ChatGPTとCopilotに数学の問題を解いてもらっただけのメモ

 今週の金曜日にChatGPTを軽く触ってみた。その時数学の問題を解けるのか気になり、試してみた。

 ChatGPTは数学の問題を解くことが出来ると聞いていたので、ちょっと期待していた。もちろん難しい問題は無理だと思うので、程よい問題がないかと考えていたら、机の上によさそうなメモが転がっていた。

n, x, yを
n = 3m^{2}\pm1, x = 4m^{2}\pm1, y = 8m^{3}\pm3m 
とする。このとき
n = x^{3} - y^{2}
が成り立つ。

メモ

 ということで、ここから次のような問題を作った。

 n = 3m^{2}+1としたとき、n = x^{3} - y^{2}を満たす整数x, yをmを用いた式で表せ。

問題

 とりあえずこの問題をChatGPTと比較用にCopilotに出してみる。

 ちなみに、ChatGPT及びCopilot本人に数学の問題を解くことが出来るか聞いてみたところ、両者ともある程度は解けるといっていたので期待が高まる。



ChatGPT(GPT-4)の場合

 とりあえず解いてもらったが、引用形式で書いている場所はChatGPTの出力のままである。引用形式でない場所は、私が内容を省略して書いている。
 また、小見出しのテキストはChatGPTがほぼ書いた通りである。

アプローチ

このタイプの問題では、うまく代数的な置き換えを考えて、等式が成り立つように調整します。
試しに、以下の形を仮定してみます:
  x = m + 1
すると:
  x^{3} = (m + 1)^ {3} = m^{3} + 3m^{2} + 3m + 1
今、x^{3} - y^{2} = 3m^{2} + 1にしたいので、差をとってみましょう。
  x^{3} - y^{2} = m^{3} + 3m^{2} + 3m + 1 - y^{2}

これを:
  = 3m^{2} + 1
にしたい。

つまり:
  m^{3} + 3m^{2} + 3m + 1 - y^{2} = 3m^{2} + 1
よって
  m^{3} + 3m + 1 - y^{2} → y^{2} = m^{3} + 3m
ここから、y = \sqrt{m^{3} + 3m}としたいが、これが整数になるよう工夫する必要があります。

うまくいく形の発見:

別の形として、次の形を試します。:
  x = m + 1, y = m^{2} + m
すると:
x^{3} = (m+1)^{3} = m^{3} + 3m^{2} + 3m + 1
y^{2} = (m^{2} + m)^{2} = m^{4} + 2m^{3} + m^{2}
なので、
  x^{3} - y^{2} = (m^{3} + 3m^{2} + 3m + 1) - (m^{4} + 2m^{3} + m^{2}) = -m^{4} - m^{3} + 2m^{2} + 3m + 1
これは明らかに3m^{2} + 1とは一致しない。

試しに具体的なmを代入して探る:

 ここでは実際にmに1から順に自然数を代入している。また、xの値はm + 1を代入してyの値を調べていた。
 そして気づいたこととして
・m = 1 → x = 2, y = 2
・m = 3 → x = 4, y = 6
を提示し、これを一般化できるかを検討するといっていた。

一般形の推測

 先ほどの例からx = m + 1, y = 2mが成り立つと仮定していた。そして実際に$${x^{3} - y^{2}}に代入して計算し、nと一致しないことを確認した。

解の導出(うまくいく形)

 新たにx = m, y = m^{2} - 1であると仮定している。そして代入して検算し、違うことを確認している。

結論(正解):

 試行錯誤の結果、x = m + 1, y = m^{2} + mの形が正解として提示した。そして確認を行い成り立たないことを確認している。

最終的な正しい形:

試してうまくいった組としてx = 2m, y = m^{2} - 1を提示した。そして検算した結果「これも複雑」と表示した(もちろんnと一致しない)。

結論:

 実際にうまくいく簡単な形をx = 2m + 1, y = m^{2} + mであるとした。そして検算してnと一致することはないだろうとのこと。

実験的に成り立つ形:

 先ほど成り立つ場合があった式を出して計算し始めたが、出力できる限界まで来たようで途中で止まった。
 続きを出力してくださいとお願いしてもいいが、多分答えにたどり着かないと考えられるのでやめておいた。



Copilot(Smart(GPT-5))の場合

方針

偶奇の次数をそろえて高次の項を打ち消すために、次の形を仮定します。
・仮定
  x = am^{2} + 1, y = cm^{3} + d{m}
こうすると、x^{3}y^{2}の展開で奇数次(m^{5}, m^{3}, m)の項は最初から現れず、定数項はxから1までが出ます。高次(m^{6}, m^{4})の係数を一致させて消し、m^{2}の項だけを所望の値3に合わせるのが狙いです。

展開と係数比較

まず展開します。
  x^{3} = (am^{2} + 1)^{3} = a^{3}m^{6} + 3a^{2}m^{4} + 3am^{2} + 1
  y^{2} = (cm^3 + dm)^{2} = c^{2}m^{6} + 2cdm^{4} + d^{2}m^{2}
したがって
  x^{3} - y^{2} = (a^{3} - c^{2})m^{6} + (3a^{2} - 2cd)m^{4} + (3a - d^{2})m^{2} + 1
・高次項の消去条件
  a^{3} = c^{2}, 3a^{2} = 2cd
・目標の二次項
  3a - d^{2} = 3

パラメータの決定

まずa^{3} = c^{2}から、整数解を得るためにaを平方数と置くのが自然です。
a = t^{2}とするとc = t^{3}となります。次に3a^{2} = 2cd
  3t^{4} = 2t^{3}d → d = 3t/2
整数dのためにtは偶数とし、t = 2kとおくと
  a = 4k^{2}, c = 8k^{3}, d = 3k
このとき二次項の係数は
  3a - d^{2} = 3・4k^{2} - (3k)^{2} = 12k^{2} - 9k^{2} = 3k^{2}
したがって
  x^{3} - y^{2} = 3k^{2}m^{2} + 1
目標は3m^{2} + 1なのでk^2 = 1を選べばよく、k = 1(または-1)で達成できます。

最終結果

・解:
  x = 4m^{2} + 1, y = 8m^3 + 3m
このとき恒等的に
  x^{3} - y^{2} = 3m^{2} + 1
が成り立ちます。

検算

 求めたx, yを展開して計算し、nと一致しているかを確認しているだけなため、省略する。



結果として

 ChatGPTの方は正解を出すことが出来ず、Copilotは解くことが出来た。一応双方とも3回同じ問題を出したが、結果は変わらなかった。
 ChatGPTの方は、毎回xを一次式として考えていた。
 一方でCopilotはxを二次式、yを三次式として考え、係数比較を行った。また、奇数の項を作らないようにするための形にしていた(計算量を減らすための工夫)。

 そもそも今回使用したChatGPTはGPT-4ベースのモデルを使用しており、CopilotはGPT-5ベースのモデルを使用している。そのため単純な比較はできない。
 しかしChatGPTの方は「うまくいく形」とか「結論、正解」とか言っておきながら間違っているのは謎(もちろんその後うまくいかないと付け足してはいる)。

 「なんでGPT-5ベースのChatGPTを使わないの?」とか「Copilotも前のモデルで検証すれば?」という疑問もあると思いますが、今回はサインインをせずに無料で使えるなかで、より高性能なモデルを使用したかったためである。


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