Диофантово уравнение примеры с решениями. «Диофантовы уравнения

Сегодня предлагаю поразмышлять над некоторой интересной математической задачкой.
А именно, давайте-ка для разминки решим следующее линейной уравнение:

«Чего сложного?» - спросите вы. Действительно, лишь одно уравнение и целых четыре неизвестных. Следовательно, три переменных есть свободные, а последняя зависит от оных. Так давайте выразим скорее! Например, через переменную , тогда множество решений следующее:

где - множество любых действительных чисел.

Что же, решение действительно оказалось слишком тривиальным. Тогда будем нашу задачу усложнять и делать её более интересной.

Вспомним про линейные уравнения с целыми коэффициентами и целыми корнями , которые, собственно, являются разновидностью диофантовых уравнений . Конкретно - наложим на наше уравнение соответствующие ограничение на целочисленность коэффициентов и корней. Коэффициенты при неизвестных у нас и так целые (), а вот сами неизвестные необходимо ограничить следующим:

где - множество целых чисел.

Теперь решение, полученное в начале статьи, «не проканает», так как мы рискуем получить как рациональное (дробное) число. Так как же решить это уравнение исключительно в целых числах?

Заинтересовавшихся решением данной задачи прошу под кат.

А мы с вами продолжаем. Попробуем произвести некоторые элементарные преобразования искомого уравнения:

Задача выглядит по-прежнему непонятной, в таких случаях математики обычно производят какую-нибудь замену. Давайте и мы с вами её бахнем:

Опа, мы с вами достигли интересного результата! Коэффициент при у нас сейчас равен единице , а это значит, что мы с вами можем выразить эту неизвестную через остальные неизвестные в этом уравнении без всяких делений (чем грешили в самом начале статьи). Сделаем это:

Обращу внимание, что это говорит нам о том, что какие бы не были (в рамках диофантовых уравнений), всё равно останется целым числом, и это прекрасно.

Вспоминая, что справедливо говорить, что . А подставив заместо полученный выше результат получим:

Тут мы также видим, что что какие бы не были , всё равно останется целым числом, и это по-прежнему прекрасно.

Тогда в голову приходит гениальная идея: так давайте же объявим как свободные переменные, а будем выражать через них! На самом деле, мы уже это сделали. Осталось только записать ответ в систему решений:

Теперь можно лицезреть, что в системе решений нигде нет деления , а это значит, что всегда решения будут целочисленными. Попробуем найти частное решение исходного уравнения, положив, к примеру, что :

Подставим в исходное уравнение:

Тождественно, круто! Давайте попробуем ещё разок на другом примере?

Тут мы видим отрицательный коэффициент, он может доставить нам изрядных проблем, так что давайте от греха избавимся от него заменой , тогда уравнение будет следующим:

Как мы помним, наша задача сделать такие преобразования, чтобы в нашем уравнении оказалась неизвестная с единичным коэффициентом при ней (чтобы затем выразить её через остальные без любого деления). Для этого мы должны снова что-нибудь взять «за скобку», самое быстрое - это брать коэффициенты из уравнения которые самые близкие к единице. Однако нужно понимать, что за скобку можно взять только лишь то число, которое обязательно является каким-либо коэффициентом уравнения (ни больше, ни меньше), иначе наткнемся на тавтологию/противоречие или дроби (иными словами, нельзя чтобы свободные переменные появились где-то кроме как в последней замене). Итак:

Введем замену , тогда получим:

Вновь возьмем за скобку и наконец получим в уравнении неизвестную с единичным коэффициентом:

Введем замену , тогда:

Выразим отсюда нашу одинокую неизвестную :

Из этого следует, что какие бы мы не взяли, все равно останется целым числом. Тогда найдем из соотношения :

Аналогичным образом найдем из соотношения :

На этом наша система решений созрела - мы выразили абсолютно все неизвестные, не прибегая к делению, тем самым показывая, что решение точно будет целочисленным. Также не забываем, что , и нам надо ввести обратную замену. Тогда окончательная система решений следующая:

Таким образом, осталось ответить на вопрос - а любое ли подобное уравнение можно так решить? Ответ: нет, если уравнение в принципе нерешаемо. Такое возникает в тех случаях, если свободный член не делится нацело на НОД всех коэффициентов при неизвестных. Иными словами, имея уравнение:

Для его решения в целых числах достаточно выполнение следующего условия:

(где - наибольший общий делитель).

