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100! の末尾に 0 は何個並ぶか?階乗の素因数を数える

の末尾には が 24 個並びます。 は でちょうど 11 回まで割り切れる。

どちらも や を計算していません。素因数が何回現れるかだけを、割り算の積み重ねで数えました。

倍数の個数を重ねて数える

に、 は何回現れるか。まず の倍数を数えます。

の 7 個。ここから が 1 個ずつ出るので、まず 7 回。

ただし は を 2 個持っています。 の倍数からもう 1 回ずつ、 の倍数からさらに 1 回ずつ数える必要がある。

丸の総数が、 に含まれる の個数です。 個。

ルジャンドルの公式

この数え方をそのまま式にしたものが、次の形です[1]。 は を超えない最大の整数を表します。

が を超えると項は になるので、和は途中で止まります。無限に足す必要はありません。

第 1 項が の倍数の個数、第 2 項が の倍数の個数。 の倍数は 2 回ぶん数えられ、うまく重なります[3]。

の倍数を数える

、 と割り続けて足す

商が になったら終わり

例:15! に含まれる 2 の個数

を 、、、 で割った商を並べます。

で割ると商が なので、そこで打ち切り。 は で割り切れ、 では割り切れません。

前の商を次々に で割ってもよい。 と落として、 を足すだけです。

例:100! の末尾に並ぶ 0

末尾の の個数は、 で何回割り切れるかと同じ。 なので、 と の組がいくつ作れるかを見ます[4]。

の個数は 。 の個数は もあります。

組は少ないほうで決まるので、 は 24 個。 の末尾には が 24 個並びます。

5 だけ数えれば足りる理由

の倍数は の倍数よりずっと多く現れます。 が大きくなっても、この差は縮まりません。

だから の個数は、いつでも の個数のほうで決まる。末尾の を数えるときは、 だけ見れば足ります[4]。

例:1000! の末尾に並ぶ 0

を で割り続けます。、、、 と落ちて、次は 。

249 個です[2]。 は 桁あるので、全体のおよそ 1 割が末尾に並ぶ ということになる。

おおよその見当もつきます。 は に近づくので、 の末尾の はおよそ 個[2]。

例:100! に含まれる 7 の個数

、、。

合わせて 16 個。 は で割り切れます。

割る数が大きいほど項の数は減る。 が の半分を超えれば、項は第 1 項だけになります。

例:末尾の 0 がちょうど 6 個になる n

をみたす を探します。 という条件です。

なら 。 で になり、条件をみたします。

から までは商が変わらず のまま。 で に上がります。

答えは の 5 つ。ここで が飛ばされている点も見ておきたい。

は が をまたぐとき から へ 2 つ上がるので、 になる は存在しません。

が を 2 個持ち込むため。末尾の がちょうど 個の階乗はない。

別の書き方:桁の和を使う

同じ指数は、 を 進法で書いたときの桁の和からも出ます[1,2]。桁の和を と書きます。

なら分母が なので、 とさらに簡単になります。

例:2 進法で確かめる

は 進法で です。桁の和は なので 。

割り算で出した と一致しました。どちらの道でも同じ値に着きます。

は 進法で 、桁の和は 。 で、これも先ほどの値と合っています。

を 進法で書くと で桁の和は 。 となり、末尾の の個数に戻りました。

検算

小さい階乗なら直接計算して確かめられます。 で、末尾の は 2 個。

公式でも で一致します。 の個数は で、。

商を順に割っていくとき、途中で にならないうちに打ち切っていないかも見ます。足し忘れが最も多い誤りです。

の末尾に は何個並びますか。

  • 10 個
  • 12 個
  • 25 個
__RESULT__

、 で合わせて 12 個です。10 は の項を落とした値、25 は を答えにしたときの値にあたります。

よくあるミス

第 1 項だけで止める。、 の項を足し忘れます。
末尾の を数えるのに の個数を使う。少ないほうの で決まります。
商を出すときに小数を残す。切り捨てた整数を足します。
を の四捨五入にする。切り捨てです。
や が を 1 個しか持たないと考える。それぞれ 2 個、3 個持ちます。
が合成数のまま公式を当てる。 は素数でなければ成り立ちません。
がすべての整数値をとると考える。 のように飛ばされる値があります。

割って、商を足して、 になったら止める。手順はこれだけなので、 でも数十秒で終わります。

出典

Legendre's formula - Wikipedia
Formule de Legendre - Wikipédia
Oliver Deiser. *Der Satz von Legendre*. Die Unendlichkeit der Primzahlen.
Trailing zero - Wikipedia
$100!$ を計算しなくても、末尾に並ぶ $0$ が 24 個だと分かります。$100$ を $5$ で割って $20$、$25$ で割って $4$、足して $24$。$5$ の個数がそのまま答えになるのは、$2$ の個数が $97$ もあって組の数を決めないためです。ルジャンドルの公式は、割った商を $0$ になるまで足していくだけの手続き。$15!$ が $2$ でちょうど 11 回割り切れる計算、$1000!$ の末尾が 249 個になる話、$2$ 進法の桁の和からも同じ値が出ること、末尾の $0$ がちょうど 5 個の階乗は存在しない理由まで並べました。