ピタゴラス数直角を挟む2辺の和、差の考察 ででき...

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ピタゴラス数直角を挟む2辺の和、差の考察 =A,B,A+B,A-Bのいずれかは7倍数= 長崎県立小浜高校 1.はじめに A +B =C を満たす最小の整数の組み合わ せ、すなわち既約なピタゴラス数において、直角 を挟む2辺のどちらかは3の倍数、偶数辺は4の 倍数、3辺のいずれかは5の倍数であることは有 名だが、今回あらたに直角を挟む2辺A,B、も しくは二辺の和A+B、二辺の差|A-B|のい ずれかは7の倍数であることを見出した。 さらに直角を挟む2辺A,Bを縦横の軸に取る グラフ(仮称ピタゴラス数ネット)の全象限上で の分布は2辺の和、差とも180度の回転対称性 を示し 両者は回転方向が逆であることも判った 斜辺が素数であるものの分布が全ての象限にA 軸、B軸を挟んで線対称であることと比較しても 面白い特徴を示している。 2.既約ピタゴラス数の完全解 既約ピタゴラス数の完全解としてはユ-クリッ ディオファンタスの解 以下ユ-クリッド解 2-1 A=M -N B=2MN C=M +N (① M>N>0、② MとNに約数はない M、N どちらか奇数ならどちらか偶数) が有名であるが 全ての面でこの式をM=m+n N=mで置き換えた次の新解が便利である。 A=n(n+2m 、B=2m(m+n) 2-2 C=(n+2m (m+n)-mn ・・・ (①nは奇数 、②mとnに約数はない) これらの式はまた A=n +2mn、B=2m +2mn 2-3 C=n +2mn+2m ・・・・・・・・ とも表せ、全てが和の形を取る。そしてその項の 数はA3項、B4項、C5項であり、最小のピタ ゴラス数が(A,B,C)=(3,4,5)であ ることも簡単に理解できる。 3.既約以外のピタゴラス数 ユークリッド解も新解も2変数の2次の項の和 でできており約数があると平方されて現れる。 m’=mr,n’=nrとして A=n’(n’ 2m’)=n(n 2mn)r + + B=2m’(m’ 2n’)=2m(m 2n)r + + C=n’ 2m’n’ 2m’ =(n 2mn 2m )r + + + + また新解においてnが偶数のときは、A,Bの 偶奇は入れ替わるものの新解の2倍数を表す。 n=2p、m=qとして A=2p(2p+2q)=2(2p(p+q B=2q(q+2p)=2(q(q+2p ) C=4p 4pq 2q =2(2p 2pq q) + + + + 従って、既約の条件を含まない新解は、既約の 平方数倍(r )または平方数の2倍(2r )の 解までを含むことになる。逆にこれ以外の倍数は 含まないので全てのピタゴラス数という場合は新 解を任意の整数倍しなければならない。 4.AまたはBは3倍数 A、Bはm、n、m+n、n+2mの成分から 成る。nもしくはmが3倍数のときは、Aまたは Bは3倍数。n、mともmod3が等しければ3 項から成るn+2mは3倍数。またmod3が異 なるときは一方が1のとき他方は2なのでn+m は3倍数。従ってAまたはBは常に3倍数。 5.偶数辺Bは4倍数 既約の解は約数を持たないことから 奇数 +偶数 =奇数 、奇数 +奇数 =偶数 しかし奇数の2乗は8倍数+1( 2w+1) =4w(w+1)+1、w(w+1)は連続数で あるからどちらかが偶数)となることから、後者 2(4倍数+1)=偶数 となり存在でき ない。そこで前者を考えると 8倍数+1+(偶数) =8倍数+1 すなわち (偶数) =8倍数 となりこれを 満たす偶数は4倍数でなければならない。 新解においてもB=2m(m+n)でnは奇数 であるからm(m+n)はmまたはm+nのいず れかが偶数となりBは4倍数であることが解る。 6.A,B,Cのいずれかは5倍数 A,B,Cは m,n,m+n,n+2m、n +2mn+2m の5つの成分から成るがnまた

