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第2問

mm を固定された正整数とする。無限数列 {an}n≥1\{a_n\}_{n\ge1} を次のように定める:a1a_1 は正整数であり、任意の整数 n≥1n\ge1 に対して、an<2ma_n<2^m のとき an+1=an2+2ma_{n+1}=a_n^2+2^m、an≥2ma_n\ge2^m のとき an+1=an/2a_{n+1}=a_n/2 とする。各 mm について、数列のすべての項が整数となるような a1a_1 の可能な値をすべて求めよ。
ステップ 7/7: すべてのℓ≥1が無限の整数巡回を与えることを確かめる
a1=2ℓ (ℓ≥1) ⟶ 2→8→4→2→8→4→⋯a_1=2^\ell\ (\ell\ge1)\ \longrightarrow\ 2\to8\to4\to2\to8\to4\to\cdots
詳しい解説

ℓ≥2\ell\ge2 のとき a1=2ℓ≥4a_1=2^\ell\ge4 なので、大きい方の規則が繰り返し指数を 11 ずつ減らし(各項が二の整数べき)、a=21=2a=2^1=2 に達するまで続く。a=2a=2 から(ℓ=1\ell=1 のときも直接同じ):2<42<4 なので an+1=4+4=8a_{n+1}=4+4=8;8≥48\ge4 なので半分にして 44;4≥44\ge4 なので半分にして 22 となり、巡回 2→8→4→2→⋯2\to8\to4\to2\to\cdots の始めに戻る。この巡回内のすべての項、および 2ℓ2^\ell からの最初の降下のすべての項は正整数である。よって ℓ≥1\ell\ge1 の a1=2ℓa_1=2^\ell はすべての項が整数である数列を作る。