【定理】

整数係数多項式  に対し,整数列  を , と定義する. が任意の自然数  について  上で周期  をもつための必要十分条件は, かつ .



[補題1]

 が  上で周期  をもつための必要十分条件は, かつ .


[補題1の証明]

,.



[補題2]

 のとき,任意の  について .逆に  のとき, より  は  上で周期  をもたない.


[補題2の証明]

.



[補題3]

 かつ  が  上で周期  をもつとき, が  上で周期  をもつための必要十分条件は

.


[補題3の証明]

 の  への射影を最上位ビット成分  と下位  ビット成分  に分解し,

 (,)

とする.補題2より

 (以下  を省略)

.

 について両辺の総和をとると, より

.

 が  上で周期  をもつことから,右辺の  および  は  の値を一度ずつとり,

.

ここで, の  上の周期は  と  のいずれかであるが, より周期が  となるための必要十分条件は  であり,これにより補題が証明される.



【定理の証明】

補題1および補題2より, かつ  が定理の必要条件となる.この条件のもとで,ある  について  が  上で周期  をもつと仮定する.( では成立)

このとき補題3より, が  上で周期  をもつための必要十分条件は





.

したがって,これらの条件をまとめて  かつ  とすると,補題3および数学的帰納法により任意の自然数  について  が  上で周期  をもつ.■


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