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ピタゴラス数直角を挟む2辺の和、差の考察

=A,B,A+B,A-Bのいずれかは7倍数=

長崎県立小浜高校 山 本 文 隆

1.はじめに

A +B =C を満たす最小の整数の組み合わ2 2 2

せ、すなわち既約なピタゴラス数において、直角

を挟む2辺のどちらかは3の倍数、偶数辺は4の

倍数、3辺のいずれかは5の倍数であることは有

名だが、今回あらたに直角を挟む2辺A,B、も

しくは二辺の和A+B、二辺の差|A-B|のい

ずれかは7の倍数であることを見出した。

さらに直角を挟む2辺A,Bを縦横の軸に取る

グラフ(仮称ピタゴラス数ネット)の全象限上で

の分布は2辺の和、差とも180度の回転対称性

、 。を示し 両者は回転方向が逆であることも判った

斜辺が素数であるものの分布が全ての象限にA

軸、B軸を挟んで線対称であることと比較しても

面白い特徴を示している。

2.既約ピタゴラス数の完全解

既約ピタゴラス数の完全解としてはユ-クリッ

、 ( )ド ディオファンタスの解 以下ユ-クリッド解

2-1A=M -N B=2MN C=M +N2 2 2 2、 、 ・

(① M>N>0、② MとNに約数はない

③ M、N どちらか奇数ならどちらか偶数)

、 、が有名であるが 全ての面でこの式をM=m+n

N=mで置き換えた次の新解が便利である。

A=n(n+2m 、B=2m(m+n))

2-2C=(n+2m (m+n)-mn) ・・・

(①nは奇数 、②mとnに約数はない)

これらの式はまた

A=n +2mn、B=2m +2mn2 2

2-3C=n +2mn+2m2 2・・・・・・・・

とも表せ、全てが和の形を取る。そしてその項の

数はA3項、B4項、C5項であり、最小のピタ

ゴラス数が(A,B,C)=(3,4,5)であ

ることも簡単に理解できる。

3.既約以外のピタゴラス数

ユークリッド解も新解も2変数の2次の項の和

でできており約数があると平方されて現れる。

m’=mr,n’=nrとして2

A=n’(n’ 2m’)=n(n 2mn)r+ +2

B=2m’(m’ 2n’)=2m(m 2n)r+ +2 2 2 2 2

C=n’ 2m’n’ 2m’ =(n 2mn 2m )r+ + + +

また新解においてnが偶数のときは、A,Bの

偶奇は入れ替わるものの新解の2倍数を表す。

n=2p、m=qとして

A=2p(2p+2q)=2(2p(p+q ))

B=2q(q+2p)=2(q(q+2p ))

C=4p 4pq 2q =2(2p 2pq q )2 2 2 2

+ + + +

従って、既約の条件を含まない新解は、既約の

平方数倍(r )または平方数の2倍(2r )の2 2

解までを含むことになる。逆にこれ以外の倍数は

含まないので全てのピタゴラス数という場合は新

解を任意の整数倍しなければならない。

4.AまたはBは3倍数

A、Bはm、n、m+n、n+2mの成分から

成る。nもしくはmが3倍数のときは、Aまたは

Bは3倍数。n、mともmod3が等しければ3

項から成るn+2mは3倍数。またmod3が異

なるときは一方が1のとき他方は2なのでn+m

は3倍数。従ってAまたはBは常に3倍数。

5.偶数辺Bは4倍数

既約の解は約数を持たないことから2 2 2 2 2 2奇数 +偶数 =奇数 、奇数 +奇数 =偶数

2しかし奇数の2乗は8倍数+1( 2w+1)(

=4w(w+1)+1、w(w+1)は連続数で

あるからどちらかが偶数)となることから、後者

は 2(4倍数+1)=偶数 となり存在でき2

ない。そこで前者を考えると

8倍数+1+(偶数) =8倍数+12

すなわち (偶数) =8倍数 となりこれを2

満たす偶数は4倍数でなければならない。

新解においてもB=2m(m+n)でnは奇数

であるからm(m+n)はmまたはm+nのいず

れかが偶数となりBは4倍数であることが解る。

6.A,B,Cのいずれかは5倍数2A,B,Cは m,n,m+n,n+2m、n

+2mn+2m の5つの成分から成るがnまた2

はmが5倍数のときはAまたはBは5の倍数。

そこでm=5k+p、n=5h+q(p、qは

それぞれにmod5)と置いたときp=qならば

5項から成るCは5の倍数。また2p=qのとき2 2 2 2は C mod 5=4p 4p 2p =10p+ +

さらにm=5k-p 、n=5h-q’でも同じ’

