横国大理系2015:第4問


自然数を \(2\) 個以上の連続する自然数の和で表すことを考える. たとえば, \(42\) は \(3 +4 + \cdots +9\) のように \(2\) 個以上の連続する自然数の和で表せる. 次の問いに答えよ.

  1. (1) \(2020\) を \(2\) 個以上の連続する自然数の和で表す表し方をすべて求めよ.

  2. (2) \(a\) を \(0\) 以上の整数とするとき, \(2^a\) は \(2\) 個以上の連続する自然数の和で表せないことを示せ.

  3. (3) \(a , b\) を自然数とするとき, \(2^a (2b+1)\) は \(2\) 個以上の連続する自然数の和で表せることを示せ.


【 解 答 】

(1)

自然数 \(N\) が, \(m \ ( m \geqq 1 )\) で始まる \(k \ (k \geqq 2)\) 個の自然数の和で表せる条件を考える.
\[\begin{align} N & = m +(m+1) + \cdots +(m+k-1) \\ & = \dfrac{k ( 2m+k-1 )}{2} \end{align}\] なので \[ 2N = k ( 2m+k-1 ) \quad ... [1] \] ここで, 「 \(k\) と \(2m+k-1\) は奇偶が異なる 」... [2] .
また, \(m \geqq 1\) , \(k \geqq 2\) なので \[\begin{align} 2N & \geqq k (k+1) \gt k^2 \\ \text{∴} & \quad 2 \leqq k \lt \sqrt{2N} \quad ... [3] \end{align}\] [2] [3] に注意して, [1] をみたす \(k , m\) を求めればよい.
\(N = 2020\) のとき \[ 2N = 2^3 \cdot 5 \cdot 101 , \ 31 \lt \sqrt{2N} = 2 \sqrt{1010} \lt 32 \] なので, \(k\) の候補は \[ k = 5 , 8 , 40 \] - \(k = 5\) のとき \[\begin{align} 2m +4 &= 808 \\ \text{∴} \quad m & = 402 \end{align}\] - \(k = 8\) のとき \[\begin{align} 2m +7 &= 505 \\ \text{∴} \quad m & = 299 \end{align}\] - \(k = 40\) のとき \[\begin{align} 2m +39 &= 101 \\ \text{∴} \quad m & = 31 \end{align}\] よって, 求める表し方は, 以下の \(3\) 通り. \[ 2020 = \underline{\left\{ \begin{array}{l}402 +403 +\cdots +406 \\ 299 +300 +\cdots +306 \\ 31 +32 +\cdots +70 \end{array} \right.} \]

(2)

\(N = 2^a\) のとき, [1] より \[ 2^{a+1} = k ( 2m +k -1 ) \] [2] より, \(k = 1\) だけが候補であるが, [3] をみたさず不適.
よって, 題意は示された.

(3)

\(N = 2^a (2b+1)\) のとき, [1] より \[ 2^{a+1} (2b+1) = k ( 2m +k -1 ) \] [2] [3] に注意すれば, これをみたす \(k , m\) の組として \[ ( k , m ) = ( 2b+1 , 2^a -b ) \] が存在する.
よって, 題意は示された.

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