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第5問

すべての整数 aa、bb に対して f(f(a)−b)+b f(2a)f(f(a)-b)+b\,f(2a) が平方数となるような関数 f:Z→Zf:\mathbb{Z}\to\mathbb{Z} をすべて求めよ。
ステップ 4/5: 必要性:f(0) を決定する
f(0)∈{0,−1};f(0)=−1 is impossiblef(0)\in\{0,-1\};\qquad f(0)=-1\ \text{is impossible}
詳しい解説

f(0) を c とおく。a=0、b=c の代入から c+c²=z² となり、平方差の因数分解により c=0 または c=−1。c=−1 なら b=f(a) の代入により、任意の a で f(a)f(2a)−1 が平方数となる。平方数より1大きい数の素因数に関する標準論法から、f(a) の素因数はすべて2または4を法として1に合同で、4の因子はない。特に −4 で成り立つ。一方 a=0、b=3 の代入では f(−4)−3 が平方数なので f(−4) は4を法として3に合同となり、矛盾。したがって f(0)=0。