京大理系2016:第2問


素数 \(p , q\) を用いて \[ p^q +q^p \] と表される素数をすべて求めよ.


【 解 答 】

\(M = p^q +q^p\) とおく.
\(p , q\) は素数なので, \(2\) 以上であり, 対称性から \(p \geqq q \ ... [1]\) と仮定してもよい.
このとき \[ M \geqq 2 \cdot 2^2 = 8 \quad ... [2] \] ゆえに, \(2\) 以外の素数は奇数だから, \(M\) は奇数である.
したがって, \(p , q\) のいずれかは偶数であり, [1] より \[ q = 2 \] 次に, \(p\) が \(5\) 以上の素数であると仮定する.
\(p\) は \(2 , 3\) のいずれでも割り切れないので, 自然数 \(k\) を用いて \[ p = 6k \pm 1 \] と表せる.
このとき, 法を \(3\) として \[\begin{align} p^2 & \equiv ( \pm 1 ) \equiv 1 , \\ 2^p & \equiv 2 \cdot 64^k , 32 \cdot 64^{k-1} \equiv 2 , 32 \equiv 2 \\ & \quad \text{∴} \quad M \equiv 1+2 \equiv 0 \end{align}\] つまり, \(M = 3\) だが, これは [2] に矛盾する.
したがって \[ p = 3 \] このとき \[ M = 3^2 +2^3 = 17 \] で, 素数である.
よって, 求める素数は \[ \underline{17} \]

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