MathLabs

第2問

a1,a2,…a_1, a_2, \dots を、正の項と負の項をそれぞれ無限に含む整数列とする。任意の正の整数 nn に対して、a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n を nn で割った余りが nn 通りとも互いに異なるとする。このとき、すべての整数がこの数列にちょうど一回ずつ現れることを証明せよ。
ステップ 2/5: 添字が近い項は値も離れすぎない
ざっくり言うと

初めの二つの項が大きく離れていれば、その差自体が十分小さな nn となり、両者の余りが衝突してしまう。

i<j ⟹ ∣ai−aj∣<ji<j\ \Longrightarrow\ |a_i-a_j|<j
詳しい解説

ある i<ji<j に対し ∣ai−aj∣≥j|a_i-a_j|\ge j と仮定し、n=∣ai−aj∣≠0n=|a_i-a_j|\ne0(前のステップより非零)とおく。すると i<j≤ni<j\le n なので両方の添字は [1,n][1,n] に属し、nn の作り方から ai≡aj(modn)a_i\equiv a_j\pmod n となる。これは a1,…,ana_1,\dots,a_n が nn で割った余りとして nn 通り異なるという仮定に反する。よって i<ji<j のとき常に ∣ai−aj∣<j|a_i-a_j|<j である。