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■35514 / inTopicNo.1)  隣接2数の和は平方数
  
□投稿者/ おあたく 一般人(23回)-(2008/09/06(Sat) 22:05:36)
    日本数学オリンピック予選で過去に出題された問題です。

    nを2以上の自然数とする。
    1からnまでの自然数を上手く並べると隣接するどの2数の和も平方数にできる。
    nの最小値を求めよ。

    試行錯誤でn=15のとき{8,1,15,10,6,3,13,12,4,5,11,14,2,7,9}を見つけたのですが、
    これが最小かどうかの証明はできませんでした。

    以下、質問です。
    (1)n=15が最小でしょうか?
     最小であるにせよないにせよ証明付きで教えてください。
    (2)n=15以外に条件を満たすnは存在するのでしょうか?
     存在するのならその一般項の式と証明を、存在しないのなら証明を教えてください。

    よろしくお願いいたします。
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■35521 / inTopicNo.2)  Re[1]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ らすかる 大御所(414回)-(2008/09/06(Sat) 22:59:47)
http://www10.plala.or.jp/rascalhp
    (1)
    試行錯誤的証明ですが…
    1の隣は3,8,15,…に限られる。
    n≦14のとき、1が端で隣が3または8であるか、あるいは1の両隣が3と8でなければならない。
    1が端で隣が3の場合、次は6か13。
     1,3,6の場合、次は10しかないがその次に置けるものがない。
     1,3,13の場合、その後は一意的に12,4,5,11,14,2,7,9と続き、
     ここで次に置けるものがなくなる。
    1が端で隣が8の場合、次に置けるものがない。
    1の両隣が3と8の場合も、8の次に置けるものがないので
    結局8,1,3,13,12,4,5,11,14,2,7,9で置けるものがなくなる。
    よってn=15が最小。

    (2)
    例えばn=16はn=15の場合の解の最後(9の右)に16を付ければ出来ますね。
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■35523 / inTopicNo.3)  Re[2]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ らすかる 大御所(415回)-(2008/09/06(Sat) 23:40:21)
http://www10.plala.or.jp/rascalhp
    ちょっとプログラムを作ってみましたが、n≦50の範囲で解があるのは
    15≦n≦17, n=23, 25≦n≦50 でした。
    しかも、nが大きくなると解の個数も増えていくようですので、
    任意のn≧25で解がありそうな雰囲気です。
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■35526 / inTopicNo.4)  Re[3]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ らすかる 大御所(416回)-(2008/09/07(Sun) 01:48:10)
http://www10.plala.or.jp/rascalhp
    ちなみに、解の個数は左右対称形を同一視して
    n=15〜17:1個ずつ、n=23:3個、n=25:10個、n=26:12個、n=27:35個、…
    となっており、この数列は数列サイト↓にありました。
    http://www.research.att.com/~njas/sequences/A071983
    n≧32では、輪に出来る解(つまり端の2数を加えても平方数になる解)があるようです。
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■35529 / inTopicNo.5)  Re[4]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ おあたく 一般人(25回)-(2008/09/07(Sun) 11:13:00)
    らすかるさん、証明とプログラム作成による確認と情報提供、感謝いたします。

    英語は得意ではないので、紹介して頂いたサイトは殆ど読めんませんが、
    過去にこのテーマで研究された方が既にいたということですね。

    自然数の問題って、小さい数では成立しないけど、一定以上の大きい数では成立する
    という定理とか予想がたくさんあるような気がします。

    自分がこの掲示板に質問したことがある問題でも、
    (1){a^2+b^2+5c^2+5d^2|∀a,b,c,d∈Z} = N-{3}か?という予想。
    (2)p,qをを異なる素数とすると{pa+qb|∀a,b∈N+{0}}に属さない最大の自然数はpq-p-qという定理。
    (3)今回質問した問題。
    だから初等整数論は面白いのだと思っています。

    今回の問題も試行錯誤やコンピュータによる虱潰ししか方法がないのでしょうか?
    もっと演繹的に解を導く方法が示せたら個人的には嬉しいです。

    また今回の問題の拡張として、隣接2数の和が3乗数とか三角数とか、隣接2数の差・積・商・剰余とか、
    隣接3数の和とか色々考えられますので調べてみようと思います。

    また何か情報等あれましたら、何でも良いので教えてください。
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■35682 / inTopicNo.6)  Re[5]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ WIZ 大御所(265回)-(2008/09/13(Sat) 11:23:36)
    プログラムを組んで調べてみました。