Доказательство

Доказательство в рамках этой статьи не рассматривается, так как это повод для отдельной статьи. Увидеть его вы можете, например, в чудесной книге В. Серпинского «О решении уравнений в целых числах» в §2.

Резюмируя вышесказанное, выпишем алгоритм действий для решения линейных диофантовых уравнений с любым числом неизвестных:

В заключение стоит сказать, что также можно добавить ограничения на каждый член уравнения в виде неравенства на оного (тогда к системе решений добавляется система неравенств, в соответствии с которой нужно будет скорректировать ответ), а также добавить ещё чего-нибудь интересное. Ещё не стоит забывать и про то, что алгоритм решения является строгим и поддается записи в виде программы для ЭВМ.

С вами был Петр,
спасибо за внимание.

Пункт 5. Линейные диофантовы уравнения с двумя неизвестными.

Обычно, произвольное уравнение (но, как правило, все-таки с целыми коэффициентами) получает титул "диофантово", если хотят подчеркнуть, что его требуется решить в целых числах, т.е. найти все его решения, являющиеся целыми. Имя Диофанта - выдающегося Александрийского математика - появляется здесь не случайно. Диофант интересовался решением уравнений в целых числах еще в третьем веке нашей эры и, надо сказать, делал это весьма успешно.

Отступление про Диофанта и его исторический след.

Третий и последний период античного общества - период господства Рима. Рим завоевал Сиракузы в 212 году, Карфаген - в 146 году, Грецию - в 146, Месопотамию - в 46, Египет - в 30 году до нашей эры. Огромные территории оказались на положении колоний, но римляне не трогали их культуры и экономического устройства пока те исправно платили налоги и поборы. Установленный римлянами на столетия мир, в отличие от всех последующих великих миров и рейхов, принес всей завоеванной территории самый длинный период безвоенного существования, торговли и культурного обмена.

Александрия оказалась центром античной математики. Велись оригинальные исследования, хотя компилирование, пересказ и комментирование становились и стали основным видом научной деятельности. Александрийские ученые, если угодно, приводили науку в порядок, собирая разрозненные результаты в единое целое, и многие труды античных математиков и астрономов дошли до нас только благодаря их деятельности. Греческая наука с ее неуклюжим геометрическим способом выражения при систематическом отказе от алгебраических обозначений угасала, алгебру и вычисления (прикладную математику) александрийцы почерпнули с востока, из Вавилона, из Египта.

Основной труд Диофанта (ок. 250 г.) - "Арифметика". Уцелели только шесть книг оригинала, общее их число - предмет догадок. Мы не знаем, кем был Диофант, - возможно, что он был эллинизированный вавилонянин. Его книга - один из наиболее увлекательных трактатов, сохранившихся от греко-римской древности. В ней впервые встречается систематическое использование алгебраических символов, есть особые знаки для обозначения неизвестного, минуса, обратной величины, возведения в степень. Папирус N 620 Мичиганского университета, купленный в 1921 году, принадлежит эпохе Диофанта и наглядно это подтверждает. Среди уравнений, решаемых Диофантом, мы обнаруживаем такие, как x 2 - 26 y 2 = 1 и x 2 - 30 y 2 = 1, теперь известные нам как частные случаи "уравнения Пелля", причем Диофант интересуется их решениями именно в целых числах.

