数学A 第4章 整数の性質 — 整数の応用
合同式
和・差・積の余り
5+6を4で割った余りは、 5+6=11 であるから、 11=4・2+3 より3である。
これは、5を4で割った余りの1と、6を4で割った余りの2を加えた3と等しい。
すなわち、「足してから割った余り」は、「それぞれの余りを足したもの」をもう一度4で割った余りに等しい。
余りを足しただけでは、そのまま余りになるとは限らない。例えば、 7+6=13 を4で割った余りは1であるが、7を4で割った余りの3と、6を4で割った余りの2を足すと5となる。この5をもう一度4で割った余りが1となり、一致する。 一般的に次のことが言える。
§
定理1和・差・積の余り
2つの整数 a,b を m で割った時の余りを、それぞれ r,r' とすると、次のことが成り立つ。
- a+b を m で割った余りは、 r+r' を m で割った余りと等しい。
- a−b を m で割った余りは、 r−r' を m で割った余りと等しい。
- ab を m で割った余りは、 rr' を m で割った余りと等しい。
- a^n を m で割った余りは、 r^n を m で割った余りと等しい( n は正の整数)。
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証明
a を m で割った商を q 、 b を m で割った商を q' とすると
a=mq+r b=mq'+r'
と表せる。このとき
a+b=m(q+q')+(r+r') a-b=m(q-q')+(r-r') ab=m(mqq'+qr'+q'r)+rr'
となる。
いずれも右辺の第1項は m の倍数であるから、 m で割った余りには影響しない。 よって、 a+b を m で割った余りは r+r' を m で割った余りに等しく、差と積についても同様である。
また、4は3を繰り返し使えばよい。
∎
問題1和・差・積の余り
- 5¹⁰⁰ を4で割った余りを求めよ。
- 2¹⁰⁰ を7で割った余りを求めよ。
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5=4・1+1 であるから、5を4で割った余りは1である。
したがって、和・差・積の余りの4より、 5¹⁰⁰ を4で割った余りは、 1¹⁰⁰=1 を4で割った余り、すなわち 1 である。
2³=8=7・1+1 であるから、 2³ を7で割った余りは1である。
ここで、 100=3・33+1 であるから
2¹⁰⁰=(2³)³³・2
と表せる。 和・差・積の余りの4より、 (2³)³³ を7で割った余りは 1³³=1 であり、同じく3より、 2¹⁰⁰ を7で割った余りは 1・2=2 を7で割った余り、すなわち 2 である。
合同式とは何か
§
定義2合同式
2つの整数 a,b を m で割った時の余りが等しいとき、 a と b は m を法として合同である、といい
a≡ b±od m
と表す。
例えば、17も2も、5で割った余りは2であるから、 17≡2±od5 である。
この記号を使うと、前の小節の和・差・積の余りは、 a≡ r 、 b≡ r' のとき
a+b≡ r+r', a-b≡ r-r', ab≡ rr'
と短く書ける。
また、 a≡ b±od m であることは、 a-b が m の倍数であることと同じである。
実際、 a=mq+r 、 b=mq'+r と余りが等しいとすると
a-b=m(q-q')
となり、 a-b は m の倍数である。 逆に a-b が m の倍数ならば、整数 k を用いて a=b+mk と書けるので、 b=mq'+r より
a=m(q'+k)+r
となり、余りはやはり等しい。
合同式の性質
合同式については、次のことが成り立つ。
§
定理3合同式
a,b,c を整数、 m を正の整数とするとき、次のことが成り立つ。
- a≡ a±odm
- a≡ b±odm ならば、 b≡ a±odm
- a≡ b±odm かつ b≡ c±odm ならば、 a≡ c±odm
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証明
いずれも「差が m の倍数であること」に言いかえて示す。
a-a=0=m・0 であるから、1が成り立つ。
a≡ b±odm ならば、整数 k を用いて a-b=mk と書けるので、 b-a=m(-k) となり、2が成り立つ。
さらに、 b≡ c±odm でもあるとき、整数 l を用いて b-c=ml と書けるので
a-c=(a-b)+(b-c)=m(k+l)
となり、3が成り立つ。
∎
§
定理4合同式の性質
a,b,c,d を整数、 m,n を正の整数とし、以下 m を法とする。 a≡ c かつ b≡ d のとき、次のことが成り立つ。
- a+b≡ c+d
- a-b≡ c-d
- ab≡ cd
- a^n≡ c^n
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証明
仮定より、 a-c と b-d は m の倍数であるから、整数 k,l を用いて a-c=mk 、 b-d=ml とおける。このとき
(a+b)-(c+d)=m(k+l) (a-b)-(c-d)=m(k-l) ab-cd=a(b-d)+d(a-c)=m(al+dk)
となり、いずれも m の倍数であるから、1〜3が成り立つ。
4は、3を繰り返し使えばよい。
∎
問題2倍数の判定
- 3けたの自然数 N の各位の数の和が3の倍数ならば、 N も3の倍数であることを、合同式を使って示せ。
- 1234を11で割った余りを、 10≡-1±od11 であることを使って求めよ。
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N の百の位を a 、十の位を b 、一の位を c とすると、 N=100a+10b+c である。
10≡1±od3 であるから、 10²≡1±od3 となり
N≡ a+b+c±od3
よって、 a+b+c が3の倍数ならば、 N を3で割った余りも0、すなわち N は3の倍数である。
10≡-1±od11 より、 10²≡1 、 10³≡-1 であるから
1234=10³+2・10²+3・10+4 ≡-1+2-3+4 =2±od11
よって、求める余りは 2 である。
整数の応用的な論点
ピタゴラス数
§
定義5ピタゴラス数
a²+b²=c² を満たす自然数の組 (a,b,c) を、ピタゴラス数という。
例えば、 (3,4,5) や (5,12,13) はピタゴラス数である。
§
定理6ピタゴラス数の表し方
a,b,c の最大公約数が1であるピタゴラス数は、 a を奇数、 b を偶数とすると、互いに素で一方が偶数、他方が奇数であるような自然数 m>n を用いて
a=m²-n², b=2mn, c=m²+n²
の形にすべて表せる。 実際、 m=2 、 n=1 とすると (3,4,5) が、 m=3 、 n=2 とすると (5,12,13) が得られる。
中国式剰余定理
§
定理7中国式剰余定理
a,b を整数、 m,n を互いに素な正の整数とするとき、 x≡ a±od m かつ x≡ b±od n を満たす整数 x は、 mn を法としてただ1つ定まる。
例えば、3で割ると2余り、5で割ると3余る整数 x は、 x≡8±od15 、すなわち 8,23,38,… である。
フェルマーの小定理
§
定理8フェルマーの小定理
p を素数とし、整数 a が p の倍数でないとき
a^p-1≡1±od p
が成り立つ。
例えば、 p=7 、 a=2 のとき、 2⁶=64=7・9+1 であるから 2⁶≡1±od7 となる。
最終更新: 2026-08-20
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