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X^3+Y^3=Z^3の証明方法とは?
- X^3+Y^3=Z^3の証明方法について考えています。
- Xが2桁の数の時に限って成り立つ自然数組の証明方法を教えてください。
- (3)と(4)の証明方法が分からずに困っています。
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Xが2桁の数の時に限って、X^3+Y^3=Z^3が成り立つ整数組があると仮定し次の様な証明方法を考えて、教授と呼ばれた方に見て頂いたら、まとめ方の稚拙さはともかく、(3)(4)の証明方法の間違いを指摘頂きました。改めて考えましたので訂正できたかどうか、下げて易しく添削指導お願いします。 設問 Xが2桁の数の時、X^3+Y^3=Z^3 が成り立つ自然数組があったと仮定する。(X<Y<Z とし X Y Z は正の整数とする。) X Y Zのそれぞれ最上位桁の数を A a2 a1 それ以外の桁の数を B b2 b1 と置くと X Y Z は X = A + B Y = a2 + b2 Z = a1 + b1 ( 例えば、X=45, Z=123, の時 X=A+B=40+5 Z=a1+b1=100+23 という表し方をする。) と表す事ができる。そうすると、X^3 Y^3 Z^3 は X^3 = A^3 +3A^2B + 3AB^2 + B^3 Y^3 = a2 ^3 +3a2^2 b 2 + 3a2b2^2 + b2^3 Z^3 = a1^3 +3a1^2b1 + 3a1b1^2 + b1^3 と表す事ができる。 X^3 + Y^3 = Z^3 を移項して X^3 = Z^3 -Y^3 と表すと、右辺を a1^3 - a2^3 → A^3 と表しその時の過不足分を(±∆a)と表すと イ) a1^3 - a2^3 = A^3 + (±∆a) となり、 b1^3-b2^3 → B^3 と表しその時の過不足分を(±∆b)と表すと ロ) b1^3-b2^3=B^3+(±∆b) となる。そうすると (3a1^2b1+3a1b1^2)-(3a2^2b2 +3a2b2^2) → (3A^2B +3AB^2)と表すと イ) ロ)より(±∆a),(±∆b)の記号が逆に表されるので ハ)(3a1^2b1+3a1b1^2)-(3a2^2b2+3a2b2^2)=(3A^2B+3AB^2)+(∓∆a)+(∓∆b) となる。 ここで (3A^2B+3AB^2) = W と表すと 右辺(Z^3‐Y^3) は {A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b) } となる。一方左辺 X^3は X^3= A^3 +W +B^3 となる。そうすると X^3= Z^3 ―Y^3 は A^3+W+B^3 ={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b) } と表される。この時 X^3 = Z^3 - Y^3 が成り立つと仮定した時の成り立つ形は (1) A^3+W={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)} (2) W+B^3 ={W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b)} (3)W ={W+(∓∆a)+(∓∆b)} (4)A^3≠{A^3+(±∆a)}かつ W≠{W+(∓∆a)+(∓∆b)} かつ B^3≠{B^3+(±∆b)} の4つの形となる。これよりXが2桁の数の時,X^3+Y^3=Z^3 が成り立つかどうかは,(1)(2)(3)(4)を証明すれば良い事が分かる。 証明 (1)が成り立つと仮定した時 A^3+W={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)} を移項すると A^3-A^3+W-W+(∓∆a)+(±∆a)= (∓∆b) 0= (∓∆b) これより b1^3-b2^3=B^3が成り立つ事となる。これはXが1桁の数の時 X^3=Z^3-Y^3が成り立つ事であるので表-1より(表-1は省略します。)成り立つ所があるかどうか捜して見ると、成り立つ所がないのでこれより(1)の形で成り立つと仮定した事と矛盾するので、(1)の形で成り立つと仮定した事が間違いであることがわかる。 (2)が成り立つと仮定した時 W+B^3 = {W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b)}を移項すると W-W+B^3-B^3+(±∆b)+(∓∆b) = (∓∆a) 0= (∓∆a) これより a1^3 -a2^3 = A^3 が成り立つ事がわかる。