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第3問

p≥5p\ge5 を素数とする。同一な pp 個の駒を p×pp\times p の盤に、全てが同じ行にはならないように置く方法の数を rr とする(同じ列には全て置いてよい)。rr が p5p^5 で割り切れることを証明せよ。
ステップ 1/5: 許される配置を数える
r=(p2p)−p=p((p2−1)⋯(p2−(p−1))(p−1)!−1)r=\binom{p^2}{p}-p=p\left(\frac{(p^2-1)\cdots(p^2-(p-1))}{(p-1)!}-1\right)
詳しい解説

pp 個の異なるマスを選ぶ配置は (p2p)\binom{p^2}{p} 通り。全てを一つの行に置く配置は pp 通りなので除く。従って r=(p2p)−pr=\binom{p^2}{p}-p であり、(p2−1)⋯(p2−(p−1))(p−1)!−1\frac{(p^2-1)\cdots(p^2-(p-1))}{(p-1)!}-1 が p4p^4 で割り切れることを示せばよい。