MathLabs

第2問

α\alpha、β\beta を正の実数とする。エメラルドは座標平面上で原点 (0,0)(0,0) から旅を始める。毎分、彼女は上に1単位または右に1単位動き、座標平面の領域 ∣x−y∣<2025|x-y|<2025 に自分を限定する。点 (x,y)(x,y) を訪れたとき、彼女はそこに整数 ⌊xα+yβ⌋\lfloor x\alpha+y\beta\rfloor を書き込む。エメラルドはすべての非負整数をちょうど1回ずつ書き込んだことが分かった。このような旅が可能となる (α,β)(\alpha,\beta) の組をすべて求めよ。
ステップ 4/6: 有界性が α+β=2 を強制する
n∣1−α+β2∣<20252(α−β)+1 for all n  ⟹  α+β=2n\left|1-\frac{\alpha+\beta}{2}\right|<\frac{2025}{2}(\alpha-\beta)+1\ \text{for all }n\implies\alpha+\beta=2
詳しい解説

一般性を失わず α≥β\alpha\ge\beta とする。第2段階の xnx_n の評価を zn=⌊nβ+xn(α−β)⌋z_n=\lfloor n\beta+x_n(\alpha-\beta)\rfloor に代入すると、任意の nn について ∣zn−nα+β2∣<20252(α−β)+1\left|z_n-n\frac{\alpha+\beta}{2}\right|<\frac{2025}{2}(\alpha-\beta)+1 を得る。第3段階の zn=nz_n=n を用いると、これは任意の正整数 nn について n∣1−α+β2∣<20252(α−β)+1n\left|1-\frac{\alpha+\beta}{2}\right|<\frac{2025}{2}(\alpha-\beta)+1 となり、右辺は nn に依存しない定数である。α+β≠2\alpha+\beta\neq2 なら n→∞n\to\infty のとき左辺は無限に大きくなり矛盾する。よって α+β=2\alpha+\beta=2 である。