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剰余系の構成(整数の問題)
難易度:  
?ごみ 2010/06/16 20:09
任意に奇素数pを与える。
F_p = Z/pZ とする。(同型を固定した)
B=Sym(F_p) とする。
各f∈Bに対して、A_f={xf(x)|x∈F_p}とおく。
このとき、max_[f∈B]|A_f| を求めよ。

(注意)
一般に、有限集合Xに対して、Sym(X)というのは、
XからXへの全単射全体の集合を表しています。
|Sym(X)| = |X|! < ∞ がいえますから、
問題文のmaxはきちんと存在しています。
Answerm=max_[f∈B]|A_f| とおく。
当然、m≦pであるといえる。

m=pであると仮定する。
このとき、あるf∈Sym(F_p)が存在して、
|A_f| = p が成立している。

すぐわかるように、f(0)=0である。
よって、A=A_f\{0} とおくと、
A = (F_p)* であり、
Π_[y∈A]y = (p-1)! = -1
がいえるが、一方、
Π_[y∈A]y = Π_[x∈A]x*f(x)
= {Π_[x∈A]x}*{Π_[x∈A]f(x)}
= (p-1)!*(p-1)! = (-1)*(-1) = +1
これは明らかに矛盾である。

したがって、m≦p-1 がいえた。

次に、|A_f| = p-1 を満たすような
f∈Sym(F_p)の存在を示す。
これがいえれば、m≦p-1とあわせて、
m=p-1 であることがいえたとなる。

次のようにf:F_p→F_pを定めればよい。

[fの定義]
f(0)=0, f(-1)=1として、
各x∈F_p\{0,-1}に対して、
f(x)=(x+1)/x と定める。

このようにfを定めると、
f∈Sym(F_p)であることがいえて、
|A_f| = p-1 であることが確認できる。
■
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