ここでA^3, (a1^3-a2^3) の集合を考えて見ると A^3の集合は A^3=10^3 20^3 30^3 ~ 90^3 (a1^3-a2^3) の集合は(a1>a2の時) 20^3-10^3 30^3-20^3 30^3-10^3 40^3-30^3 40^3-20^3 40^3-10^3 ¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬¬ ---- ---- ---- 100^3-90^3 ~ 100^3-10^3 ---- ---- となる。A^3 a1^3-a2^3 の双方に1/10をかけるとゼロを取る事ができるので 、これはXが1桁の数の時, X^3=Z^3-Y^3が成り立つ事と同じであるので表-1より成り立つ所があるかどうかを捜して見ると、成り立つ所がないのでこれより(2)の形で成り立つと仮定した事と矛盾するので、(2)の形で成り立つと仮定した事が間違いである事がわかる。
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(3)が成り立つと仮定した時 W = {W+(∓∆a)+(∓∆b)} を移項すると W-W+(±∆a) = (∓∆b) (±∆a)= (∓∆b) ニ)( -∆a)=(+∆b)と、ホ)(+∆a)=(-∆b)の2つに分けて考えて見る。 ニ)(-∆a)=(+∆ b)の時 (-∆a)=-1000 ,-2000, -3000,~ と-1000の倍数となるので、そうすると(+∆b)=+1000,+2000,+3000,~ となる。繰り上がりが+1000の倍数となるにはb1は2 桁の数となるので、繰り上がり+5000の時を考えて見ると 18^3=5832よりb1 =18とした時18^3 -b2^3=B^3+(+5000)が成り立ったと仮定した時Zは最小118となる。右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)}を最小にする為に2桁のY=99を取り、左辺のWを最大になる様にX=98をとる。 この時右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)}と左辺のWを見比べると {W+(∓∆a)+(∓∆b)}=(3×100^2×18+3×100×18^2)-(3×90^2×9+3×90×9^2) =396630 W=(3×90^2×8)+(3×90×8^2) =211680 211680<396630 となる。 {W+(∓∆a)+(∓∆b)}を小さくする為にはZ(b1)を小さくすれば良い訳であるがそ の前、a1^3-a2^3=A^3+(-∆a)を見ると、 100^3-90^3=90^3+(-458000)、となりA=90と表されるには 、 b1^3-b2^ 3 =B^3+(+458000)となり、繰り上がり5000を考えた時大きく足りない事がわかる。b1に大きな数を取ると益々、{W+(∓∆a)+(∓ ∆b)} が大きな数となりW<{W+(∓∆a)+(∓∆b)}となる。これより、X=10~98まではW={W+(∓∆a)+(∓ ∆b)}で成り立つと仮定した事と矛盾するので、成り立つと仮定した事が間違いである事が分る。 次にX=99の時を考えてみると、Z,Y, は最小3桁の数となり、チ)a1>a2,とリ)a1=a2 の2種類ある。 チ)a1>a2 の時は a 2 は最小100となるなでそうするとa1は最小200となる。 a1^3-a2^3=200^3-100^3=90^3+(+6271000)となり(+∆b)からの繰り上がりがいらない事がわかる。a1=300.400.500.~となると(+∆a)が益々大きな数となるのでこれは除外される事がわかる。 リ)a1=a2の時 a1 a2 とも 100 の時を見ると 100^3-100^3=90^3+(-729000)と表されるので、そうすると b1^3-b2^3=B^3+(+729000)と表される事となるので、90^3=729000 よりb1=90 最小のb2=00を取る。 90^3-00^3=0^3+(+729000)となる。この時右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)}と左辺のWを見比べて見ると {W+(∓∆a)+(∓∆b)}=(3×100^2×90+3×100×90^2)-(3×100^2×00+3×100×00^2) =5130000 W=(3×90^2×9)+(3×90×9^2)=240570 240570<5130000となる。右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)}を小さくする為にはb2を大きくすれば良いのでb1=99を取るとb2は、99^3-729000=b2^3→b2=62.256よりb2=63として右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)}を見ると {W+(∓∆a)+(∓∆b)}=(3×100^2×99+3×100×99^2)-(3×100^2×63+3×100×63^2) =2829600 240570<2829600 となる。