Книга Диофанта неожиданно оказала еще и огромное косвенное влияние на развитие математической науки последних трех столетий. Дело в том, что юрист из Тулузы Пьер Ферма (1601 - 1665), изучая "Арифметику" Диофанта, сделал на полях этой книги знаменитую пометку: "Я нашел воистину удивительное доказательство того, что уравнение x n + y n = z n при n > 2, не имеет решений в целых числах, однако поля этой книги слишком малы, чтобы здесь его уместить". Это одно из самых бесполезных математических утверждений получило название "Великой теоремы Ферма" и, почему-то, вызвало настоящий ажиотаж среди математиков и любителей (особенно после назначения в 1908 году за его доказательство премии в 100 000 немецких марок). Попытки добить эту бесполезную теорему породили целые разделы современной алгебры, алгебраической теории чисел, теории функций комплексного переменного и алгебраической геометрии, практическая польза от которых уже не подлежит никакому сомнению. Сама теорема, кажется, благополучно доказана в 1995 году; Пьер Ферма, конечно, погорячился на полях "Арифметики", ибо он физически не мог придумать подобного доказательства, требующего колоссальной совокупности математических знаний. Элементарного доказательства великой теоремы Ферма пока никто из жителей нашей планеты найти не смог, хотя над его поиском бились лучшие умы последних трех столетий. Однако, до сих пор тысячи психически нездоровых любителей-"ферматистов" в жажде славы и денег бомбят своими письмами академические институты и университеты и почти ежегодно один из сотрудников кафедры алгебры и дискретной математики Уральского госуниверситета, где я работаю, вынужден вести с таким психом дипломатическую переписку на заранее заготовленном бланке:

"Уважаемый.............................! В Вашем доказательстве на странице №......, в строке №........, содержится ошибка..............................................................".

Пусть требуется решить линейное диофантово уравнение:

ax + by = c ,

где a , b , c О Z ; a и b - не нули.

Попробуем порассуждать, глядя на это уравнение.

Пусть (a , b ) = d . Тогда a = a 1 d ; b = b 1 d и уравнение выглядит так:

a 1 d· x + b 1 d· y = c , т.е. d· (a 1 x + b 1 y ) = c .

Теперь и ежику ясно, что у такого уравнения имеется решение (пара целых чисел x и y ) только тогда, когда d | c . Поскольку очень хочется решать это уравнение дальше, то пусть d | c . Поделим обе части уравнения на d , успокоимся, и всюду далее будем считать, что (a , b ) = 1. Так можно.

Рассмотрим несколько случаев.

Случай 1. Пусть c = 0, уравнение имеет вид ax + by = 0 - " однородное линейное диофантово уравнение". Немножко потрудившись, находим, что

x = -

b a

y .

Так как x должен быть целым числом, то y = at , где t - произвольное целое число (параметр). Значит x = - bt и решениями однородного диофантова уравнения ax + by = 0 являются все пары вида {- bt , at }, где t = 0; ±1; ±2;... Множество всех таких пар называется общим решением линейного однородного диофантова уравнения, любая же конкретная пара из этого множества называется частным решением.

Дорогие читатели, не правда ли, что все названия уже до боли знакомы? "Однородное уравнение", "общее решение" - все это мы уже слышали и в курсе линейной алгебры и в лекциях по дифференциальным уравнениям. При разборе следующего случая эта аналогия буквально выпирает на первый план, что, конечно, не случайно, но исследование единства великого государства линейности на материке математики выходит за рамки этой скромной книжки.

Случай 2. Пусть теперь c № 0. Этот случай закрывается следующей теоремой.

Теорема. Пусть (a , b ) = 1, { x 0 , y 0 } - частное решение диофантова уравнения ax + by = c . Тогда его общее решение задается формулами:

м н о

x = x 0 - bt y = y 0 + at .

Таким образом, и в теории линейных диофантовых уравнений общее решение неоднородного уравнения есть сумма общего решения соответствующего однородного уравнения и некоторого (любого) частного решения неоднородного уравнения. Вот оно - проявление единства линейного мира! (Однажды, перед экзаменом по дифференциальным уравнениям, мне снился кошмар, будто все линейные пространства решений сговорились между собой и требовали от меня прибавить к ним частное решение, так как они не хотели содержать нулевой вектор, а хотели быть линейными многообразиями. Я отказался, а наутро, на экзамене, мне досталась однородная система!)

