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第2問

正の整数の組 (a,b)(a,b) のうち、数列 gcd⁡(an+b,bn+a)\gcd(a^n+b,b^n+a)(n=1,2,…n=1,2,\ldots)が最終的に定数となるのはどのようなものか。
ステップ 4/5: xnx_n を使って a と b を法 M のもとで特定する
ざっくり言うと

xnx_n は xn−1x_{n-1} に等しいので、法 MM も xnx_n を割り切り、すなわち an+ba^n+b と bn+ab^n+a を直接割り切る。ana^n と bnb^n がともに法 MM のもとで 11 であることと合わせると、これは bb と aa のそれぞれが法 MM のもとで −1-1 であることを強制する。

a≡b≡−1(modM)a\equiv b\equiv-1\pmod M
詳しい解説

xn=xn−1x_n=x_{n-1} かつ M∣xn−1M\mid x_{n-1}(ステップ3)なので、M∣xnM\mid x_n でもあり、したがって M∣an+bM\mid a^n+b かつ M∣bn+aM\mid b^n+a である。an≡1,bn≡1(modM)a^n\equiv1,b^n\equiv1\pmod M を用いると、0≡1+b(modM)0\equiv1+b\pmod M および 0≡1+a(modM)0\equiv1+a\pmod M が得られ、すなわち a≡b≡−1(modM)a\equiv b\equiv-1\pmod M である。