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合同式と余り-基本演習md 1b3568c
exercise/math/algebra/congruences-and-remainders.exercise.n.md
合同式と余り-基本演習
mathalgebranumber-theorycongruenceexercise
2演習方針
大きい整数を直接計算せず、必要な法のもとで小さい代表へ置換する。ただし割り算の前には逆元の存在を確認する。
3問題 1:定義による判定
137\equiv-3\pmod{10} と 137\equiv2\pmod 5 を定義から判定せよ。
3.1解答例
137-(-3)=140 は 10 の倍数なので前者は成立する。137-2=135 は 5 の倍数なので後者も成立する。
3.2診断
負の代表を避けず、m\mid(a-b) という定義へ戻れるかを確認する。
4問題 2:大きい累乗の余り
7^{100} を 5 で割った余りを求めよ。
4.1解答例
7\equiv2\pmod5 であり、2^4\equiv1\pmod5 である。100=4\cdot25 だから
7^{100}\equiv(2^4)^{25}\equiv1\pmod5.
したがって余りは 1 である。
4.2診断
累乗の余りに周期を発見し、指数を周期で整理する技能を確認する。
5問題 3:多項式への代入
n\equiv3\pmod7 のとき、n^3+2n^2-5 を 7 で割った余りを求めよ。
5.1解答例
合同式は加法と乗法で保存されるので、
n^3+2n^2-5\equiv27+18-5=40\equiv5\pmod7.
余りは 5 である。
5.2診断
整数係数多項式なら代表を代入してよい理由を、演算保存から説明する。
6問題 4:漸化式の余り
a_0=0、a_{n+1}=3a_n+2 とする。a_n の 5 による余りを n=0 から追い、周期を求めよ。
6.1解答例
余りは
0\to2\to3\to1\to0
と遷移する。したがって周期は 4 であり、a_n\equiv0,2,3,1\pmod5 が n\equiv0,1,2,3\pmod4 に対応する。
6.2診断
数列全体ではなく有限個の剰余状態だけを追跡できるかを確認する。
7問題 5:割り算の可否
6x\equiv9\pmod{15} を解け。また、両辺を単純に 3 で割る際に法も変更する必要がある理由を説明せよ。
7.1解答例
15\mid(6x-9)=3(2x-3) だから 5\mid(2x-3)、すなわち
2x\equiv3\pmod5.
2^{-1}\equiv3\pmod5 より x\equiv9\equiv4\pmod5 である。元の法 15 では x\equiv4,9,14\pmod{15} に相当する。
7.2診断
3 は法 15 のもとで逆元を持たないため、法を保ったままの約分はできない。解の個数が変化しない形で条件を書き換える。
8誤答診断
| 問題 | 分類 | 典型誤答 | 戻る内容 |
| 1 | 前提理解不足 | 負の代表を合同でないと判断する | m\mid(a-b) という定義 |
| 2–4 | 計算ミス | 周期の開始点または指数を 1 つずらす | 剰余状態の遷移 |
| 5 | 適用条件ミス | 逆元を確認せず法を保って 3 で割る | 逆元と gcd |