Доказательство. То, что правые части указанных в формулировке теоремы равенств действительно являются решениями, проверяется их непосредственной подстановкой в исходное уравнение. Покажем, что любое решение уравнения ax + by = c имеет именно такой вид, какой указан в формулировке теоремы. Пусть { x * , y *} - какое-нибудь решение уравнения ax + by = c . Тогда ax * + by * = c , но ведь и ax 0 + by 0 = c . Следуя многолетней традиции доказательства подобных теорем, вычтем из первого равенства второе и получим:

a (x *- x 0) + b (y *- y 0) = 0

Однородное уравнение. Далее, глядя на случай 1, рассмотрение которого завершилось несколькими строками выше, пишем сразу общее решение: x *- x 0 = - bt , y *- y 0 = at , откуда моментально, используя навыки третьего класса средней школы, получаем:

м н о

x * = x 0- bt , y * = y 0 + at.

"Все это, конечно, интересно", - скажет читатель, - "Но как же искать то самое частное решение { x 0 , y 0 }, ради которого и затеяна вся возня этого пункта и которое, как теперь выясняется, нам так нужно?". Ответ до глупости прост. Мы договорились, что (a , b ) = 1. Это означает, что найдутся такие u и v из Z , что au + bv = 1 (если вы это забыли, вернитесь в пункт 4), причем эти u и v мы легко умеем находить с помощью алгоритма Евклида. Умножим теперь равенство au + bv = 1 на c и получим: a (uc ) + b (vc ) = c , т.е. x 0 = uc , y 0 = vc . Вот и все!

Пример. Вы - хроноп, придуманный Хулио Кортасаром в книжке "Из жизни хронопов и фамов". Вам нужно расплатиться в магазине за синюю пожарную кишку, ибо красная в хозяйстве уже давно есть. У вас в кармане монеты достоинством только в 7 и 12 копеек, а вам надо уплатить 43 копейки. Как это сделать? Решаем уравнение:

7 x + 12 y = 43

Включаем алгоритм Евклида:

12 = 7· 1 + 5
7 = 5· 1 + 2
5 = 2· 2 + 1
2 = 1· 2

Значит, наибольший общий делитель чисел 7 и 12 равен 1 , а его линейное выражение таково:

1 = 5 - 2· 2 = 5 - (7 - 5) · 2 = (12 - 7) - (7 - (12 - 7) · 2) = 12· 3 + 7· (- 5),

т.е. u = - 5, v = 3. Частное решение:

x 0 = uc = (- 5) · 43 = - 215
y 0 = vc = 3 · 43 = 129.

Итак, вы должны отобрать у кассира 215 семикопеечных монет и дать ему 129 двенадцатикопеечных. Однако процедуру можно упростить, если записать общее решение неоднородного диофантова уравнения:

x = -215 - 12 t
y = 129 + 7 t

и, легко видеть, что при t = - 18, получаются вполне разумные x = 1, y = 3, поэтому дубасить кассира необязательно.

Чтобы решить линейное диофантово уравнение, нужно найти значения переменных «x» и «y», которые являются целыми числами. Целочисленное решение сложнее обычного и требует определенного набора действий. Сначала необходимо вычислить наибольший общий делитель (НОД) коэффициентов, а затем найти решение. Если вы нашли одно целочисленное решение линейного уравнения, можно применить простой шаблон, чтобы найти бесконечное множество других решений.

Шаги

Часть 1

Как записать уравнение

1. Запишите уравнение в стандартной форме. Линейное уравнение - это уравнение, в котором показатели степени переменных не превышают 1. Чтобы решить такое линейное уравнение, сначала запишите его в стандартной форме. Стандартная форма линейного уравнения выглядит так: A x + B y = C {\displaystyle Ax+By=C} , где A , B {\displaystyle A,B} и C {\displaystyle C} - целые числа.

