shaitan's blog

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京大2014年前期理系問題5

自然数a,bはどちらも3で割り切れないが、a^3+b^3は81で割り切れる。このようなa,bの組(a,b)のうち、a^2+b^2の値を最小にするものと、そのときのa^2+b^2の値を求めよ。

a^3+b^3=(a+b)^3-3ab(a+b)が3で割り切れることよりa+bは3の倍数。
a^3+b^3=(a+b)\left\{(a+b)^2-3ab\right\}である。(a+b)^2は9の倍数であり、3abは3の倍数だが9の倍数でないから\{\}内は3の倍数だが9の倍数でない。従ってa+bは27の倍数。つまりa+b\geq27
a,bは3で割り切れずa+bは3の倍数なのでa,bは相異なる。これより(a-b)^2\geq1であるから、a^2+b^2=\dfrac{(a+b)^2+(a-b)^2}2\geq\dfrac{27^2+1}2=365となる。
等号成立条件はa+b=27, (a-b)^2=1であるから、(a,b)=(13,14), (14,13)のときa^2+b^2は最小値365となる。