第307問の解答


問題 [平面図形 ]

問題図

上の図のような二等辺三角形A、Bがそれぞれたくさんあります。

いま、この2種類の三角形を何枚か使い、隙間がないように並べて三角形を作ります。
例えば、三角形三角形1枚ずつ使った場合は、上の図の右のような三角形が出来ますね。

このとき、使う三角形枚数の合計)として考えられるもののうち、2ケタでかつ素数であるものをすべて答えて下さい。


解答例1[算数]

ステップ ばい ステップさん、Toru Fukatsuさん、有無相生さん

問題の三角形は図1のように、正五角形を分割してつくることができます。

参考図1

(補題1)A、Bの2つの辺a、bの比、面積比は、(1+√5)/2・・・無理数

三角形斜辺の長さa底辺の長さbとし、辺の比a/b=とおきます)を求めてみます。

図2より、A+Bの三角形はと相似、
よって、(ab):aab
  1+b/aa/b
  
1+1/xx
  x2−x−1=0
この2次方程式正の根より、=(1+√5)/2と求まるので、辺の比a/b無理数となります。

次に、三角形面積比を求めます。

図2より、
  x2
よって、
 A/Bx2−1==(1+√5)/2となり、これも無理数となります。

(補題2)題意のような三角形(合成三角形と呼びます)はAまたはBと相似なものに限る

合成三角形は、またはと相似なものに限ることが次のようにして分かります。

合成三角形を敷き詰めて作るので、3つ頂点角度は、または頂点角度、あるいはこれらのになります。
ところが、A、B頂点角度は、いずれも36度の倍数なので、合成三角形頂点角度も、36度の倍数となります。

これらを小さい順にk1×36度、k2×36度、k3×36度、とおくと、
 k1×36度+k2×36度+k3×36度=180度
従って、k1k2k3=5となります。

この条件を満たすのは、k1=1、k2=1、k3(三角形)またはk1=1、k2=2、k3(三角形)しかありません。

(補題3)合成三角形は敷き詰めるA、Bの個数は一意的に決まる

ある合成三角形で敷き詰めるたとき、の個数の組み合わせ方が2通りあったと仮定します。
すると、この合成三角形面積が、2組の整数p、qとp'、q'により、
 p+q=p'+q'と表されることになります。

これより、(p−p')A=(q'−q)B、
よって、A/B=(q'−q)/(p−p')となり、A/B無理数であることに反します。

従って、A、B個数は一意的に決まります。
 

また、合成三角形各辺の長さは、A、B辺の長さの和となりますが、いずれか一辺の長さが決まれば残りの二辺も決まります。

そこで、合成三角形、およびこれを敷き詰めるA、B個数合計を、次のように名付けることとします。
(ただし、≧0、≧0で、いづれかは0でない整数)

  • と相似で、底辺の長さがma+nbと表せる合成三角形 ・・・ A(m、n)
    これらを敷き詰めるA、B個数合計           ・・・ P(m、n)
     

  • と相似で、斜辺の長さがma+nbと表せる合成三角形 ・・・ B(m、n) 
    これらを敷き詰めるA、B個数合計           ・・・ Q(m、n)

残るは、A(m、n)、B(m、n)をどう敷き詰めるかだけになります。

(補題4)P(m、n)=(3m+n)(m+n)、Q(m、n)=(m+n)2+ m2

まず、A(m、n)について考えます。

参考図2

図4のように、A(m、n)は、

  • A(0,1)=A ・・・ 2

  • Aと相似で底辺の長さがaのもの=A(1,0) ・・・ 2

  • Bと相似で斜辺の長さがaのもの=B(1,0) ・・・ 2mn個

に分割できます。

また、図5、6より、A(1,0)=2AB、およびB(1,0)AB と分かるので、
 A(m、n)
=n2A+m2(2AB)+2mn(AB
=(2m2+2mn+n2A+(m2+2mn)B

よって、P(m、n)
=(2m2+2mn+n2)+(m2+2mn)
3m2+4mn+n2
=(3m+n)(m+n)

 

次に、B(m、n)について考えます。

参考図3

図5のように、B(m、n)は、

  • B(0,1)=B ・・・ 2

  • Bと相似で斜辺の長さがaのもの=B(1,0)・・・ 2

  • A(0,1)=A  ・・・ 2mn個

に分割できます。

従って、B(m、n)
=n2+m2AB)+2mnA
=(m2+2mn+n2A+m2B

よって、Q(m、n)
=(m2+2mn+n2)+m2
(m+n)2+m2

 

補題4より、P(m、n)=(3m+n)(m+n)となるが、これが素数となるには、m+n=1でなければならない。
このとき、m=0、n=1またはm=1、n=0となり、3m+n≦3(m+n)=3となるので2桁の整数にはならない。

よって、と相似な合成三角形は題意を満たさない。

補題4より、Q(m、n)=(m+n)2+m2となり、これが2桁以下の整数となるものは下表のとおり。

参考図4

題意を満たす2桁の素数となるのは、
 13、17、29、37、41、53、61、73、89、97
10通りとなります。(図8、図9参照)

参考図5

参考図6

答: 13、17、29、37、41、53、61、73、89、97

以上