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二項係数と剰余類の難問 – 2023年京大 特色入試 数学 第4問

2023 5/29
京大
2023年5月16日2023年5月29日

m = lp2 ( 1 ≦ l ≦ p-1 ) のとき

 ここで、 p2+lp2Cp2 に着目します。

 既に証明したとおり、

\begin{aligned}
 & {}_{p^2+lp^2} \mathrm{C}_{p^2}  \equiv   {}_{p+lp}  \mathrm{C}_{p}  ( \mod p^3) \\


\end{aligned}

ですが、

\begin{aligned}
   {}_{p+lp} \mathrm{C}_{p} = & {}_{p+lp} \mathrm{C}_{lp} \\
= & (l+1) {}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp}
\end{aligned}

であり、

\begin{aligned}
  & {}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp} \\
= & \frac{lp {}_{lp+p-2} \mathrm{C}_{lp}}{p-1} + {}_{lp+p-2} \mathrm{C}_{lp} \\
 = & lp \sum_{k=1}^{p-1} \frac{{}_{lp+k-1} \mathrm{C}_{lp}}{k} + {}_{lp} \mathrm{C}_{lp}  \\
= & lp \sum_{k=1}^{p-1} \frac{{}_{lp+k-1} \mathrm{C}_{lp}}{k} + 1 \\
\end{aligned}

です。

 ここでおそらく、命題2と同じやり方で

\begin{aligned}
  
 \sum_{k=1}^{p-1} \frac{{}_{lp+k-1} \mathrm{C}_{lp}}{k} \equiv 0 ( \mod p) \\
\end{aligned}

が導出できるのではないかと予想できますが、もし更に

\begin{aligned}
  
 \sum_{k=1}^{p-1} \frac{{}_{lp+k-1} \mathrm{C}_{lp}}{k} \equiv 0 ( \mod p^2) \\
\end{aligned}

が成り立てば

\begin{aligned}
   {}_{p+lp} \mathrm{C}_{p} = & {}_{p+lp} \mathrm{C}_{lp} \\
= & (l+1) {}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp}
\end{aligned}

であったので、

\begin{aligned}
   {}_{p+lp} \mathrm{C}_{p} \equiv & l+1 ( \mod p^3)
\end{aligned}

が成り立ち、

\begin{aligned}
   {}_{p^2+lp^2} \mathrm{C}_{p^2} \equiv & l+1 ( \mod p^3)
\end{aligned}

が成り立ちます。

 実際どうなっているかですが、

\begin{aligned}
{}_6 \mathrm{C}_3 & = 20 = 2 \cdot3^2+2 \\
{}_{10} \mathrm{C}_5 & = 252  \equiv  2 ( \mod 5^3) \\
{}_{14} \mathrm{C}_7 & = 3432  \equiv  2 ( \mod 7^3) \\

\end{aligned}

であり、 p = 3 のときはちょっと違っていますが、 p = 5 や p = 7 のときはたしかにそうなっています。

 そこで、 p+lpCp ≡ l+1 (mod p3) の証明と、それが成り立つ条件を明確にしていきます。

次ページ→ {}_{p+lp} \mathrm{C}_p \equiv l+1 ( \mod p^3) の証明です
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