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第1問

四つの相異なる正の整数からなる任意の集合 A={a1,a2,a3,a4}A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\} に対し、和 a1+a2+a3+a4a_1+a_2+a_3+a_4 を sAs_A と表す。1≤i<j≤41\le i<j\le4 を満たす組 (i,j)(i,j) のうち ai+aja_i+a_j が sAs_A を割り切るものの個数を nAn_A とする。nAn_A の取り得る最大値を達成する、四つの相異なる正の整数からなる集合 AA をすべて求めよ。
ステップ 1/5: 最大の二つの対の和を評価する
ざっくり言うと

最大の元を含む二つの和は sA の半分と sA の間に厳密に挟まれるため、どちらも sA を割り切れない。

sA2<a2+a4, a3+a4<sA\dfrac{s_A}{2} < a_2+a_4,\ a_3+a_4 < s_A
詳しい解説

四数を a1<a2<a3<a4a_1<a_2<a_3<a_4 の順に並べる。a2>a1a_2>a_1 と a4>a3a_4>a_3 から 2(a2+a4)>sA2(a_2+a_4)>s_A が、a3>a1a_3>a_1 と a4>a2a_4>a_2 から 2(a3+a4)>sA2(a_3+a_4)>s_A が従い、a2+a4a_2+a_4、a3+a4a_3+a_4 はともに sAs_A より小さいことも明らかである。sA/2s_A/2 と sAs_A の間にある数は sAs_A を割り切れないので、この二つの和はどちらも sAs_A を割らず、sAs_A を割りうるのは四つの和 a1+a2, a1+a3, a1+a4, a2+a3a_1+a_2,\ a_1+a_3,\ a_1+a_4,\ a_2+a_3 のみとなる。よって nA≤4n_A\le4。