ここからはあくまでも自分の考えなので、間違っているかもしれません。
N = S^k + P の数学的検証(条件:k ≦ S ≦ 9)1. k = 1 (1桁の数)の場合
Nが1桁のとき、定義より S = N, P = N, k = 1 である。
与式 N = S^k + P に代入すると:
N = N^1 + N
N = 2N
これを満たす自然数 N は存在しない(N = 0 のみ)。
2. k = 2 (2桁の数)の場合
N = 10a + b (1 ≦ a ≦ 9, 0 ≦ b ≦ 9)とおくと、S = a + b, P = ab, k = 2 である。
与式 N = S^k + P に代入すると:
10a + b = (a + b)^2 + ab
10a + b = a^2 + 2ab + b^2 + ab
これを整理して、
a(10 - a) = b(3a + b - 1)
条件 S = a + b ≦ 9 の範囲で各 a を検証する:
・a = 1 のとき:9 = b(b + 2) ⇒ b^2 + 2b - 9 = 0(整数解なし)
・a = 2 のとき:16 = b(b + 5) ⇒ b^2 + 5b - 16 = 0(整数解なし)
・a = 3 のとき:21 = b(b + 8) ⇒ b^2 + 8b - 21 = 0(整数解なし)
・a = 4 のとき:24 = b(b + 11) ⇒ b^2 + 11b - 24 = 0(整数解なし)
・a ≧ 5 のとき:a + b ≦ 9 より、左辺 a(10 - a) に対して右辺 b(3a + b - 1) が一致する整数 b は存在しない。
3. k ≧ 3 (3桁以上の数)の場合
k ≦ S ≦ 9 という制約から、S^k の値と実際の桁数 10^(k-1) を比較する。
・k = 3 のとき:100 ≦ N = S^3 + P かつ S ≦ 9。
例えば S = 9 のとき、S^3 = 729。N = 729 とすると S = 7+2+9 = 18 となり、S ≦ 9 に矛盾する。
・k ≧ 4 のとき:S ≦ 9 の条件では S^k が 10^(k-1) (Nの最小値)に届かなくなるか、Nの各位の和 S が 9 を大きく超えてしまう。
結論
以上の検討により、与えられた条件「k ≦ S ≦ 9 かつ 1 ≦ k ≦ 9」において、等式 N = S^k + P を満たす自然数 Nは存在しない。
回答してくれてありがとうございます!a≧5のとき、a+b≦9から整理して導いてくれたa(10-a)=b(3a+b-1)を満たす整数a,bがないことが本当にあるのかということが気にかかりました。実際、a=7,b=1を代入してみると7(10-7)=1(21+1-1)=21となり、一致します。
k≧3の場合についてですが、k=3のときを考えると、Nが3桁ということになりますから
10²≦N=S³+P<10³ですね。
ここで、Nの最小値を考えてみます。考えてみると、S=1のとき、P=1が確定しますね。(鳩ノ巣原理です)なのでNの最小値は2となります。
次に、Nの最大値ですが、考えてみるとS=9のとき、S³は最大になります。
続いてPについてですが、ある整数をいくつかの整数に分けたとき、例えばS=9の場合を考えます。9=2+3+4とわけるとき、P=2×3×4=24となります。つまり、Sが決まるとPの最大値も決まるのです。(Pの最小値はもちろん0になりますね。)では、9をどのように分ければ最大になるのでしょうか?
詳しいことは分からないのですがこの問題は解決しているらしく、方法としては"3をなるべくつくること"が最大にする方法のようです。(もし3で割りきれないものであれば3を出来るだけ作ってから2をつくるようにします)今回であれば9=3+3+3とわけるとP=3×3×3=27となります。これがPの最大値となります。
よってNの最大値は729+27=756となります。最小値と最大値を範囲にすると2≦N≦756となりますね。これは10²≦N<10³の範囲に含まれているため、可能性としてはまだあることにあります。
ここまでの考察から分かるかもしれませんが、Pの最大値はS=9のとき、最大値は27をとるのですが、これは9を3つに分割できるときです。(k=3、すなわちNが3桁だから最大値をとれたということです)k、すなわち桁数が増えるほど9を分割しなければならない個数が増加し、Pの最大値も小さくなっていきます。Pは桁数が増えるほどNに追い付けなくなってくるのです。
そのため、kが大きくなるにつれてN=S^k+PにおいてNの桁数、数の大きさはS^kに委ねられてる部分が大きそうです。N≒S^kであるということですね。
なのでSの値さえ調節してしまえばk≧3の範囲でもまだ可能性はありそうです
(ちなみにですがN=71の他にもまだ解はあります…!)