MathLabs

第5問

pp が素数であるような正の整数の組 (a,b,p)(a,b,p) で ap=b!+pa^p=b!+p を満たすものをすべて求めよ。
ステップ 1/6: pp 進付値とウィルソンの定理で bb を評価する
ざっくり言うと

b!b! がすでに pp の因子を二つ含んでいれば、b!+pb!+p は pp の因子をちょうど一つしか持たず、それは完全な pp 乗数には決して起こり得ない。

b≤2p−2b\le2p-2
詳しい解説

b≥2pb\ge2p ならば p2∣b!p^2\mid b! となり vp(b!+p)=1v_p(b!+p)=1 となるが、これは完全な pp 乗数 apa^p には起こり得ない。b=2p−1b=2p-1 の場合は別に除外する:(2p−1)!+p=p[(p−1)!(p+1)(p+2)⋯(2p−1)+1](2p-1)!+p=p\big[(p-1)!(p+1)(p+2)\cdots(2p-1)+1\big] であり、ウィルソンの定理により括弧内は p>2p>2 で ≡2(modp)\equiv2\pmod p となるので、再び pp による整除性と矛盾する。p=2p=2 の場合、3!+2=83!+2=8 は平方数ではない。したがって b≤2p−2b\le2p-2 である。