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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 7/7: n=5とn=17を除外する
n=5,17: only pairs are (2,2),(2,8),(5,5), none coprimen=5,17:\ \text{only pairs are}\ (2,2),(2,8),(5,5),\ \text{none coprime}
詳しい解説

n=5n=5 と n=17n=17(どちらもステップ6の閾値 n≥29n\ge29 より小さい ≡5(mod12)\equiv5\pmod{12})については、a≡b(mod3)a\equiv b\pmod3 かつ 2(a+b)−3∈{5,17}2(a+b)-3\in\{5,17\} を満たすすべての対 (a,b)(a,b) を直接調べると (2,2)(2,2)、(2,8)(2,8)、(5,5)(5,5)(a,ba,b の入れ替えを除く)だけであり、どれも互いに素でない。よって n=5n=5 と n=17n=17 は実現不可能であり、それ以外の n≡1,5(mod6)n\equiv1,5\pmod6 はすべてステップ6で実現される。したがって nn としてありうる値は、n≡1(mod6)n\equiv1\pmod6 または n≡5(mod6)n\equiv5\pmod6 を満たす整数から n=5n=5 と n=17n=17 を除いたものである。