事がいえ q’=5-q=2p’=10-2p

すなわち 2p=5+q のときも5の倍数。

またp+q=5ではm+nを含むBが5の倍数

q+2p=5ではn+2mを含むAが5倍数

になる。表1にその関係を示すが3辺のいずれか

は5倍数である。

m n 5倍数成分 5倍数辺

5k m B

5h n A

5k+1 5h+1 Cn +2mn+2m2 2

5k+1 5h+2 Cn +2mn+2m2 2

5k+1 5h+3 n+2m A

5k+1 5h+4 m+n B

5k+2 5h+1 n+2m A

5k+2 5h+2 Cn +2mn+2m2 2

5k+2 5h+3 m+n B

5k+2 5h+4 Cn +2mn+2m2 2

5k+3 5h+1 Cn +2mn+2m2 2

5k+3 5h+2 m+n B

5k+3 5h+3 Cn +2mn+2m2 2

5k+3 5h+4 n+2m A

5k+4 5h+1 m+n B

5k+4 5h+2 n+2m A

5k+4 5h+3 Cn +2mn+2m2 2

5k+4 5h+4 Cn +2mn+2m2 2

表1 ピタゴラス数は3辺いづれか5倍数

7.A,B,A+B,A-Bのいずれかは7倍数

項の数を見るとA+B(下の式参照)は7項か

らなる。従ってm、nの mod 7が等しければ

A+Bは常に7倍数である。このことと斜辺の5

倍数から類推して規則性が予想される。

そこで表2のように分類し2 2A+B=n +4mn+2m

A-B = n -2m に入れてみるとどの辺| | | |2 2

組が7の倍数かが解る。分析するとn、mがそれ

ぞれ7倍数のときはA(イ 、B(ア)がそれぞ)

。 、 ( 、れ7倍数 またm=7k+p n=7h+q p

qはそれぞれにmod7)と置いたとき、余りが

等しいとき、すなわちp=qの場合、7項ある

m n 7倍数成分 7倍数辺組

ア 7k m B

イ 7h n A

ウ 7k+1 7h+1 A+Bn +4mn+2m2 2

エ 7k+1 7h+2 A+Bn +4mn+2m2 2

|n 2m | | |オ 7k+1 7h+3 - A-B2 2

|n 2m | | |カ 7k+1 7h+4 - A-B2 2

キ 7k+1 7h+5 n+2m A

ク 7k+1 7h+6 m+n B

|n 2m | | |ケ 7k+2 7h+1 - A-B2 2

コ 7k+2 7h+2 A+Bn +4mn+2m2 2

サ 7k+2 7h+3 n+2m A

シ 7k+2 7h+4 A+Bn +4mn+2m2 2

ス 7k+2 7h+5 m+n B

|n 2m | | |セ 7k+2 7h+6 - A-B2 2

ソ 7k+3 7h+1 n+2m A

|n 2m | | |タ 7k+3 7h+2 - A-B2 2

チ 7k+3 7h+3 A+Bn +4mn+2m2 2

ツ 7k+3 7h+4 m+n B

|n 2m | | |テ 7k+3 7h+5 - A-B2 2

ト 7k+3 7h+6 A+Bn +4mn+2m2 2

ナ 7k+4 7h+1 A+Bn +4mn+2m2 2

|n 2m | | |ニ 7k+4 7h+2 - A-B2 2

ヌ 7k+4 7h+3 m+n B

ネ 7k+4 7h+4 A+Bn +4mn+2m2 2

|n 2m | | |ノ 7k+4 7h+5 - A-B2 2

ハ 7k+4 7h+6 n+2m A

|n 2m | | |ヒ 7k+5 7h+1 - A-B2 2

フ 7k+5 7h+2 m+n B

ヘ 7k+5 7h+3 A+Bn +4mn+2m2 2

ホ 7k+5 7h+4 n+2m A

マ 7k+5 7h+5 A+Bn +4mn+2m2 2

|n 2m | | |ミ 7k+5 7h+6 - A-B2 2

ム 7k+6 7h+1 m+n B

メ 7k+6 7h+2 n+2m A

|n 2m | | |モ 7k+6 7h+3 - A-B2 2

|n 2m | | |ヤ 7k+6 7h+4 - A-B2 2

ユ 7k+6 7h+5 A+Bn +4mn+2m2 2

ヨ 7k+6 7h+6 A+Bn +4mn+2m2 2

表2 のいずれかは7倍数A,B,A+B,A-B

A+B=7p (ウ、コ、チ、ネ、マ、ヨ) であ2

りA+Bは7倍数。2p=qで

A+B=4p +8p +2p =7(2p )2 2 2 2

これはp=-3、-2、-1,1,2,3

で成り立つ (エ、シ、ト、ナ、ヘ、ユ 、。 )

またp+q=7ならば m+n=7倍数(ケ、

ス、ツ、ヌ、フ、ム 、2p+q=7、14なら)

ばn+2m=7倍数(キ、サ、ソ、ハ、ホ、メ)