    (1)隣接2項の和が3乗数 n = 185までなし。
    (2)隣接2項の和が3角数 n = 3〜8なし。n = 2及び9以上ならあり?
    (3)隣接2項の和が素数 n = 2以上であり?
    (4)隣接3項の和が平方数 n = 48までなし。
    (5)隣接3項の和が3乗数 n = 145までなし。
    (6)隣接3項の和が素数 n = 22までなし。

    自然数中に出現する素数・3角数・平方数・3乗数はこの順に頻度が小さくなっていきます。
    これは、素数の逆数和は無限大に発散するのに対して、3角数・平方数・3乗数の逆数和は
    収束することからイメージできます。
    よって、隣接2数なり隣接3数の和が、素数・3角数・平方数・3乗数となる可能性も
    出現頻度に依存するものと予測できます。

    n = 15で、隣接2数の和が平方数になる場合はピタゴラス数3^2+4^2 = 5^2に関係している
    ような気がします。n = 15, 2y = n+1, x = 3, z = 5とすれば、x^2+(2y)^2 = z^2です。

    a[1] = 8 = 2*y^2
    a[2] = 1 = 3^2-a[1] = x^2-2y^2
    a[3] = 15 = 4^2-a[2] = 4y^2-(x^2-2y^2) = 6y^2-x^2
    a[4] = 10 = 5^2-a[3] = z^2-(6y^2-x^2) = x^2+4y^2-6y^2+x^2 = 2x^2-2y^2
    a[5] = 6 = 4^2-a[4] = 4y^2-(2x^2-2y^2) = 6y^2-2x^2
    a[6] = 3 = 3^2-a[5] = x^2-(6y^2-2x^2) = 3x^2-6y^2
    a[7] = 13 = 4^2-a[6] = 4y^2-(3x^2-6y^2) = 10y^2-3x^2
    a[8] = 12 = 5^2-a[7] = z^2-(10y^2-3x^2) = x^2+4y^2-10y^2+3x^2 = 4x^2-6y^2
    a[9] = 4 = 4^2-a[8] = 4y^2-(4x^2-6y^2) = 10y^2-4x^2
    a[10] = 5 = 3^2-a[9] = x^2-(10y^2-4x^2) = 5x^2-10y^2
    a[11] = 11 = 4^2-a[10] = 4y^2-(5x^2-10y^2) = 14y^2-5x^2
    a[12] = 14 = 5^2-a[11] = z^2-(14y^2-5x^2) = x^2+4y^2-14y^2+5x^2 = 6x^2-10y^2
    a[13] = 2 = 4^2-a[12] = 4y^2-(6x^2-10y^2) = 14y^2-6x^2
    a[14] = 7 = 3^2-a[13] = x^2-(14y^2-6x^2) = 7x^2-14y^2
    a[15] = 9 = 4^2-a[14] = 4y^2-(7x^2-14y^2) = 18y^2-7x^2

    他のピタゴラス数でも題意の数列(?)を構成できるのかもしれません。

    ここで以下のことを予想しました。

    定義域も値域も非負整数である関数f(x)で、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zが存在すれば
    隣接2数の和がf(x)の値域となるようなnが存在するといえるのかもしれません。

    f(x) = x^2なら、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zが存在するので、
    1からnまでの自然数を適当な順序に並べて隣接するどの2数の和も平方数にできる。
    f(x) = x^3なら、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zは存在しないので、
    1からnまでの自然数をどのような順序に並べても隣接する2数の和のどれかは3乗数とならない。
    ・・・・といえるのかもしれません。

    もし、f(x) = x^3でf(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zは存在すると仮定すれば、
    1からnまでの自然数を適当な順序に並べて隣接するどの2数の和も3乗数にできる
    ことを示せるのならば、その対偶をとって、
    1からnまでの自然数をどのような順序に並べても隣接する2数の和のどれかは3乗数とならない
    ことを示せるのならば、x^3+y^3 = z^3となる非負整数は存在しないといえるのかもしれません。
引用返信/返信 [メール受信/OFF] 削除キー/
■35694 / inTopicNo.7)  Re[6]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ おあたく 一般人(29回)-(2008/09/13(Sat) 22:11:03)
    WIZさん、ご意見ありがとうございます。

    2点ほど質問させてください。

    > n = 15で、隣接2数の和が平方数になる場合はピタゴラス数3^2+4^2 = 5^2に関係している
    > ような気がします。n = 15, 2y = n+1, x = 3, z = 5とすれば、x^2+(2y)^2 = z^2です。

    2y = 4, (2y)^2 = 16 = n+1ではないでしょうか?

