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第5問

ff を整数全体の集合から正の整数全体の集合への関数とする。任意の二つの整数 mm と nn に対し、差 f(m)−f(n)f(m)-f(n) が f(m−n)f(m-n) で割り切れると仮定する。f(m)≤f(n)f(m)\le f(n) を満たすすべての整数 mm と nn に対して、f(n)f(n) が f(m)f(m) で割り切れることを証明せよ。
ステップ 4/5: このような三つ組に対する挟み込み補題
ざっくり言うと

三つの値を大きい順に並べる。最大の値は他の二つの差を割り切るが、その差は小さすぎて 0 以外にはなり得ないので、小さい二つの値は一致し、それが最大の値を割り切ることは明らかである。

b=c and b∣ab=c\ \text{and}\ b\mid a
詳しい解説

正の整数 a,b,ca,b,c が c∣a−bc\mid a-b、b∣a−cb\mid a-c、a∣b−ca\mid b-c を満たすとし、a≥b≥c>0a\ge b\ge c>0 となるよう並べる。このとき b≤ab\le a、c>0c>0 より 0≤b−c<a0\le b-c<a であり、a∣b−ca\mid b-c は b−c=0b-c=0、すなわち b=cb=c を強制する。これを b∣a−cb\mid a-c に代入すると b∣a−bb\mid a-b となり、よって b∣ab\mid a。したがって b=c and b∣ab=c\ \text{and}\ b\mid a:三つの値のうち小さい二つは一致し、その共通の値が最大の値を割り切る。