a1 =a2 =200,300,400,~ となると益々右辺の{W+(∓∆a)+(∓∆b)} が大きな数となるので、X=99の時もW ={W+(∓∆a)+(∓∆b)}となる所が無いので(3)の形で成り立つと仮定した事が間違いである事がわかる。 ニ)(+∆a)= (-∆b) の時 両辺にマイナスをかけると -(+∆a)=-(-∆b) → (-∆a)=(+∆b)となりホ)と同じとなる。以上より(3)W={W+(∓∆a)+(∓∆b)}の形で成り立つ所がないので(3)の形で成り立つと仮定した事が間違いである事がわかる。 (4) A^3≠A^3+(±∆a) かつW^3 ≠{W^3+(∓∆a)+(∓∆b) }かつ B^3≠B^3+(±∆b) の時 A^3+W+B^3 ={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b) }を移項して A^3+W+B^3-(±∆a)-{W+(∓∆a)+(∓∆b)}-{B^3+(±∆b) }=A^3 として A^3のみを残すと、A^3=A^3となる。右辺のA^3はa1^3-a2^3 = A^3 + (±∆a)の(±∆a)がゼロの時であるのでこれより(2)と同じとなる。同様に A^3+W+B^3 ={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b) }移項して A^3+W+B^3 -{A^3+(±∆a)}-{(∓∆a)+(∓∆b)}-{B^3+(±∆b) }=W W のみを残すと、W=Wとなる。右辺のWは、{W+(∓∆a)+(∓∆b)}の(±∆a)= (∓∆b)の時であるので、(3)と同じとなる。同様に、 A^3+W+B^3 ={A^3+(±∆a)}+{W+(∓∆a)+(∓∆b)}+{B^3+(±∆b) }を移項して A^3+W+B^3 -{A^3+(±∆a)}-{W+(∓∆a)+(∓∆b)}-(±∆b)=B^3 B^3のみを残すと、B^3=B^3となる。右辺のB^3 はb1^3-b2^3=B^3+(±∆b)の(±∆b)がゼロの時であるのでこれより(1)と同じとなる。これより(4)が成り立つには、(1)(2)(3)のいずれかが成り立つ事となる。(1)(2)(3)のいずれも成り立つと仮定した事が間違いであったので、(4)の形で成り立つと仮定した事も間違いである事が分かる。これよりXが2桁の数の時、X^3+Y^3=Z^3が成り立つと仮定した事が間違いである事が分かる。 (終わり)
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V = {(x,y,z) | x^2 + y^2 + z^2 <= a^2, x^2 + y^2 <= b^2} (a>b>0)の体積|V| 次の立体V = {(x,y,z) | x^2 + y^2 + z^2 <= a^2, x^2 + y^2 <= b^2} (a>b>0)の体積|V|を求めよ、 という問題で答えは |V| = 2*∫∫_[x^2 + y^2 <= b^2] √(a^2 - x^2 - y^2) dx dy = (4π/3)(a^3 - √{(a^2 - b^2)^3}). となっています。 この問題の途中で、これ以上積分が出来そうにない部分が出てきますので、どうか助けてください。自分のやったところまで書きますと |V| = 2*2*∫[0,b] dx 2*∫[0,√(b^2 - x^2)] √(a^2 - x^2 - y^2) dy = 8*∫[0,b] [(1/2){y√(a^2 - x^2 - y^2) + (a^2 - x^2) arcsin(y√(a^2 - x^2))}]_[0,√(b^2 - x^2)] = 4*∫[0,b] √(b^2 - x^2)√(a^2 - b^2) + (a^2 - x^2) arcsin{√(b^2 - x^2)/√(a^2 - x^2)} dx …ここが、「これ以上積分が出来そうにない部分」です(実際、計算機でもこれ以上は計算してくれません)。 ただ、本に載っている例の値 a=1, b=1/2 を入力すると 1.46809 という答えになり、本の答え (4π/3)(a^3 - √{(a^2 - b^2)^3}) に a=1, b=1/2 を入力した場合とまったく同じ答えになります。 さて、手計算で (4π/3)(a^3 - √{(a^2 - b^2)^3}) を求めるにはどうすればよいのでしょうか?
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お礼
順を追って、添削指導頂きありがとうがざいました。 確かに ー です。 (1)(2)(3)(4) の P Q は、超難解みたいです。