高校数学の解き方

高校数学の教科書や大学入試の問題を解いています。簡潔で分かりやすい解答、模範解答を目指します。

数学(理系)の第4問(2020京都大学入試)

問題

          第 4 問

 正の整数\; a \; に対して、

   a=3^b c \; \; \; (b,\; c \; は整数で\; c \; \; 3 \; で割り切れない\; ) \;

の形に書いたとき、B(a)=b \; と定める。例えば、B(3^2 \cdot 5)=2 \; である。

 m,\; n \; は整数で、次の条件を満たすとする。

(\mathrm{i}) \; \; \; 1 \leqq m \leqq 30

(\mathrm{ii}) \; \; \; 1 \leqq n \leqq 30

(\mathrm{iii}) \; \; n \; \; 3 \; で割り切れない。

このような\; (m, \; n) \; について

   f(m, \; n)=m^3+n^2+n+3

とするとき、

   A(m, \; n)=B \bigl( f(m, \; n) \bigr)

の最大値を求めよ。また、A(m, \; n) \; の最大値を与えるような\; (m, \; n) \; をすべて求めよ。

 

解答

(\mathrm{i}) \; より、\; k \; を整数とすると、

(ア)\; m=3k \; \; \; (1 \leqq k \leqq 10) \; のとき、\; m^3=(3k)^3=3(9k^3) \;

(イ)\; m=3k+1 \; \; \; (0 \leqq k \leqq 9) \; のとき、\; m^3=(3k+1)^3=3(9k^3+9k^2+3k)+1 \;

(ウ)\; m=3k+2 \; \; \; (0 \leqq k \leqq 9) \; のとき、\; m^3=(3k+2)^3=3(9k^3+18k^2+12k+2)+2 \;

(\mathrm{ii}),\; \; (\mathrm{iii}) \; より、\; l \; を整数とすると、

(エ)\; n=3l+1 \; \; \; (0 \leqq l \leqq 9) \; のとき、\; n^2=(3l+1)^2=3(3k^2+2l)+1 \;

(オ)\; n=3l+2 \; \; \; (0 \leqq l \leqq 9) \; のとき、\; n^2=(3l+2)^2=3(3l^2+4l+1)+1 \;

以上のことから、余りに注目して、余りの合計が\; 3 \; で割り切れるとき、f(m, \; n) \; \; 3 \; で割り切れるから、(イ)と(エ)または(ア)と(オ)のときに限ることがわかる。

 

(イ)と(エ)のとき、\; m=3k+1 \; \; \; (0 \leqq k \leqq 9), \; \; n=3l+1 \; \; \; (0 \leqq l \leqq 9) \; だから、

f(m, \; n)=(3k+1)^3+(3l+1)^2+(3l+1)+3

    =3(9k^3+9k^2+3k+3l^2+3l+2)

ここで、9k^3+9k^2+3k+3l^2+3l+2=3(3k^3+3k^2+k+l^2+l)+2 \; となり、これは\; 3 \; では割り切れない。

よって、c=9k^3+9k^2+3k+3l^2+3l+2として、f(m, \; n)=3^1c \; だから、A(m, \; n)=B ( 3^1c )=1

 

(ア)と(オ)のとき、\; m=3k \; \; \; (1 \leqq k \leqq 10), \; \; n=3l+2 \; \; \; (0 \leqq l \leqq 9) \; だから、

f(m, \; n)=(3k)^3+(3l+2)^2+(3l+2)+3

    =3(9k^3+3l^2+5l+3)

ここで、0 \leqq l \leqq 9 \; だから、l=3j \; \; \; (0 \leqq j \leqq 3) \; とおくと、

f(m, \; n)=3(9k^3+3(3j)^2+5(3j)+3)

  =3^2(3k^3+9j^2+5j+1)

3k^3+9j^2+5j+1 \; \; 3 \; では割り切れるのは、0 \leqq j \leqq 3 \; から\; j=1 \; だけだから、これを代入して、

f(m, \; n)=3^2(3k^3+9\cdot 1^2+5\cdot 1+1)=3^3(k^3+5)

k^3+5 \; \; 3 \; では割り切れるのは、(ア)~(ウ)を参考にして、k \; \; 3 \; で割って\; 1 \; 余る数のときだから、1 \leqq k \leqq 10 \; より、k=1,\; 4,\; 7,\; 10 \;

よって、このとき、f(m, \; n)=3^4c \; と表せるから、A(m, \; n)=B ( 3^4c )=4

 

以上より、A(m, \; n) \; の最大値は、4

このとき、\; m=3k \; \; (k=1,\; 4,\; 7,\; 10 ), \; \; n=3l+2=3\cdot 3j+2=9j+2 \; \; (j=1) \; だから、

(m, \; n)=(3, \; 11),\; \; (12, \; 11),\; \; (21, \; 11),\; \; (30, \; 11)

 

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