    > 定義域も値域も非負整数である関数f(x)で、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zが存在すれば
    > 隣接2数の和がf(x)の値域となるようなnが存在するといえるのかもしれません。

    定義域も値域も自然数である関数f(x)ではないでしょうか?
    非負整数ということにしてしまうと、f(x) = x^3もx^3+0^3 = x^3とf(x)+f(y) = f(z)となる
    x,y,zが存在することになってしまいます。


    WIZさんの予想について以下のように理解しましたが間違いがあればご指摘ください。
    (1)定義域も値域も自然数である関数f(x)がある。
    (2)集合A(f)を以下で定義します。
    {n|nは2以上の自然数で、1からnまでの自然数を上手く並べると隣接するどの2数の和もf(x)の値域にできる}

    WIZさんの予想とその予想の対偶はx,y,zを自然数として、
    {∃x,y,z (f(x)+f(y) = f(z))} ⇒ {A(f) ≠ φ}
    {A(f) = φ} ⇒ {∀x,y,z (f(x)+f(y) ≠ f(z))}
    ということですよね?

    決して狙ったわけではないのですが、別スレで3角数が2つの3角数の和になる場合の質問をしました。
    f:x→x*(x+1)/2ならば、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zは無数に存在するのと、
    A(f:x→x*(x+1)/2) ≠ φというのも関係あるかもということですね?


    もうひとつ、15 ∈ A(f:x→x^2)の一般項がピタゴラス数3^2+4^3 = 5^2 = x^2+(2y)^2 = z^2に
    関係してるという部分も大変興味深いです。
    {a[n]} = {2*y^2, x^2-2y^2, 6y^2-x^2, 2x^2-2y^2,
         6y^2-2x^2, 3x^2-6y^2, 10y^2-3x^2, 4x^2-6y^2,
         10y^2-4x^2, 5x^2-10y^2, 14y^2-5x^2, 6x^2-10y^2,
         14y^2-6x^2, 7x^2-14y^2, 18y^2-7x^2}
    kを非負整数として、a[4k+1] = (4k+2)y^2-(2k)x^2, a[4k+2] = (2k+1)x^2-(4k+2)y^2,
    a[4k+3] = (4k+6)y^2-(2k+1)x^2, a[4k+4] = (2k+2)x^2-(4k+2)y^2となっているようです。

    a[16] = a[4*3+4] = (2*3+2)*3^2-(4*3+2)*2^2 = 16となって、16 ∈ A(f:x→x^2)の一般項と
    なっていますが、その後a[17] = 0, a[18] = 9, a[19] = 7と15 ∈ A(f:x→x^2)の一般項が
    逆順に出てくるようです。

    ピタゴラス数5^2+12^2 = 13^2を使って、A(f:x→x^2)の元となる自然数が得られるか計算してみます。
    x = 5, y = 6, z = 13です。a[1] = 72, a[2] = -11となって、a[2]は自然数とならず、
    またa[1]+a[2]も平方数になりません。
    つまりピタゴラス数3^2+4^3 = 5^2の場合しか通用しない一般項の式なのかもしれません。

    何かご意見があればよろしくお願いいたします。
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■35699 / inTopicNo.8)  Re[7]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ WIZ 大御所(266回)-(2008/09/14(Sun) 08:17:20)
    書き間違いが多くて申し訳ありません。

    >> n = 15で、隣接2数の和が平方数になる場合はピタゴラス数3^2+4^2 = 5^2に関係している
    >> ような気がします。n = 15, 2y = n+1, x = 3, z = 5とすれば、x^2+(2y)^2 = z^2です。
    > 2y = 4, (2y)^2 = 16 = n+1ではないでしょうか?

    仰る通り「2y = 4, (2y)^2 = 16 = n+1」です。


    >> 定義域も値域も非負整数である関数f(x)で、f(x)+f(y) = f(z)となる x,y,zが存在すれば
    >> 隣接2数の和がf(x)の値域となるようなnが存在するといえるのかもしれません。
    > 定義域も値域も自然数である関数f(x)ではないでしょうか?