   • Если уравнение дано в другой форме, приведите его к стандартной форме с помощью основных алгебраических действий. Например, дано уравнение 23 x + 4 y − 7 x = − 3 y + 15 {\displaystyle 23x+4y-7x=-3y+15} . Приведите подобные члены и запишите уравнение так: 16 x + 7 y = 15 {\displaystyle 16x+7y=15} .

2. Упростите уравнение (если можно). Когда вы запишете уравнение в стандартной форме, посмотрите на коэффициенты A , B {\displaystyle A,B} и C {\displaystyle C} . Если у этих коэффициентов есть НОД, разделите на него все три коэффициента. Решение такого упрощенного уравнения также будет решением исходного уравнения.

   • Например, если все три коэффициента четные, разделите их как минимум на 2. Например:
     • 42 x + 36 y = 48 {\displaystyle 42x+36y=48} (все члены делятся на 2)
     • 21 x + 18 y = 24 {\displaystyle 21x+18y=24} (теперь все члены делятся на 3)
     • 7 x + 6 y = 8 {\displaystyle 7x+6y=8} (это уравнение больше нельзя упростить)

3. Проверьте, можно ли решить уравнение. В некоторых случаях можно сразу заявить, что уравнение не имеет решений. Если коэффициент «С» не делится на НОД коэффициентов «А» и «В», у уравнения нет решений.

   • Например, если оба коэффициента A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} четные, то и коэффициент C {\displaystyle C} должен быть четным. Но если C {\displaystyle C} нечетный, то решения нет.
     • У уравнения 2 x + 4 y = 21 {\displaystyle 2x+4y=21} нет целочисленных решений.
     • У уравнения 5 x + 10 y = 17 {\displaystyle 5x+10y=17} нет целочисленных решений, так как левая часть уравнения делится на 5, а правая - нет.

4. Проанализируйте полученный результат. Когда вы найдете НОД коэффициентов A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} , сравните его с коэффициентом C {\displaystyle C} исходного уравнения. Если C {\displaystyle C} делится на НОД A {\displaystyle A} и B {\displaystyle B} , уравнение имеет целочисленное решение; в противном случае у уравнения нет решений.

   • Например, уравнение можно решить, потому что 3 делится на 1 (НОД=1).
   • Например, предположим, что НОД=5. 3 не делится на 5 нацело, поэтому такое уравнение не имеет целочисленных решений.
   • Как показано ниже, если уравнение имеет одно целочисленное решение, оно также имеет бесконечное множество других целочисленных решений.

   Часть 3

   Как найти решение с помощью алгоритма Евклида

   1. Пронумеруйте шаги вычисления НОД. Чтобы найти решение линейного уравнения, нужно использовать алгоритм Евклида в качестве основы процесса подстановки и упрощения.

      • Начните с нумерации шагов вычисления НОД. Процесс вычисления выглядит так:
        • Шаг 1: 87 = (1 ∗ 64) + 23 {\displaystyle {\text{Шаг 1}}:87=(1*64)+23}
        • Шаг 2: 64 = (2 ∗ 23) + 18 {\displaystyle {\text{Шаг 2}}:64=(2*23)+18}
        • Шаг 3: 23 = (1 ∗ 18) + 5 {\displaystyle {\text{Шаг 3}}:23=(1*18)+5}
        • Шаг 4: 18 = (3 ∗ 5) + 3 {\displaystyle {\text{Шаг 4}}:18=(3*5)+3}
        • Шаг 5: 5 = (1 ∗ 3) + 2 {\displaystyle {\text{Шаг 5}}:5=(1*3)+2}
        • Шаг 6: 3 = (1 ∗ 2) + 1 {\displaystyle {\text{Шаг 6}}:3=(1*2)+1}
        • Шаг 7: 2 = (2 ∗ 1) + 0 {\displaystyle {\text{Шаг 7}}:2=(2*1)+0}

   2. Обратите внимание на последний шаг, где есть остаток. Перепишите уравнение этого шага так, чтобы изолировать остаток.

