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第2問

n≥2n\ge2 かつ σ(n)p(n)−1=n,\frac{\sigma(n)}{p(n)-1}=n, を満たす整数 nn をすべて求めよ。ただし σ(n)\sigma(n) は nn の正の約数の総和を表し、p(n)p(n) は nn の最大の素因数を表す。
ステップ 3/3: k=1 と k=2 を調べて n=6 を得る
k=1⇒σ(pα)=1+p+⋯+pα≡1(modp) ⟹ n∤σ(n);k=2⇒n=2α3β, α=β=1⇒n=6k=1\Rightarrow\sigma(p^\alpha)=1+p+\cdots+p^\alpha\equiv1\pmod p\ \Longrightarrow\ n\nmid\sigma(n);\qquad k=2\Rightarrow n=2^\alpha3^\beta,\ \alpha=\beta=1\Rightarrow n=6
詳しい解説

k=1k=1 なら n=pαn=p^\alpha であり σ(n)=1+p+⋯+pα≡1(modp)\sigma(n)=1+p+\cdots+p^\alpha\equiv1\pmod p となるため、nn は σ(n)\sigma(n) を割り切れず不可能。よって k=2k=2, p1=2p_1=2, p2=3p_2=3, n=2α3βn=2^\alpha3^\beta(α,β≥1\alpha,\beta\ge1)であり、等式は σ(n)/n=p2−1=2\sigma(n)/n=p_2-1=2 を要求する。しかし σ(n)/n=(1+12+⋯+12α)(1+13+⋯+13β)≥(1+12)(1+13)=32⋅43=2\sigma(n)/n=(1+\tfrac{1}{2}+\cdots+\tfrac{1}{2^\alpha})(1+\tfrac{1}{3}+\cdots+\tfrac{1}{3^\beta})\ge(1+\tfrac{1}{2})(1+\tfrac{1}{3})=\tfrac{3}{2}\cdot\tfrac{4}{3}=2 であり、等号成立は α=β=1\alpha=\beta=1 のときに限る。ゆえに唯一の解は n=21⋅31=6n=2^1\cdot3^1=6 である。