【解答】
与えられた条件
について考える.
(1)
図 1: 平面における基本領域(青斜線部)と極値をとる点
について
まず前者の条件についてかんがえる.
与えられた条件は
である.(式1)からだから,(式2)を満たすには
が必要で,(式1)から とすれば十分である.
よって,求める個数は 個である.
について
次に後者の条件についてかんがえる.
与えられた条件は
である.(式1)から だから,(式3)を満たすには
が必要で,(式1)から とすれば十分である.
よって求める個数は 個である.
以上から
個個
である.
(2)
の時, に対して
である.(式1)より だから,
である.(式5)から だから(式1)に代入して
の時のみ,各 に対して がただ1つ対応する.
(式1)より
でもあるから,(式7),(式8)を満たすについて,
(式6)の範囲でを動かして検討する.
図 2: 平面における条件の領域(斜線部)と による場合分け
(i) の時
この時は(式7),(式8)は
となる.各 に対し, は
通り
あるから,全部で
通りである.
(ii) の時
この時は(式7),(式8)は
となる.(i)と同様に,全ての場合の数は
である.
以上(式12),(式15)をまとめて,求める数は
である.
(3)
(式16)を について和をとれば良く, から
である.