ユークリッドの互除法と不定方程式
はじめに
こんばんは．
ここでは，高校数学「数A」で扱われる，以下の2つの内容について説明していきます．
ユークリッドの互除法
・概要
・例
・一般化
・証明
ユークリッドの互除法の応用例：不定方程式
・概要
・例題
参考文献
note初心者ですので，ぜひ暖かい気持ちで見てもらえたら，と思います．
ユークリッドの互除法
1. 概要
ある2つの整数の「最大公約数」を求める計算方法です．
特徴として，最大公約数を「素因数分解よりも簡単に速く求められる」ことが挙げられます．
このときに用いられる重要な性質を以下に示します．
［重要な性質］
「割られる数と割る数の最大公約数」は，「割る数と余りの最大公約数」に等しい．
すなわち，割られる数(被除数)を$${a}$$，割る数(除数)$${b}$$，その商を$${q}$$，余りを$${r}$$とするとき，$${\mathrm{GCD}(a,b)=\mathrm{GCD}(b,r)}$$が成り立つ．
順番としては以下の通りです．
大きい方の整数を，小さい方の整数で割ったときの商と余りで表す
②その後「商を大きい方の整数」および「あまりを小さい方の整数」として，改めて商と余りを計算して表す
③①②を繰り返し，あまりが0となったときの「小さい方の整数」が最大公約数となる
2. 例
例として，「216」と「45」の最大公約数を，ユークリッドの互除法により求めてみます．
$$
216 = 45 \times 4 + 36\\
45 = 36 \times 1 + 9\\
36 = 9 \times 4 \quad \\
\therefore \mathrm{GCD}(216, 45) = 9\\
$$
上記の式が(1)どのような性質をもとにしていて，(2)どういった計算をおこなっているのか，を以下に説明します．
［性質上の説明］
1行目：「216と45の最大公約数」＝「45と36の最大公約数」
2行目：「45と36の最大公約数」＝「36と9の最大公約数」
3行目：「36と9の最大公約数」= 9
この関係を等号で結んでいけば，「216と45の最大公約数」= 9が成り立つ．
［計算上の説明］
このとき，「余りの数」が「割る数(除数)」に，「割る数」が「割られる数」に，とズレていっているのが分かるでしょうか．
3行目の計算では，あまりが0となったため，計算終了となり，その時の割る数が「最大公約数」となります．
【注釈】
格好よく書くと，整数$${a,b}$$の最大公約数(Greatest Common Divisor)は，$${\mathrm{GCD}(a,b)}$$のように表されたりします．
通常は，日本語で「216と45の最大公約数は9である」と書いてもらって全然大丈夫です．
3. 一般化
ここで，この計算手順を文字式で表してみます．
任意の正整数を$${m, n (x > n)}$$とおく．
最初の計算式は，商$${q}$$と余り$${r}$$を用いて，以下のように表すことができる．(商：quotient，余り：remainder)
$$
m = nq+ r
$$
一般化するために，$${m = r_0, n = r_1}$$とおいてみる．すると，
$$
r_0 = q_0r_1 + r_2 \quad (0 < r_2 < r_1) \\
r_1 = q_1r_2 + r_3 \quad (0 < r_3 < r_2) \\
r_2 = q_2r_3 + r_4 \quad (0 < r_4 < r_3) \\
…
$$
と計算が続いていく．非負整数$${i}$$を用いて一般化すれば，
$$
r_i = q_i r_{i+1} + r_{+2}
$$
のように表せる．
このように計算を繰り返していき，$${i = h}$$回目で余りが0となったとき，すなわち
$$
r_{h-1} = q_{h-1}r_h + 0
$$
が得られたとき，求める解は$${r_h}$$であり，$${\mathrm{GCD}(r_0,r_1) = r_h}$$と表せる．
4.証明
ユークリッドの互除法が成立することを証明してみます．すなわち，
「2つの自然数$${a,b}$$について，$${a}$$を$${b}$$で割ったときの商を$${q}$$，余りを$${r}$$とするとき，『$${a}$$と$${b}$$の最大公約数』は，『$${b}$$と$${r}$$の最大公約数』に等しい」
ことを証明します．
［証明］
はじめに，条件より$${a = bq + r …(1)}$$
移項すれば，$${r = a - bq …(2)}$$
ここで，$${a}$$と$${b}$$の最大公約数を$${m}$$，$${b}$$と$${r}$$の最大公約数を$${n}$$とおく．
$${m}$$は$${a}$$と$${b}$$の最大公約数であるので，式(2)より$${m}$$は$${r}$$の約数であるといえる．(実際，$${a = ma', b = mb'}$$とおけば，$${r = ma' - mb'q = m(a'-b'q)}$$となるので，これが成り立つ．)
よって，$${m}$$は$${b}$$と$${r}$$の公約数であるといえる．
ここで，$${b}$$と$${r}$$の最大公約数は$${n}$$であるので，
$$
m \leq n …(3)
$$
次に，$${n}$$は$${b}$$と$${r}$$の最大公約数であるので，式(1)より$${n}$$は$${a}$$の約数であるといえる．(実際，$${b = na'', r = nr'}$$とおけば，$${a = na''q + nr' = n(a''q + r')}$$となるので，これが成り立つ．)
よって，$${n}$$は$${a}$$と$${b}$$の公約数だといえる．
ここで，$${a}$$と$${b}$$の最大公約数は$${m}$$であるので，
$$
n \leq m …(4)
$$
式(3)(4)より，これらを同時に満たすのは$${m = n}$$である．
したがって，「割られる数と割る数の最大公約数」は，「割る数と余りの最大公約数」に等しい．
［証明終］
不定方程式
1. 概要
まず，不定方程式とは何なのかを示します．
不定方程式：解の組み合わせが無数にあるような，整数係数による方程式
(これを一般化したものは「ディオファントス方程式」と呼ばれます)
ベズー方程式：ディオファントス方程式の中でも，$${ax + by = d}$$と表される方程式