またA-B= n -2m はA+Bとの入れ子構| |2 2

造を持っており、まずn>2mでn=N+2mと

おけばN +4mN+2m となりN=n-2mの2 2

余りとmの余りが等しいとき、もしくはNの余り

( 、 、がmの余りの2倍のとき7の倍数となる オ カ

タ 。また2m>n>mではnと√2mの大小に)

かかわらず置き換えはできない最小形であるが

n -2m は7倍数となる(テ、ニ、ミ 。| |2 2 )

次にn<√2mの場合はm=M+nとおけば、

n +2Mn+2M となりM=m-nの余りとn2 2

の余りが等しいとき、もしくはnの余りがMの余

りの2倍のとき7の倍数となる(ケ、タ、ニ、ヒ

モ、ヤ 。)

8.C+A,C-Aのいずれかは8倍数

斜辺+奇数辺または斜辺-奇数辺は常に8倍数

となる。これはこれまでと比較するとC+Aの項

。の数が5項 3項=8項あることと関係している+

C+A=n +2mn+2m +n +2mn2 2 2

2=2(m+n)2また C-A=2m

ここでnは奇数であるから、m、m+nのいず

れかは偶数。2×偶数 は8倍数であるから2

C+A,C-Aのいずれかは8倍数である。

9.C+B、C-B、B のいづれかは8倍数2

C+Bには項が5項+4項=9項ある。9倍数

は3倍数と関係し、C+B=(n+2m) 、C2

-B=n とともに平方数なのでAが3倍数のと2

きはAの成分をなすC+B、C-Bいずれか9倍

数、Bが3倍数のときはB は9倍数となる。2

10.ピタゴラス数ネット

ピタゴラス数の垂直な2成分を縦軸と横軸にと

図1 ピタゴラス数ネット(放物線仕様)

ったグラフにピタゴラス数を配列すると、左右上

下に開く放物線群が見えてくる。このA軸方向へ

広がるグラフ(図1では左右のグラフ)はユーク

リッド解( 式)で、上へ広がるグラフは新解2-1

( または )式で得られる。また下へ広がる2-2 ,2-3

、 ( )式は任意整数m nを用い 全てを とする10-1

ⅰ)n>2mの場合

A=n(n-2m 、B=2m(n-m))

ⅱ)2m>n>mの場合

A=n(2m-n 、B=2m(n-m))

ⅲ)m>nの場合

A=n(2m-n 、B=2m(m-n))

のいずれかで与えられる。このとき斜辺Cは全て

C=n -2mn+2m である。2 2

これらの中の 式でMを変数Nを定数とすれば2-1

A=(1/2N) B -N → 右開きの放物線2 2 2

式でNを変数Mを定数とすれば2-1

A=N -(1/2M) B → 左開きの放物線2 2 2

式でmを変数nを定数とすれば2-2

B=(1/2n )A -n /2→上開放物線2 2 2

式でmを変数nを定数とすれば10-1

B=n /2-(1/2n )A →下開放物線2 2 2

の放物線群の式が与えられる。

11 斜辺2 (4w 1)倍のピタゴラス数ネット. +i

斜辺はユークリッド解に従えばC=M +N の2 2

奇数であるがこれを充たす素数は4v+1(vは

任意整数)で表される。これは2平方の定理であ

り、この条件を充たす素数R をピタゴラス素数0

と仮称する。

M,Nの一方は偶数、一方は奇数であり、偶数平※

方は4倍数、平方奇数は8倍数+1である。

ところでCが5倍数のピタゴラス数ネットにお

いて m =5(h+1/2 ,n =5kで表さ0 0)

れる点A n (n 2m ) B 2m (m n )0 0 0 0 0 0 0 0= + = +、

を中心に、数種の閉曲線が浮き出し、その数列か

ら逆算して最初の閉曲線として

n-n +2 m-m n-n +2 m-m /2 11-1( ) ( )( ) ( ) =5 ・0 0 0 02 2

を得る。これを図2に示す。

なお 式でn-n =X、m-m =Yとおく11-1 0 0

11-2と、 X +2XY+2Y =5/2・・・・2 2

となる。この左辺がピタゴラス数の斜辺と同じ形

図2 斜辺Cが5倍数のピタゴラス数ネット

式をとるのは興味深い。ところで図2をよく眺め

るとその外にもうひとつ閉曲線が見える。

これを描かせる関係は、右辺にさらに5を掛け

11-3X +2XY+2Y =5・5/2・・2 2

図3 X +2XY+2Y =5・5/2のグラフ2 2

ここから、いろいろな素数をV.B.で試し

11-4X +2XY+2Y =RH/2・・・・・2 2

ただし m =R(h+1/2 ,n=kR0 )

