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第3問

kk を正の整数とし、SS を奇素数からなる有限集合とする。SS の元を円周上に並べたとき、隣り合う任意の二元の積が、ある正の整数 xx に対して x2+x+kx^2+x+k の形になるような並べ方が、(回転と鏡映を除いて)高々一通りしかないことを証明せよ。
ステップ 5/6: pq,prpq,pr が両方良ければ qrqr も良いことを示す
(x−α)(y−α)=p(z−α),z=xy−kp,qr=z2+z+k(x-\alpha)(y-\alpha)=p(z-\alpha),\quad z=\frac{xy-k}{p},\quad qr=z^2+z+k
詳しい解説

同じ根 α\alpha を選ぶ。このとき (x−α)(y−α)=xy−(x+y)α+α2=xy−k−(x+y+1)α=p(z−α)(x-\alpha)(y-\alpha)=xy-(x+y)\alpha+\alpha^2=xy-k-(x+y+1)\alpha=p(z-\alpha)、ただし xy≡k(modp)xy\equiv k\pmod p より z=(xy−k)/p∈Zz=(xy-k)/p\in\mathbb Z である。ノルムを取ると p2qr=p2(z2+z+k)p^2qr=p^2(z^2+z+k)、したがって qr=z2+z+kqr=z^2+z+k は良い。z<0z<0 なら −1−z-1-z に置き換えればよい。