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第5問

aa と bb を正の整数とする。4ab−14ab-1 が (4a2−1)2(4a^2-1)^2 を割り切るならば a=ba=b であることを示せ。
ステップ 2/3: モジュラー恒等式による悪い組の対称性の証明
ざっくり言うと

4xy−14xy-1 を法として 4y2−14y^2-1 の中の 11 を (4xy)2(4xy)^2 に置き換えると 4y24y^2 をくくり出し 1−4x21-4x^2 が残るので、(4x2−1)2(4x^2-1)^2 から (4y2−1)2(4y^2-1)^2 へ整除性が移る。

4xy≡1(mod4xy−1)  ⟹  (4y2−1)2≡(4y2−(4xy)2)2=16y4(4x2−1)2≡0(mod4xy−1)4xy \equiv 1 \pmod{4xy-1} \implies (4y^2-1)^2 \equiv \big(4y^2-(4xy)^2\big)^2 = 16y^4(4x^2-1)^2 \equiv 0 \pmod{4xy-1}
詳しい解説

(x,y)(x,y) を任意の悪い組とする。法 4xy−14xy-1 で考えると 1≡(4xy)21 \equiv (4xy)^2 であるから、4xy−1∣(4x2−1)24xy-1 \mid (4x^2-1)^2 より (4y2−1)2≡(4y2−(4xy)2)2=16y4(4x2−1)2≡0(mod4xy−1)(4y^2-1)^2 \equiv \big(4y^2 - (4xy)^2\big)^2 = 16y^4(4x^2-1)^2 \equiv 0 \pmod{4xy-1} となる。よって 4yx−1∣(4y2−1)24yx-1 \mid (4y^2-1)^2 かつ y≠xy \ne x なので (y,x)(y,x) も悪い組である。