=10000程度で用いるのは誤差が大きいが)
1085程度と出ているので、294個の数(<1085)の検討は、比較的効率的かもしれない。


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