二項係数と剰余類の難問 – 2023年京大 特色入試 数学 第4問

- 1. nCp2 を p2+mCp2 と表記する
- 2. p の具体的な値で実験してみる
- 3. 1 ≦ m ≦ p-1 のとき
- 4. p2+p-1Cp2 ≡ 1 mod p3 の証明方法を一般化する
- 5. m = p のとき
- 6. m = 2p のとき
- 7. m = lp (1 ≦ l ≦ p2-1 ) のとき
- 8. ここまででわかったこと
- 9. m = lp (p2 ≦ l) の場合は同じやり方が使えない
- 10. m = lp2 ( 1 ≦ l ≦ p-1 ) のとき
- 11. p+lpCp ≡ l+1 (mod p3) の証明
- 12. ここまででわかったこと
- 13. m = p3 すなわち m=lp2 で l=p のとき
- 14. m = bp3 すなわち m=lp2 で l=bp( 1 ≦ b ) のとき
- 15. m = lp2 ( p+1 ≦ l かつ lが p の倍数でない) のとき
- 16. p = 3 のとき
- 17. まとめ
- 18. 解法のポイント
c2 が p の倍数であることの証明
次に、 c2 を評価します。
\begin{aligned} c_2 = & \sum_{1 \leqq j< k \leqq p-1}\prod_{\substack{1 \leqq i \leqq p-1 \\ i \ne j \\i \ne k} } i \\ \end{aligned}
ですが、
\begin{aligned} & \prod_{\substack{1 \leqq i \leqq p-2 \\ i \ne j \\i \ne k} } i \\ \equiv & \prod_{\substack{1 \leqq i \leqq p-2 \\ i \ne j \\i \ne k} } i \cdot k \cdot k^{-1} \\ \equiv & \prod_{\substack{1 \leqq i \leqq p-2 \\ i \ne j } } i \cdot k^{-1} \\ \equiv & j^{-1} k^{-1} ( \mod p) \end{aligned}
なので、
\begin{aligned} c_2 = & \sum_{1 \leqq j< k \leqq p-1}\prod_{\substack{1 \leqq i \leqq p-1 \\ i \ne j \\i \ne k} } i \\ \equiv & \sum_{1 \leqq j< k \leqq p-1} j^{-1} k^{-1} ( \mod p) \end{aligned}
です。
ここで s=j^{-1},t=k^{-1} と置くとき、命題3により、 j,k が 1 \leqq j,k \leqq p-1 の範囲を動くと、 s,t も 1 \leqq s,t \leqq p-1 の範囲を漏れ無く重複なく動くので、
\begin{aligned} c_2 \equiv \sum_{\substack{1 \leqq s< t \leqq p-1 }} st (\mod p) \end{aligned}
です。
このとき、
\begin{aligned} & \sum_{1 \leqq s< t \leqq p-1} st \\ = & \sum_{s=1}^{p-2} s \sum_{t=s+1}^{p-1}i \\ = & \sum_{s=1}^{p-2} s \sum_{t=1}^{p -s-1}(t +s)\\ = & \sum_{s=1}^{p-2} s \left \{ \frac{(p-s-1)(p-s)}{2} +s(p-s-1) \right \} \\ = & \frac{1}2 \sum_{s=1}^{p-2} s(p-s-1)(p + s) \\ = & \frac{1}2 \sum_{s=1}^{p-2} \{- s^3 -s^2 +p(p-1)s \} \\ = & \frac{(p-2)(p-1)}2 \\ & \times \left \{ - \frac{(p-2)(p-1)}{4} - \frac{2p-3}{6} + \frac{p(p-1)}2 \right\} \\ = & \frac{(p-2)(p-1)}{24} \\ & \times \{ -3(p^2-3 p +2) -2(2p -3) +6p(p-1) \} \\ = & \frac{(p-2)(p-1)( 3p -1)p}{24} \end{aligned}
ですが、 p は3の倍数でないので、 p -1 と p-2 のいずれか一方は3の倍数です。また、 p は奇数なので、4で割った余りは1か3のいずれかです。
p= 4j + 1 (jは自然数)のとき、
(p-1)(3p-1) =4j(12j +2) = 8j(6j+1)
p= 4j + 3 (jは自然数)のとき、
\begin{aligned} (p-1)(3p-1) & =(4j+2)(12j +8)\\ & = 8(2j+1)(3j+2) \end{aligned}
であり、いずれの場合も (p-1)(3p-1) は8の倍数です。
したがって \displaystyle\frac{(p-2)(p-1)( 3p -1)}{24} は整数なので、 \displaystyle\sum_{\substack{1 \leqq s< t \leqq p-1 }} st は p の倍数です。したがって、
\begin{aligned} c_2 \equiv \sum_{\substack{1 \leqq s< t \leqq p-1 }} st \equiv 0 (\mod p) \end{aligned}
すなわち c2 は p の倍数です。
以上、
\begin{aligned} {}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp} & = \frac{\sum\limits_{k=1}^{p-1} c_k (lp)^k }{(p-1)!} +1\\ \end{aligned}
においてc1 が p2 の倍数、 c2 が p の倍数であることが証明できたので、右辺第1項の分子は p3 の倍数です。よって、ある自然数 \xi が存在して
\begin{aligned} {}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp} = \frac{ \xi p^3 }{(p-1)!} +1\\ \end{aligned}
ですが、 (p-1)! は p3 と素であることから (p-1)! は \xi を割り切ります。したがって、以下の命題が証明できました。
命題7
p を5以上の素数とし、 l を自然数とする。このとき、
{}_{p+lp-1} \mathrm{C}_{lp} \equiv 1 ( \mod p^3)
が成り立つ。
命題7により、目的であった以下の命題が証明できます。
命題8
p を5以上の素数とし、 l を自然数とする。このとき、
{}_{p+lp} \mathrm{C}_p \equiv l+1 (\mod p^3 )
が成り立つ。