      • В нашем примере последний шаг с остатком - это шаг 6. Остаток равен 1. Перепишите уравнение шага 6 следующим образом:
        • 1 = 3 − (1 ∗ 2) {\displaystyle 1=3-(1*2)}

   3. Изолируйте остаток предыдущего шага. Этот процесс представляет собой пошаговое «перемещение вверх». Каждый раз вы будете изолировать остаток в уравнении предыдущего шага.

      • Изолируйте остаток уравнения шага 5:
        • 2 = 5 − (1 ∗ 3) {\displaystyle 2=5-(1*3)} или 2 = 5 − 3 {\displaystyle 2=5-3}

   4. Сделайте замену и упростите. Обратите внимание, что уравнение шага 6 содержит число 2, а в уравнении шага 5 число 2 изолировано. Поэтому вместо «2» в уравнении шага 6 подставьте выражение шага 5:

      • 1 = 3 − 2 {\displaystyle 1=3-2} (уравнение шага 6)
      • 1 = 3 − (5 − 3) {\displaystyle 1=3-(5-3)} (вместо 2 подставили выражение)
      • 1 = 3 − 5 + 3 {\displaystyle 1=3-5+3} (раскрыли скобки)
      • 1 = 2 (3) − 5 {\displaystyle 1=2(3)-5} (упростили)

   5. Повторите процесс подстановки и упрощения. Повторите описанный процесс, перемещаясь по алгоритму Евклида в обратном порядке. Каждый раз вы будете переписывать уравнение предыдущего шага и подставлять его в последнее полученное уравнение.

      • Последним рассмотренным шагом был шаг 5. Поэтому перейдите к шагу 4 и изолируйте остаток в уравнении этого шага:
        • 3 = 18 − (3 ∗ 5) {\displaystyle 3=18-(3*5)}
      • Подставьте это выражение вместо «3» в последнее уравнение:
        • 1 = 2 (18 − 3 ∗ 5) − 5 {\displaystyle 1=2(18-3*5)-5}
        • 1 = 2 (18) − 6 (5) − 5 {\displaystyle 1=2(18)-6(5)-5}

   6. Продолжите процесс подстановки и упрощения. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока вы не достигнете первоначального шага алгоритма Евклида. Цель процесса - записать уравнение с коэффициентами 87 и 64 исходного уравнения, которое нужно решить. В нашем примере:

      • 1 = 2 (18) − 7 (5) {\displaystyle 1=2(18)-7(5)}
      • 1 = 2 (18) − 7 (23 − 18) {\displaystyle 1=2(18)-7(23-18)} (подставили выражение из шага 3)
        • 1 = 2 (18) − 7 (23) + 7 (18) {\displaystyle 1=2(18)-7(23)+7(18)}
        • 1 = 9 (18) − 7 (23) {\displaystyle 1=9(18)-7(23)}
      • 1 = 9 (64 − 2 ∗ 23) − 7 (23) {\displaystyle 1=9(64-2*23)-7(23)} (подставили выражение из шага 2)
        • 1 = 9 (64) − 18 (23) − 7 (23) {\displaystyle 1=9(64)-18(23)-7(23)}
        • 1 = 9 (64) − 25 (23) {\displaystyle 1=9(64)-25(23)}
      • 1 = 9 (64) − 25 (87 − 64) {\displaystyle 1=9(64)-25(87-64)} (подставили выражение из шага 1)
        • 1 = 9 (64) − 25 (87) + 25 (64) {\displaystyle 1=9(64)-25(87)+25(64)}
        • 1 = 34 (64) − 25 (87) {\displaystyle 1=34(64)-25(87)}

   7. Перепишите полученное уравнение в соответствии с исходными коэффициентами. Когда вы вернетесь к первому шагу алгоритма Евклида, вы увидите, что полученное уравнение содержит два коэффициента исходного уравнения. Перепишите уравнение так, чтобы порядок его членов соответствовал коэффициентам исходного уравнения.

