『整数の個数』解答


◆東京都 千葉 英伸 さんからの解答。

まず、問題の整数はpq以上はないことを示したいので、いくつかの命題を順番に示していきます。

(命題1)

整数m、nが|m|<q、|n|<pのとき、

mp=nq → m=n=0

これはp、qは互いに素なので明らかです。
(最小公倍数がpqとうことです)

(命題2)

0≦m1 、m2<qのときに、
1p、m2pをqで割った余りを r1、r2 とすると、

1 ≠m2 → r1≠ r2

実際、m1p、m2pをqで割った商をa、bとすれば、

1p=aq+r1
2p=bq+r2

と表せるので、 r1=r2 だとすると、
(m1−m2 )p=(a−b)qとなり、
命題1より m1=m2

(命題3)

pq以上の数は、0以上のある整数m、nで
mp+nqと表現できる。

命題2より、q個の整数
0、p、2p、3p、・・・(q−1)pをqで割った余りはすべて異なるので、
これらq個の余りの中に、0からq−1までの整数はすべて1回ずつ現れます。

今、pq以上の整数Aをqで割った余りをrとすると、
A=aq+r

また、このrに対して、0≦m<qを満たすあるmが存在して、

mp=bq+r

ここで、mp<pq≦Aなので、a≧b

よって、
A=mp+(a−b)q=mp+nq
(m、nは0以上の整数)と書くことができます。

さて、問題のmp+nqと書くことのできない整数ですが、
これはpq以上はないことがわかりました。

そこで、0以上pq未満の整数でmp+nqと書くことができる整数を数えます。

0≦m<q、0≦n<pであるものだけ考えれば十分です。

このとき、m1p+n1 q=m2p+n2 qならば、

(m1−m2)p=(n2−n1 )q

なので命題1よりm1=m2 、n1=n2

つまり、異なるm、nの組には異なる整数が対応することがわかります。

そこで、座標平面上で点(mp、nq)を考えると、数えようとしている整数は
これらの点のうちmp+nq<pqとなる点、
つまり、直線x+y=pqより下にある点に対応します。

 

図から明らかなように、x方向にq+1個、y方向にp+1個。

このうち、直線x+y=pq上に2点(pq、0)、(0、pq)があるのを考慮すれば点の個数は、


――
(p+1)(q+1)−1

これは、0以上pq未満の整数でmp+nqと書くことができる整数の個数なので、問題の答えは、

pq−(
――
(p+1)(q+1)−1)

――
(p−1)(q−1)


◆広島県 清川 育男 さんからのコメント。

この問題はp,qが素数でなくとも互いに素ということで拡張出来ますね。

(p,q)=1
表わせない整数の個数 (p-1)(q-1)
――――――

A=mp+nq≧(p-1)(q-1) はすべて表わせる。

例えば、
p=8,q=21 (8,21)=1

(8-1)(21-1)/2=70 表わせない個数。

A=8m+21n≧140 はすべて表わせる。


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