『χ=yχ』解答


◆静岡県 ヨッシー さんからの解答。

【問題2】

y=aχ(a>1:aは有理数)とおく。

χ=yχ は
χaχ=(aχ)χ と書ける。

変形して、

χ)=χχ・aχ

両辺χχ(>0)で割って

χ)(a−1)=aχ

変形して

(a−1))χ=aχ

一般にx>0の範囲で x(rは実数)は単調増加するので、

χ(a−1)=a

よって


(b>c、b,cは互いに素な自然数)とおくと、

今、特にb=c+1 とおくと、

ここで、任意の自然数cにたいし、

とおくと、題意を満たす有理数 χ,y が無数に作れる。


◆東京都 千葉 英伸 さんからの解答。

【問題1】

ヨッシーさんの問題2の解答の途中までを利用すると、
自然数nと、a>1かつanが自然数になる有理数aで、

a-1=a  ・・・(*)

を満たすものがどれだけ存在するか、という問題に帰結します。
(考えやすいようにxの代わりにnを使っています)

aの条件が複雑すぎて、まともに考えるのは大変なので、一般化して、

y=nx-1  ・・・(1)

y=x ・・・(2)

の交点のx座標を求めます。
もちろん、x、yは実数でx>1です。

nが何であっても、(1)、(2)は点(1,1)で交わりますが、
残念ながらx>1に反します。

従って、もう1つの交点(存在するならば)を見つけることになります。
(*)の条件を満たすかどうかは後から考えます。

nについて順番に検討していきます。

n=1のとき、
式(1)は、y=1x-1=1となり、
交点は(1,1)のみ。
よって、n=1のときには解はありません。

n=2のとき、
式(1)は、y=2x-1となり、
交点は(1,1)、(2,2)の2点。

点(2,2)のみ(*)を満たし、a=2です。

n≧3のとき、
(1)、(2)はつねに点(1,1)で交わるので、勘違いしそうですが、
x>1において、(1)、(2)は交わることはありません。

実際、(1)を微分すると、

y'=nx-1loge

n≧3>eなので、x=1のときの微分係数は、
y'=logen>1 となり、(2) の傾きより大きくなります。

つまり、点(1,1)以外の交点は
0<x<1の区間にあることになります。
(下図はn=5の場合)

結局、(*)を満たすのは、
n=2、a=2の1組だけです。

元の式については、
x=n=2、y=ax=4なので、
この問題の解は、
(x、y)=(2,4)の1組だけしかありません。


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