◆埼玉県 \aleph_0 さんからの解答。
(趣味で文字を変えてしまいましたが,ご容赦ください.)
まず正整数a, b, cに対して
f(a,b,c)= | a b |
+ | b c |
+ | c a |
とおきます.
ここでf(ad,bd,cd)=f(a,b,c)に注意して,
A={(a,b,c) | gcd(a,b,c)=1, f(a,b,c)は整数},
Q={f(a,b,c) | (a,b,c)∈A}
とおきます.このとき次の補題が成り立ちます.
(vp(a)はaのp進付値(=aを割り切るpの最高ベキ)を表します.)
補題1.
(a,b,c)∈Aとし,pを素数とする.
(a) pがa, b, cのいずれかを割り切れば,pはそれらのうちのちょうど二つを割り切る.
(b) pがa, bを割り切るならば,vp(b)=2vp(a).
証明.
まずs=a2c+b2a+c2b, t=abcとおくと,
f(a,b,c)=s/tより,t|sに注意する.
(a) 対称性より,p|aとして一般性を失わない.
このときp|b, p|cとすると,p|s, p|tとなり矛盾.
一方,p|b, p|cとすると,gcd(a,b,c)≠1となり矛盾.
したがって,pはb, cのいずれか一方を割り切る.
(b) まず(a)より,vp(c)=0に注意する.
今e=vp(a)>0, f=vp(b)>0とおくと,
vp(s)=min{2e, f}, vp(t)=e+f.
このときf<2eとすると,vp(s)=f<vp(t)となり矛盾.
したがって,f≧2e.
さらにf>2eとすると,vp(s)=2e<vp(t)となり矛盾.
したがって,f=2e.□
今(a,b,c)∈Aに対して,x=(c,a), y=(a,b), z=(b,c)とおきます.
(以下,混乱の恐れがない限り,(a,b)=gcd(a,b)と略記します.)
このときgcd(a,b,c)=1より,x, y, zは対ごとに素であることに注意します.
また補題1(および対称性)より,
a=x2y, b=y2z, c=z2xとなることが分かります.
そしてこのとき,f(a,b,c)= | x3+y3+z3 xyz | は整数になります. |
逆に,正整数x, y, zに対して
g(x,y,z)= | x3+y3+z3 xyz | , |
X={(x,y,z) | x, y, zは対ごとに素,g(x,y,z)は整数}
とおきます.
このとき(x,y,z)∈Xに対して,a=x2y, b=y2z, c=z2xとおけば,
gcd(a,b,c)=1, f(a,b,c)=g(x,y,z),
x=(c,a), y=(a,b), z=(b,c)
が容易に確かめられます.
以上より,次の定理が示されました.
定理2.
写像φ:X→A, (x,y,z)|→(x2y,y2z,z2x)は全単射である.
写像ψ:A→X, (a,b,c)|→((c,a),(a,b),(b,c))が逆写像を与える.
さらにこのとき,g=f・φ, f=g・ψが成り立つ.□
定理2より,特に
Q={g(x,y,z) | (x,y,z)∈X}
が分かります.さて,次の命題は容易に示されます.
命題3.
整数nに対して,an=n2+n+1(>0)とおく.
このとき,2, an, a-nは対ごとに素で,
g(2,an,a-n)=n2+5.
したがって,(2,an,a-n)∈X.□
命題3より,{n2+5 | nは整数}⊂Qが分かります.
特に,Qは無限集合です.
なお,次の数がQに含まれていることがコンピュータの助けで確認されました.
(もちろん,このほかにもあるかもしれません.)
3, 5, 6, 9, 10, 13, 14, 17, 18, 19,
21, 26, 29, 30, 38, 41, 51, 53, 54, 57,
66,69, 77, 83, 86, 94, 105, 106, 126, 129,
147, 149, 154, 161, 166, 174, 178, 195, 201, 209,
230, 237, 243, 250, 261, 269, 294, 323, 326, 329,
339, 366, 405, 446, 451, 478, 489, 526, 534, 542,
570, 581, 622, 629, 630, 633, 638, 681, 726, 734,
789, 846, 893, 905, 966, 978,....