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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 6/7: 明示的な対がほぼすべてのそのようなnを実現する
(a,b)=(1,3k+1)⇒n=6k+1;(a,b)=(3k−1,3k+2)⇒n=12k−1(a,b)=(1,3k+1)\Rightarrow n=6k+1;\qquad (a,b)=(3k-1,3k+2)\Rightarrow n=12k-1
詳しい解説

対 (1,3k+1)(1,3k+1)(k≥0k\ge0)は常に gcd⁡=1\gcd=1 かつ 1≡3k+1(mod3)1\equiv3k+1\pmod3 であり、k≥0k\ge0 に対するすべての n=6k+1n=6k+1 を与える。対 (3k−1,3k+2)(3k-1,3k+2)(k≥1k\ge1)は gcd⁡(3k−1,3k+2)=gcd⁡(3k−1,3)=1\gcd(3k-1,3k+2)=\gcd(3k-1,3)=1 で 33 を法として剰余が一致し、k≥1k\ge1 に対するすべての n=12k−1≡11(mod12)n=12k-1\equiv11\pmod{12} を与える。残りの剰余 n≡5(mod12)n\equiv5\pmod{12}(n≥29n\ge29)については、対 (3k−1,3k+5)(3k-1,3k+5)(kk が偶数のとき)と (3k−4,3k+8)(3k-4,3k+8)(kk が奇数のとき)、k≥2k\ge2 が互いに素で 33 を法とする剰余が一致し、n=12k+5n=12k+5 を与える。