      • В нашем примере исходное уравнение 87 x − 64 y = 3 {\displaystyle 87x-64y=3} . Поэтому перепишите полученное уравнение так, чтобы коэффициенты привести в соответствие. Обратите особое внимание на коэффициент «64». В исходном уравнении этот коэффициент отрицательный, а в алгоритме Евклида - положительный. Поэтому множитель 34 нужно сделать отрицательным. Окончательное уравнение запишется так:
        • 87 (− 25) − 64 (− 34) = 1 {\displaystyle 87(-25)-64(-34)=1}

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Восточно-Казахстанская область

Направление: математическое моделирование экономических и социальных процессов.

Секция: математика

Тема: Решение диофантовых уравнений первой и второй степени

Жумадилов Эльдар,

Буркутова Амина,

ГУ «Экономический лицей»

Руководитель:

Дранная Наталия Александровна

ГУ «Экономический лицей»

Консультант:

Заведующий кафедрой математики и методики преподавания математики Семипалатинского государственного педагогического института, кандидат физико- математических наук, доцент

Жолымбаев Оралтай Муратханович

Усть-Каменогорск

Введение……………………………………………………………...….3

Глава 1.О диофантовых уравнениях.......................................................4

Глава 2.Методы решения.........................................................................6

2.1.Алгоритм Евклида......................................................................6

2.2.Цепная дробь...............................................................................8

2.3.Метод разложения на множители.............................................9

2.4.ИСпользование четности...........................................................10

2.5.Другие методы решения диофантовых уравнений.................10

Заключение...............................................................................................12

Список литературы..................................................................................13

Приложение.............................................................................................14

Введение

«Достопочтеннейший Дионисий, зная, что ты ревностно хочешь научиться решению задач, касающихся чисел, я попытался изложить природу их и могуще­ство, начиная с тех оснований, на которых покоится эта наука.

Может быть, этот предмет покажется тебе затруднительным, поскольку ты еще с ним незнаком, а начинающие не склонны надеяться на успех. Но он станет тебе удобопонятным благодаря твоему усердию и моим пояснениям, ибо страстная любовь к науке помогает быстро воспринять учение»

Таким посвящением открывается «Арифметика» Диофанта Александрий­ского.

Диофант представляет одну из занимательных загадок в истории математики. Мы не знаем, кем был Диофант, точные года его жизни, нам не известны его предшественники, которые работали бы в той же области, что и он.

На могиле Диофанта есть стихотворение-загадка, решая которую нетрудно подсчитать, что Диофант прожил 84 года. О времени жизни Диофанта мы можем судить по работам французского исследователя науки, Поля Таннри, и это, веро­ятно, середина 3 в.н.э.

Наиболее интересным представляется творчество Диофанта. До нас дошло 7 книг из 13, которые были объединены в “Арифметику”.

В этой книге Диофант (3 век) суммировал и расширил накопленный до него опыт решения неопределенных алгебраических уравнений в целых или рацио­нальных числах. С тех пор эти уравнения стали называться диофантовыми.

Вот примеры таких уравнений: х 2 +у 2 =z 2 , х 2 = у 3 +5у + 7.

Интерес к диофантовым уравнениям связан, видимо, с самой природой чело­века – сохранившиеся документы обнаруживают его следы в глубине тысячеле­тий. Еще в Древнем Вавилоне занимались поисками пифагоровых троек – цело­численных решений уравнения

х 2 +у 2 =z 2 .

Диофантовы уравнения позволяют решать алгебраические задачи в целых числах. «Арифметика» Диофанта легла в основу теории чисел нового времени.

Цель данного исследования: найти различные методы решения неопределенных уравнений.

Задачи исследования: научиться решать неопределенные уравнения первой и второй степени с помощью алгоритма Евклида, с помощью цепных дробей или разложением уравнения на множители

Глава 1. О диофантовых уравнениях.

