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ディオファントス方程式と無限降下法-基本演習md 22e1c4e
exercise/math/algebra/diophantine-equations-and-infinite-descent.exercise.n.md

ディオファントス方程式ほうていしきDiophantine equationと無限降下法むげんこうかほうinfinite descent-基本演習きほんえんしゅう

date2026-07-11document_iddoc_0faad5f8fbdb839554214203a2a9f92cdescription整数解の合同条件、原始解への縮約、最小反例、無限降下法を使う証明技能の基本演習である。prerequisites合同式 / 最大公約数 / 背理法 / 素因数分解type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/diophantine-equations-and-infinite-descent.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/congruences-and-remainders.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/prime-factorization-and-fundamental-theorem-of-arithmetic.lecture.n.md / data/reference/math/algebra/infinite-descent-for-impossibility.reference.n.md
mathalgebranumber-theorydiophantine-equationexercise

1対応講義たいおうこうぎ

data/lecture/math/algebra/diophantine-equations-and-infinite-descent.lecture.n.md

2演習方針えんしゅうほうしん

整数解せいすうかいを探さがす前まえに、偶奇ぐうき・小ちいさい法ほう・最大公約数さいだいこうやくすうから必要条件ひつようじょうけんを抽出ちゅうしゅつする。同次方程式どうじほうていしきでは共通因子きょうつういんしを除のぞいた原始解げんしかいへ縮約しゅくやくする。

3問題もんだい 1:合同条件ごうどうじょうけんによる不存在ふそんざい

x2+y2=4z+3 を満みたす整数せいすう x,y,z が存在そんざいしないことを示しめせ。

3.1解答例かいとうれい

平方数へいほうかずは法ほう 4 で 0 または 1 である。したがって x2+y2 の余あまりは 0,1,2 のいずれかであり、4z+3≡3[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]4 にはならない。よって整数解せいすうかいは存在そんざいしない。

3.2診断しんだん

方程式ほうていしきを直接ちょくせつ解とかず、平方剰余へいほうじょうよだけで矛盾むじゅんを得えられる法ほうを選択せんたくする。

4問題もんだい 2:原始解げんしかいへの縮約しゅくやく

P(x,y,z) を 1 以上いじょうの次数じすう d の整数係数同次多項式せいすうけいすうどうじたこうしきとする。P(x,y,z)=0 に零れいベクトルでない整数解せいすうかいがあれば、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y,z)=1 を満みたす非零整数解ひれいせいすうかいがあることを示しめせ。

4.1解答例かいとうれい

g=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y,z) とし、x=gx0,y=gy0,z=gz0 と書かく。同次性どうじせいから

0=P(x,y,z)=gdP(x0,y0,z0).

g>0 なので P(x0,y0,z0)=0 であり、最大公約数さいだいこうやくすうの定義ていぎから [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x0,y0,z0)=1 である。

4.2診断しんだん

同次性どうじせいが共通因子きょうつういんしを括くくり出だせる根拠こんきょであり、非同次方程式ひどうじほうていしきにはそのまま適用てきようできない。

5問題もんだい 3:偶奇ぐうきによる降下こうか

x2=2y2 に非零整数解ひれいせいすうかいが存在そんざいしないことを、原始解げんしかいを仮定かていして示しめせ。

5.1解答例かいとうれい

原始解げんしかい (x,y) があると仮定かていする。x2 が偶数ぐうすうなので x は偶数ぐうすうであり、x=2k と書かける。すると 4k2=2y2、すなわち y2=2k2 なので y も偶数ぐうすうである。これは [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y)=1 に反はんする。

5.2診断しんだん

「平方へいほうが偶数ぐうすうなら元もとも偶数ぐうすう」を、奇数きすうの平方へいほうが奇数きすうであることの対偶たいぐうとして説明せつめいする。

6問題もんだい 4:最小反例さいしょうはんれいの論理ろんり

正整数解せいせいすうかいから必かならずそれより小ちいさい同種どうしゅの正整数解せいせいすうかいを構成こうせいできるなら、解かいが存在そんざいしないことを論理的ろんりてきに説明せつめいせよ。

6.1解答例かいとうれい

解かいが存在そんざいすると仮定かていすれば、正整数せいせいすうの整列性せいれつせいにより最小さいしょうの解かいを選えらべる。しかし仮定かていした構成こうせいから、それより小ちいさい同種どうしゅの正整数解せいせいすうかいが得えられ、最小性さいしょうせいに矛盾むじゅんする。よって解かいは存在そんざいしない。

6.2診断しんだん

単たんに「無限むげんに小ちいさくなる」と述のべず、正整数せいせいすうの整列性せいれつせいと最小性さいしょうせいの矛盾むじゅんを明示めいじする。

7問題もんだい 5:平方数へいほうかずの和わ

x2+y2=3z2 に非零整数解ひれいせいすうかいが存在そんざいしないことを無限降下法むげんこうかほうで示しめせ。

7.1解答例かいとうれい

非零解ひれいかいがあると仮定かていし、|z| が最小さいしょうのものを選えらぶ。平方数へいほうかずは法ほう 3 で 0 または 1 である。左辺さへんが 0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]3 になるには x2≡y2≡0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]3 が必要ひつようなので、3∣x,y である。x=3x1,y=3y1 と置おくと

9(x12+y12)=3z2,

ゆえに z2=3(x12+y12) であり 3∣z である。z=3z1 とすれば

x12+y12=3z12.

これは 0<|z1|<|z| を満みたす同種どうしゅの非零解ひれいかいであり、|z| の最小性さいしょうせいに矛盾むじゅんする。

7.2診断しんだん

小ちいさくなる量りょうを |z| と明示めいじし、新あたらしい解かいが整数せいすうかつ非零ひれいであることを確認かくにんする。

8誤答診断ごとうしんだん

問題もんだい分類ぶんるい典型誤答てんけいごとう戻もどる内容ないよう
1見分みわけミス平方剰余へいほうじょうよを列挙れっきょせず整数解せいすうかいを探索たんさくする合同式ごうどうしきによる局所障害きょくしょしょうがい
2–3前提理解不足ぜんていりかいぶそく非同次方程式ひどうじほうていしきでも共通因子きょうつういんしを同おなじように除のぞく同次性どうじせいと原始解げんしかい
4–5論証ろんしょうミス小ちいさくなる正整数値せいせいすうちを指定していしない高たかさと整列性せいれつせい

9関連かんれんリンク

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