    仰る通り「定義域も値域も自然数である関数f(x)」です。


    > (1)定義域も値域も自然数である関数f(x)がある。
    > (2)集合A(f)を以下で定義します。
    > {n|nは2以上の自然数で、1からnまでの自然数を上手く並べると隣接するどの2数の和もf(x)の値域にできる}
    > {∃x,y,z (f(x)+f(y) = f(z))} ⇒ {A(f) ≠ φ}
    > {A(f) = φ} ⇒ {∀x,y,z (f(x)+f(y) ≠ f(z))}

    整理して頂いて見えてきたことがあるので、追加書き込みします。
    関数(写像)fを用いて定義するより、以下のように定義した方が見通しが良いかもしれません。
    (1)自然数の部分集合Bがある。
    (2)集合A(B)を以下で定義します。
    {n|nは2以上の自然数で、1からnまでの自然数を上手く並べると隣接するどの2数の和もBの要素にできる}

    予想とその対偶は以下のように書くことができます。
    {(∃x,y,z ∈ B)(x+y = z)} ⇒ {A(B) ≠ φ}
    {A(B) = φ} ⇒ {(∀x,y,z ∈ B)(x+y ≠ z)}

    関数(写像)fでの定義だと、xを自然数として、x番目の素数p(x)を表す関数(写像)f:x→p(x)が具体的に
    表現できません。素数全体の集合Bを考えれば、関数(写像)fの表現は不要ですから。


    > ピタゴラス数5^2+12^2 = 13^2を使って、A(f:x→x^2)の元となる自然数が得られるか計算してみます。
    > x = 5, y = 6, z = 13です。a[1] = 72, a[2] = -11となって、a[2]は自然数とならず、
    > またa[1]+a[2]も平方数になりません。
    > つまりピタゴラス数3^2+4^3 = 5^2の場合しか通用しない一般項の式なのかもしれません。

    こちらについてはもう少し考えてみます。
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■35713 / inTopicNo.9)  Re[8]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ WIZ 大御所(269回)-(2008/09/14(Sun) 23:27:10)
    興味深いことを発見しましたので、書き込ませて頂きます。

    以下に書くことはプログラムを組んでサンプル計算した結果の予想であり、
    誤っている可能性も大いにあることを断っておきます。

    nは2以上の自然数で、1からnまでの自然数を上手く並べると隣接するどの2数の和も
    素数にできるようなnは2以上の全ての自然数であると思われますが、
    輪になるような解(両端の2数の和も素数になる解)を持つのはnが偶数の場合のみで、
    かつnが偶数の場合は必ず輪になるような解があるようです。
    (計算に結構時間がかかり、n = 2〜20しか確認していません)

    素数と偶数といえば思いつくのはゴールドバッハの予想です。
    {nが偶数 ⇔ 輪になる解の存在}とゴールドバッハの予想との関連は不明ですが・・・。
引用返信/返信 [メール受信/OFF] 削除キー/
■35722 / inTopicNo.10)  Re[9]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ らすかる 大御所(429回)-(2008/09/15(Mon) 04:44:26)
http://www10.plala.or.jp/rascalhp
    >輪になるような解(両端の2数の和も素数になる解)を持つのはnが偶数の場合のみで、
    >かつnが偶数の場合は必ず輪になるような解があるようです。

    nが奇数の場合、輪にすると少なくとも1箇所、隣接数の和が4以上の偶数(≠素数)に
    なる箇所ができますので、輪になるような解は明らかに存在しないですね。
    nが偶数の場合は、n=2〜10000までは解があることを確認しました。
引用返信/返信 [メール受信/OFF] 削除キー/
■35732 / inTopicNo.11)  Re[10]: 隣接2数の和は平方数
□投稿者/ WIZ 大御所(271回)-(2008/09/15(Mon) 10:37:36)
    > nが奇数の場合、輪にすると少なくとも1箇所、隣接数の和が4以上の偶数(≠素数)に
    > なる箇所ができますので、輪になるような解は明らかに存在しないですね。

    なるほど、隣接2数の和は1+2 = 3が最小だから、和が素数であれば奇数となりますね。
    n,mを自然数としてn = 2m+1の場合、1〜nの自然数の内訳はm+1個の奇数とm個の偶数で、
    奇数が1個多いですから、輪にしたとき少なくとも1箇所は奇数同士が隣接してしまい、
    この部分の和は3以上の偶数となり素数ではありませんね。

    すなわち{輪になる解の存在 ⇒ nが偶数}は正しい訳ですね。

    > nが偶数の場合は、n=2〜10000までは解があることを確認しました。

    つまり、逆の{nが偶数 ⇒ 輪になる解の存在}も正しそうだということですね。
    現在証明の糸口も見えていませんが・・・。
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