質問<2418>
「「多項式の整除」」
日付 2005/6/15
質問者 ピロシキ


\(x^{96}\)+\(x^{95}\)を\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1で割った余りを求めよ。

アプローチ1
f(x)=\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1として
\(x^{96}\)+\(x^{95}\)
=\(x^{92}\)*f(x)-\(x^{94}\)-\(x^{93}\)-\(x^{92}\)
=\(x^{92}\)*f(x)-\(x^{90}\)*f(x)+\(x^{91}\)+\(x^{90}\)
という感じで力技で解いて余りをx+1とした。

アプローチ2
x*f(x)-f(x)=\(x^{5}\)-1
x~5=1
f(x)=(x-a)(x-b)(x-c)(x-d)
\(x^{96}\)+\(x^{95}\)
=f(x)q(x)+r(x)の余りr(x)は
r(x)=f(a), f(b), f(c), f(d)から
f(a)=\(a^{96}\)+\(a^{95}\)
\(a^{5}\)=1から
f(a)=(\(a^{5}\)\()^{19}\)(a+a)=a+1

というように解いてみましたがどうやら間違えているようです。
よろしければ解法を教えてください。

★希望★完全解答★

お便り
日付 2005/6/17
回答者 wu


\(x^{96}\)+\(x^{95}\)、\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1
まず、\(x^{96}\)+\(x^{95}\)を\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1で表すことを考えると定石の
 \(x^{96}\)+\(x^{95}\)=\(Q_{x}\)(\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1)+A\(x^{3}\)+B\(x^{2}\)+Cx+D 
(A,B,C,Dは整数、\(Q_{x}\)は92次の多項式) -(*)
を使います。
次に\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1を考えると、\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1=0とする、
複素数のことが思い浮かびます。するとこの方程式の解は
 x=cos(2π/5×n)+sin(2π/5×n) (n=1,2,3,4,5)
という解となります(数B教科書の範囲に載っていると思います)。
そこで、(*)の式に戻りますが、\(x^{96}\)+\(x^{95}\)=\(x^{95}\)(x+1)です。
そこで\(x^{95}\)なんですが、先程の解x=cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)を代入すると
1になります。
  (参考までに95=5×19ですから
    {cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)}^95
   ={cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)}^5・19
   =(cos2πn+isin2πn\()^{19}\)
   =cos2πn+isin2πn
   =1    ∵数Bのド・モアブルの定理)
よって(*)の式にx=cos(2π/5×n)+sin(2π/5×n)を代入すると以下のように
変形できます。
 x+1=Ax^+3B\(x^{2}\)+Cx+D
(\(Q_{x}\)(\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1)=0  
∵x=cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1=0の解)
また、x+1=A\(x^{3}\)+B\(x^{2}\)+Cx+Dに実際にx=cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)を代入して
整理する
(ここから下の計算は単位円を描いて、
x=cos(2π/5×n)+isin(2π/5×n)(n=1,2,3,4,5)
の点を視覚化すると分り易くなります)。
 cos2π/5=s sin2π/5=t cos(2π/5×2)=u sin(2π/5×2)=v
とすると、
 cos(2π/5×3)=u sin(2π/5×3)=-v cos(2π/5×4)=s sin(2π/5×4)=-t
であるから(単位円の図で確認すれば分ります)x+1=Ax^+3B\(x^{2}\)+Cx+Dは結局、
 1+s+it=A(-u+iv)+B(u+iv)+C(s+it)+D
(ここではn=1の時のみを代入していますが、n=1,2,3,4,のうち、
いづれを入れても大丈夫です)
この式を実数部分と虚数部分に別けると
 1+(1-C)s+(A-B)U-D+{t(1-C)-v(A+B)}i=0
あるから
 1+(1-C)s+(A-B)U+D=0 かつ t(1-C)-v(A+B)=0
ここで、s,t,u,vは0ではないことと、A,Bは有理数であることから(**)
 A-B=0 A+B=0 1-C=0 1-D=0 すなわち A=B=0 C=D=1
となる。
(**)の説明としてはs,t,u,vは定義したようにcos2π/5等の数であるから、
0ではないのは良いでしょう。
また、A,Bは有理数という箇所ですが、(\(x^{96}\)+\(x^{95}\))を(\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1)で割る、
という問題ですので、その余りとして決めた(Ax^+3B\(x^{2}\)+Cx+D)の係数が無理数では
まずいということです
(無理数と有理数の意味は教科書などに書いてあると思います)。
従って、
 \(x^{96}\)+\(x^{95}\)=\(Q_{x}\)(\(x^{4}\)+\(x^{3}\)+\(x^{2}\)+x+1)+x+1
となるので、求める余りは(x+1)です。
多項式の整除ということで多項式で解きました。
多分もっと簡便な方法があるような気もします。
誰かが示してくれるでしょう。
長くなりました。

お便り
日付 2005/6/17
回答者 kino


2245の解答が参考になるかと思いますのでそちらをご覧下さい。