(h、kは任意整数)を得る。

ここで R=2 (4w 1)であり、その中にi +

はピタゴラス素数(4v+1)も含まれる。また

HはRの同族で2 (4z 1) と表される。j +

さてRを決定する方法はまず 式をユ-ク11-4

リッド解に書き直すと M=m+n、N=m、

M =m +n 、N =m 、Z=X+Yとして0 0 0 0 0

11-5Z +Y =RH/2・・・・・・・・・・2 2

= - + - =2RH (2M 2M ) (2N 2N )0 02 2

2 2(2M R(2(h k) 1)) (2N R(2k 1))- + + + - +

この式をs=2(h+k)+1(奇数 、t=)

2k+1(奇数 (s>t)と置き換え展開し)、

( ) ( ( s t) ) ( ) 0R t +t -2 2 M +N +H R+4 M +N =2 2 2 2 2

これをRについて解くと、根の公式より

2(Ms+Nt)+W±√D11-6R=─────────────・・・

2 2s + t

ここで、判別式

D (2(Ms Nt) W) 4(M N )(s t )= + + - + +2 2 2 2 2

を考えると、Rが整数になるための必要条件は

D≧0で平方数である。また同じく必要条件とし

て 式の分子がs +t で割りきれねばなら11-5 2 2

ない。これをV.B.で検索して出てきた数字が

R=1,2,4,5,8,9,13、16、17

・・であり一般的(経験式)にR=2 (4w 1)i +

で表せる。以下にその例を示す。

図4 C=1w 1倍数ネット

図5 C=2w 2倍数ネット

図6 C=4w 4倍数ネット

図7

C=5W

R=5、

H=5・5

のネット

図8 C=13W R=13、H=1、5、9、13

図9C=17w、R=17、H 1、5、9、13、17=

図10 C=29w、R=29、

H=1、5、9、13、17、25、29

12.A+B、A-B=7w、17wの

ピタゴラス数ネット

A+B、A-Bの7倍数と斜辺Cの5倍数とを

対応させると似ており、ここにも素数倍を連結さ

せるピタゴラス数ネットが現れないかを確かめて

みた。予想はR=7,17,23,31・・とな

り、今のところR=8w±1を充たす素数に限ら

れそうである。7と17についてはその式も導い

てみたのでグラフとともに載せる。

(1)A+B=7倍数のピタゴラス数ネット

X +2XY+(5/3)Y =35/122 2

(11/2)X +4XY+Y =35/82 2

の2式で与えられる。ただしX=n-n 、Y=0

m-m 、n =kR、m =R(h+1/2)0 0 0

図11から明らかなように、斜辺の場合の線対

称性はなく180°の回転対称性のみである。

図11 A+B=7倍数のピタゴラス数ネット

(2) A-B =7倍数のピタゴラス数ネット| |

X -2XY+(5/3)Y =35/122 2

(11/2)X -4XY+Y =35/82 2

の2式で与えられる。ただしX、Y、n 、m は0 0

(1)に同じ。図12から明らかなように、

図12 A-B =7倍数のピタゴラス数ネット| |

図13 A -B =7倍数のピタゴラス数ネット| |2 2

図11と回転対称性の方向が逆である。二つを重

( ) 。ねたもの A -B =7倍数 を図13に示す| |2 2

(3)A+B=17倍数のピタゴラス数ネット

X +2XY+(11/5)Y =221/202 2

(29/6)X +4XY+Y =221/24の2 2

2式で与えられる。ただしX=n-n 、Y=m0

-m 、n =kR、m =R(h+1/2)0 0 0

これも180°の回転対称性のみで線対称では

ない。またほかの曲線(ピタゴラス数ネット)が

生まれる余地が十分に残されている。

図14 A+B=17倍数のピタゴラス数ネット

(4)A-B=17倍数のピタゴラス数ネット

X -2XY+(11/5)Y =221/202 2

(29/6)X -4XY+Y =221/242 2

これも回転対称性がA+Bと逆転している(図1

5 。二つを重ねたもの( A -B =17倍数)) | |2 2

を図16に示す。

図15 A-B=17倍数のピタゴラス数ネット

A -B =17倍数のピタゴラス数ネット図16 | |2 2

13.参考文献

ピタゴラス数ネット 文芸社 山本文隆

ピタゴラス数ネット 数学文化2012

日本数学協会 山本文隆

フェルマーの定理偶数乗の試証 山本文隆

http://www.geocities.jp/fumitaka125/felma.pdf