p^q+q^pの形の素数 / 2016 京都大学・理系 第2問

問題

素数  p,  q を用いて  p^q+q^p と表される素数をすべて求めよ。

解説の pdf も作りました。きれいなレイアウトで読みたい方はこちらをどうぞ。

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特殊なケースをつぶす

まずは特殊なケースとして「 p=q でもいいか」「2 を含むかどうか」を調べます。

 p=q のとき与式は  2p^p で,これは 2 より大きい偶数なので素数ではありません。

 p,  q が両方とも奇数のときも与式は 2 より大きい偶数になるので不適。

 p,  q の一方は偶数で,もう一方は奇数です。 p=2 として一般性を失いません。

 f(q)=2^q+q^2 とおきます。 q は 3 以上の奇数です。

実験して証明

 f(q) が素数になる条件,といわれてもピンとこないので実験してみましょう。

 f(3)=2^3+3^2=8+9=17 は OK。 f(5)=2^5+5^2=32+25=57=3\times 19 は NG。

 q\geqq 5 の場合を  \bmod\, 3 で考えます。
 q\not\equiv 0 より  q^2\equiv 1 で, 2^q\equiv (-1)^q=-1 も言えます。

 f(q)\equiv -1+1=0

 f(q) は 3 の倍数です。 q \geqq 5 より  f(q)>3 なので,これは素数ではありません。5 以上の  q はすべて NG です。

以上から条件をみたす素数は  \{p,\, q\}=\{2,\, 3\} のときの  \bf{17} だけです。


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