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第2問

多項式 PP と正整数 nn に対して、PnP_n を a<b≤na<b\le n かつ ∣P(a)∣−∣P(b)∣|P(a)|-|P(b)| が nn で割り切れるような正整数の組 (a,b)(a,b) の個数と定める。すべての正整数 nn に対して Pn≤2021P_n\le2021 となる整数係数多項式 PP をすべて求めよ。
ステップ 3/6: P は1次でなければならない
deg⁡P=1\deg P=1
詳しい解説

定数 PP はすぐに失敗する。このとき Pn=(n2)→∞P_n=\binom n2\to\infty となるからである。deg⁡P≥2\deg P\ge2 ならば、ある大きい kk に対して P(k)−P(1)≥kP(k)-P(1)\ge k となる;n=P(k)−P(1)≥kn=P(k)-P(1)\ge k とおくと、値 P(1)P(1) と P(k)P(k)(k≤nk\le n なのでどちらも P(1),…,P(n)P(1),\ldots,P(n) に含まれる)は P(k)−P(1)=n≡0(modn)P(k)-P(1)=n\equiv0\pmod n を満たし、補題に矛盾する。よって deg⁡P=1\deg P=1 である。