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余りで分けると証明が終わる - n の 2 乗と連続する整数の積

をどんな整数にしても、 で割った余りは にしかなりません。 は出てこない。

無限にある整数を 1 つずつ試したわけではありません。 で割った余りで 3 通りに分け、それぞれを調べただけです。

割り算の形を確かめる

整数 と正の整数 に対し、次をみたす がただ 1 組だけ決まります[1]

が商、 が余り。存在するだけでなく 1 組しかないところが効きます[2]

余りの範囲が から に限られるので、整数全体が 個のグループに過不足なく分かれます。

で、余りは と書いても等式は正しいものの、 より大きいので余りではありません。

余りで整数を分ける

で割った余りが のどれになるかで、整数を 3 つの組に分けます。

どの整数もこのどれか 1 つにあてはまる。すべてを尽くしていて、しかも重なりがありません。

したがって、3 つの場合それぞれで成り立つと示せば、すべての整数について示したことになります。

上の行は をくり返し、下の行は をくり返します。 が現れないことが見てとれる。

例:n の 2 乗を 3 で割った余り

3 通りに分けて、それぞれ平方を計算します。

余りはそれぞれ 。よって で割った余りは に限られます。

の倍数のときだけ余りが になる。裏を返すと、 の倍数なら の倍数です。

例:n の 2 乗を 4 で割った余り

今度は偶奇の 2 通りで足ります。 なら で余り

なら で余り で割ると が余ることはありません。

さらに は連続する 2 整数の積なので偶数。だから奇数の平方は で割っても余りが です。

割る数 の分け方 の余り
、奇数

例:平方数の下 1 桁

で割った余りを見ると、下 1 桁が分かります。 の下 1 桁が から の 10 通りで足りる。

平方の下 1 桁は となります。現れるのは の 6 種類だけ。

下 1 桁が の数は平方数になりません。 は、計算せずに除外できます。

例:3 の倍数になる 2 乗の和

の倍数なら、 の倍数だと示せます。

平方を で割った余りは でした。和が の倍数、つまり余り になる組み合わせを探します。

。余りが になるのは だけなので、両方とも の倍数です。

この議論が通るのは、平方の余りが の 2 種類しかないからです。

もし も現れるなら の組も余り になり、結論が言えなくなる。

連続する整数の積

連続する 2 つの整数 には、必ず偶数が 1 つ含まれます。だから積は の倍数。

連続する 3 つなら、 の倍数と の倍数がそれぞれ必ず入ります。積は の倍数になる。

窓をどこへずらしても、緑と赤が 1 つずつ入ります。 は互いに素なので、積は で割り切れる。

一般には k 個で k の階乗

連続する 個の整数の積は、 で割り切れます。二項係数がつねに整数になることと同じ事実です[3]

左辺は「 個から 個を選ぶ場合の数」なので整数。すると右辺の分子は で割り切れるほかありません。

連続 4 個なら の倍数、連続 5 個なら の倍数。 が大きくなるほど強い主張になります。

例:n の 3 乗から n を引く

の倍数だと示します。因数分解から始めるのが早い。

連続する 3 整数の積になりました。したがって の倍数です。 なら なら

余りで分類しても示せます。ただ、連続する整数の形に持ち込むほうが手数は少ない。

例:n の 5 乗から n を引く

の倍数になります。 なので、 に分けて考える。

前の 3 つが連続なので の倍数。残るのは で割り切れるかどうかです。

の倍数なら終わり。そうでなければ で割った余りは で、 の余りは になります。

の倍数。どちらの場合も で割り切れました。

答えを確かめる

主張が正しそうかは、小さい数で試すのが早い。 から まで を並べると

どれも の倍数です。反例が 1 つでも出れば、証明を始める前に誤りが分かります。

場合分けが尽くせているかも確かめます。 で割るなら 3 通り、 なら 4 通り。数が合わなければ、どこかを落としている。

整数 に対して で割った余りとして、現れないものはどれですか。

  • 0
  • 4
  • 3
__RESULT__

に分けると、 の余りは の 3 種類になります。 は現れません。

まちがえやすい点

場合分けを だけで止める。 を落とすと証明になりません。
余りに 以上の値をとる。 から の範囲に収めます。
負の整数を忘れる。 の形()に入ります。
連続する 3 整数の積を の倍数までで止める。 の倍数も必ず含まれます。
の倍数を示すのに を別々に言わず、 の倍数を直接探す。分けたほうが速い。
の余りだけを見て、 の余りを言い忘れる。逆向きの主張は別に確かめます。
具体例をいくつか試しただけで証明を終える。すべての場合を尽くす必要があります。

余りで分ければ、無限にある整数が有限個の場合に変わる。証明の道具としては、これがいちばん手前にあります。

参考文献

Euclidean division - Wikipedia
Division mit Rest - Wikipedia
Binomial coefficient - Wikipedia
$n$ を $3k$、$3k+1$、$3k+2$ の 3 通りに分けて平方すると、余りは $0$、$1$、$1$。$2$ はどこにも現れません。無限にある整数が 3 つの場合に縮む、これが余りで分ける効き目です。$4$ で割れば $0$ か $1$、奇数の平方なら $8$ で割っても $1$ が残る。平方数の下 1 桁が $2, 3, 7, 8$ にならない理由、$x^2 + y^2$ が $3$ の倍数なら両方とも $3$ の倍数になる筋道、連続する $3$ 整数の積が $6$ の倍数になる話から $n^5 - n$ が $30$ の倍数になるところまで並べました。