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今日の1問は、中2数学。一見すると手がかりの少ない整数問題ですが、式の対称性に気づくと解がきれいに整理できます♪
今日の問題
x,y を整数とする。x < y で、x2 + xy + y2 = 3367 を満たす組 (x, y) をすべて求めよ。

まずヒント
x2+xy+y2 を 4 倍すると、平方の形に直せます。
まず x,y がどちらも正の場合だけを探し、そこから他の解を作ります。
解き方
ステップ1 平方の形にする
両辺を 4 倍すると、(2x + y)2 + 3y2 = 13468 になります。
ステップ2 正の解の範囲をしぼる
0 < x < y の場合、3367 = x2 + xy + y2 < 3y2 より y2 > 1122 なので y ≧ 34 です。また y2 < 3367 より y ≦ 58 です。
ステップ3 y = 34〜58 を調べる
(2x + y)2 = 13468 − 3y2 が平方数になるか確かめます。平方数になるのは、y = 34(10000 = 1002),y = 43(7921 = 892),y = 53(5041 = 712),y = 57(3721 = 612)の 4 つだけで、x はそれぞれ 33,23,9,2 です。
ステップ4 他の解を作る
x2 + xy + y2 = {x2 + y2 + (x + y)2} ÷ 2 と書けるので、x,y,−(x + y) の 3 つの数は対等です。(2, 57) からは 3 数 2,57,−59 が得られ、この中から 2 つを選んで小さい順に並べると (−59, 2),(−59, 57),(2, 57) の 3 組です。符号を反転した −2,−57,59 からも (−57, −2),(−57, 59),(−2, 59) が得られます。どの整数解も、必要なら符号を反転すると「2 つが正、1 つが負」の 3 数になるので、上の正の解から必ず作れます。
ステップ5 数え上げる
正の解 4 つそれぞれから 6 組ずつ得られるので、合計 4 × 6 = 24 組です。
答え
24組
(−67, 33),(−67, 34),(−66, 23),(−66, 43),(−62, 9),(−62, 53),(−59, 2),(−59, 57),(−57, −2),(−57, 59),(−53, −9),(−53, 62),(−43, −23),(−43, 66),(−34, −33),(−34, 67),(−33, 67),(−23, 66),(−9, 62),(−2, 59),(2, 57),(9, 53),(23, 43),(33, 34)
ひらめきで解く方法
3 つの数 x,y,−(x + y) が対等、という見方がひらめきの核心です。正の解を 4 つ見つければ、残りは「選んで並べ替える」「符号を反転する」で全部作れます。
3367 = 7 × 13 × 37 で、どの素因数も 3 で割ると 1 余る素数です。だから x2+xy+y2 の形で表しやすく、解もたくさんあります。
間違えやすいところ
- x < y の条件を忘れて、(x, y) と (y, x) を別々に数えてしまう。
- 正の解だけを見つけて、負の数を含む解を落とす。
- y の範囲をしぼらず、手当たり次第に代入して時間がかかる。
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