センター試験では，「ベズー方程式を満たす整数$${x,y}$$の組み合わせを求める問題」が出題されます．そこで，これを解いてみます．
2. 例題
以下のような例題を考えます．
［問題］不定方程式$${8x+11y = 1 …(a)}$$について，以下の問に答えよ．
(a) 式$${(a)}$$を満たす整数の組み合わせ$${(x,y)}$$を1つ求めよ．
(b) 式$${(a)}$$を満たす整数の組み合わせをすべて求めよ．
［方針(a)］
不定方程式$${ax + by = r}$$(ただし，$${a,b}$$は互いに素)に対する，解法の順序を簡単に示します．
係数$${a, b}$$にユークリッドの互除法を適用し，関係式を導く
(余りが0となる式の1回分手前まで行う)各関係式を，余りについて解く(変形する)
余りが一番小さい式に，あまりが2番目に小さい式を代入する
3. で代入した式を整理する
(【重要】このとき，$${r = a \times b + c \times d}$$というように，「積の形」のまま残しておく)以降，3.と4.を繰り返し，$${r = a\times m + b\times n}$$という形に整理できたとき，組み合わせ$${(x,y)=(m,n)}$$が解となる
［解答(a)］
はじめに，11と8の最大公約数を求める．ユークリッドの互除法により，
$$
11 = 8 \times 1 + 3 \Leftrightarrow 3 = 11 - 8 \times 1 …(1) \\
8 = 3 \times 2 + 2 \Leftrightarrow 2 = 8 - 3 \times 2 …(2) \\
3 = 2 \times 1 + 1 \Leftrightarrow 1 = 3 - 2 \times 1 …(3) \\
$$
が成り立つ
次に，式(3)に式(2)を代入し，整理する(これを式(4)とする)．
$$
1 = 3 - 2 \times 1 = 3 - {8 - 3 \times 2} \times 1 = 3 + 8 \times (-1) + 3 \times 2 = 3 \times 3 + 8 \times (-1) …(4)
$$
さらに，式(4)に式(1)を代入し，整理する(これを式(5)とする)．
$$
1 = 3 \times 3 + 8 \times (-1) = (11 - 8 \times 1)\times 3 + 8 \times (-1) = 11 \times 3 - 8 \times 3 + 8 \times (-1) = 8 \times (-4) + 11 \times 3 …(5)
$$
式(5)と与式である式(a)の比較により，式(a)を満たす整数解の1つは$${(x,y) = (-4, 3)}$$
［解答(a) 終］
［方針(b)］
解は無限に存在しますが，これには規則性があり，整数$${k}$$を用いて一般化することができます．おおまかな解法を以下に示します．
不定方程式$${ax+by=r …(1)}$$(ただし，$${a,b}$$は互いに素)の解の1つが$${(x,y)=(m,n)}$$であるとする．
1. まず，式(1)に解を代入して式(2)とおく：$${am+bn=r…(2)}$$
2. このとき，式(1)から式(2)を引き，移項して式(3)とおく：$${a(x-m)=-b(y-n) …(3)}$$
3. ここで，a,bは互いに素であるので，$${x-m}$$はbの倍数であるといえる．これは，任意の整数$${k}$$を用いて$${x-m = bk …(4)}$$と表せる．
4. さらに，式(3)に式(4)を代入すれば，$${a\times bk = -b(y-n)}$$となるので，$${y-n = -ak…(5)}$$を得る．
5. これらより，一般解は
$$
x = bk + m, \quad y = -ak + n \quad (k \in \mathbb{Z})
$$
この流れに沿って，一般解を求めることができます．
［解答(b)］
設問の式(a)より，$${8x + 11y = 1 …(a)}$$
前問の式(5)より，$${8 \times (-4) + 11 \times 3 = 1 …(5)}$$
式(a)から式(5)を引いて移項すれば，$${8(x+4) = -11(y-3) …(6)}$$
ここで，8と11は互いに素であるので，$${x+4}$$は11の倍数であるといえる．これは，任意の整数$${k}$$を用いて$${x + 4 = 11k …(7)}$$と表すことができる．
さらに，式(6)に式(7)を代入すれば，$${8 \times 11k = -11(y-3) \Rightarrow y - 3 = -8k …(8)}$$が求まる．
ゆえに，一般解は
$$
x = 11k - 4, \quad y = -8k + 3 \quad (k \in \mathbb{Z})
$$
［解答(b) 終］
あとがき
いかがだったでしょうか．
今回重要であったのは，「ユークリッドの互除法という，シンプルに最大公約数を求める方法がある」こと，そして「不定方程式は，ユークリッドの互除法を用いると簡単に解けることがある」ということです．
不定方程式やユークリッドの互除法には，さらに深い話(定理や計算量，プログラムでの実装など)がありますので，興味のある方は調べてみてください．
何かわからないことや質問があれば，ぜひ気軽にどうぞ！
ここまでお読みいただき，ありがとうございました！
参考文献
ユークリッドの互除法 / Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A6%E3%83%BC%E3%82%AF%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%89%E3%81%AE%E4%BA%92%E9%99%A4%E6%B3%95ユークリッドの互除法の証明と不定方程式 / 高校数学の美しい物語
https://manabitimes.jp/math/672AtCoder版！マスター・オブ・整数 (素因数分解編) / Qiita
https://qiita.com/drken/items/a14e9af0ca2d857dad23
加筆
v1.1 / 2022-02-21
・章「不定方程式」において，式番号およびLaTeX記述のミスのほか，常体・敬体の表記統一不足となっている箇所を修正しました．