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第4問

ABCABC を正三角形とする。頂点 AA から三角形の内部に向けて、いずれかの辺に達する半直線を引く。半直線が辺に達すると反射の法則に従って跳ね返る、すなわち有向角 θ\theta で到達すれば有向角 180∘−θ180^\circ-\theta で出発する。nn 回の反射の後、半直線は他の二つの頂点のいずれにも達することなく AA に戻る。nn としてありうる値をすべて求めよ。
ステップ 4/7: nは3の倍数にならない
a≡b(mod3), gcd⁡(a,b)=1 ⟹ 3∤na\equiv b\pmod3,\ \gcd(a,b)=1 \ \Longrightarrow\ 3\nmid n
詳しい解説

もし 3∣n=2(a+b)−33\mid n=2(a+b)-3 ならば 3∣(a+b)3\mid(a+b) である。a≡b(mod3)a\equiv b\pmod3 と合わせると 2a≡a+b≡0(mod3)2a\equiv a+b\equiv0\pmod3 となるので 3∣a3\mid a、するとまた 3∣b3\mid b にもなる;しかしそれでは 33 が gcd⁡(a,b)=1\gcd(a,b)=1 を割ることになり矛盾する。よって 3∤n3\nmid n である。