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第3問

n2+1n^2+1 が 2n+2n2n+\sqrt{2n} より大きい素因数を持つような正の整数 nn が無限に存在することを証明せよ。
ステップ 1/6: 戦略:先に素数 p を固定し、その下で適切な n を探す
ざっくり言うと

nn を探してから n2+1n^2+1 が大きな素因数を持つことを期待するのではなく、探索を逆にする:先に素数 pp を選び、pp が n2+1n^2+1 を割り切り、かつ nn が十分小さくて pp がすでに 2n+2n2n+\sqrt{2n} を超えるように nn を構成する。

p≡1(mod8),h=⌈p⌉,n≤12(p−h), p∣n2+1  ⟹  p≥2n+2np \equiv 1 \pmod 8,\quad h=\lceil\sqrt p\rceil,\quad n\le\tfrac12(p-h),\ p\mid n^2+1 \implies p\ge 2n+\sqrt{2n}
詳しい解説

p≥2013p\ge2013 を満たす素数 p≡1(mod8)p\equiv1\pmod8 を任意に固定し、h=⌈p⌉h=\lceil\sqrt p\rceil とおく。p∣n2+1p\mid n^2+1 を満たす正の整数 n≤12(p−h)n\le\frac12(p-h) を見つけることを目指す。これに成功すれば p≥2n+h≥2n+pp\ge 2n+h\ge 2n+\sqrt p となる。n≤12(p−h)<p2n\le\frac12(p-h)<\frac p2 より 2n<p2n<p なので 2n<p≤h\sqrt{2n}<\sqrt p\le h となり、p≥2n+h>2n+2np\ge2n+h>2n+\sqrt{2n} を得る。よって pp 自身が 2n+2n2n+\sqrt{2n} を超える n2+1n^2+1 の素因数であり、まさに求めるものである。