Диофантовыми уравнениями называют алгебраические уравнения или системы алгебраических уравнений с целыми коэффициентами, для которых надо найти целые или рациональные решения. При этом число неиз­вестных в уравнениях должно быть не менее двух (если не ограничиваться только целыми числами). Диофантовы уравнения имеют, как правило, много решений, поэтому их называют неопределенными уравнениями.

К диофантовым уравнениям приводят задачи, по смыслу которых неизвест­ные значения величин могут быть только целыми числами.

Рассмотрим одну задачу: За покупку нужно уплатить 1700 р. У покупателя имеются купюры только по 200 и 500 р. Какими способами он может распла­титься? Для ответа на этот вопрос достаточно решить уравнение 2х +5у = 17 с двумя неизвестными х и у. Такие уравнения имеют бесконечное множество реше­ний. В частности, полученному уравнению отвечает любая пара чисел вида
. Для нашей практической задачи годятся только целые неотрицатель­ные значения х и у (рвать купюры на части не стоит). Поэтому приходим к поста­новке задачи: найти все целые неотрицательные решения уравнения 2х +5у = 17. Ответ содержит уже не бесконечно много, а всего лишь две пары чисел (1;3) и (6; 1).

Таким образом, особенности диофантовых задач заключаются в том, что: 1) они сводятся к уравнениям или систе­мам уравнений с целыми коэффициентами; 2) решения требуется найти только целые, часто натуральные.

Перед тем как рассмотреть методы решения неопределенных уравнений представим некоторые определения и утверждения, необходимые для дальнейшего изложения.

Делимость

Определение Пусть a,b  Z , b ≠ 0. Числа q  Z и r  {0,1,...,|b|-1} называются соответственно неполным частным и остатком от деления a на b, если выполнено равенство

При этом, если r = 0, то говорят, что a делится на b, или что b является делите­лем a (обозначение a b или b| a).

Диофантовы уравнения можно записать в виде

P(x 1 , x 2 , ..., x n) = 0,

где P(x 1 , ..., x n) - многочлен с целыми коэффициентами.

При исследовании диофантовых уравнений обычно ставятся следующие во­просы:

имеет ли уравнение целочисленные решения;

конечно или бесконечно множество его целочисленных решений;

решить уравнение на множестве целых чисел, т. е. найти все его целочислен­ные решения;

решить уравнение на множестве целых положительных чисел;

решить уравнение на множестве рациональных чисел.

Отметим, что проблема решения уравнений в целых числах решена до конца только для уравнений с одним неизвестным, для уравнений первой степени и для уравнений второй степени с двумя неизвестными. Для уравнений выше второй степени с двумя или более неизвестными достаточно трудной является даже за­дача существования целочисленных решений. Например, не известно, имеет ли уравнение

x 3 + y 3 + z 3 = 30

хотя бы одно целочисленное решение. Более того, доказано, что в принципе не существует единого алгоритма, позволяющего за конечное число шагов решать в целых числах произвольные диофантовы уравнения.

Глава 2. Методы решения.

2.1 Алгоритм Евклида.

Можно найти наибольший общий делитель натуральных чисел а и b, не раскладывая эти числа на простые множители, а применяя процесс деления с ос­татком. Для этого надо разделить большее из этих чисел на меньшее, потом меньшее из чисел на остаток при первом делении, затем остаток при первом деле­нии на остаток при втором делении и вести этот процесс до тех пор, пока не произойдет деление без остатка (т.к. остатки убывают, то это на каком-то шаге случится). Последний отличный от нуля остаток и есть искомый НОД (а, b).

Чтобы доказать это утверждение, представим описанный процесс в виде следующей цепочки равенств: если а>b, то

Здесь r 1 , …, r n – положительные остатки, убывающие с возрастанием но­мера. Из первого равенства следует, что общий делитель чисел а и b делит r 1 и общий делитель b и r 1 делит а, поэтому НОД (а, b) = НОД (b, r 1). Переходя к сле­дующим равенствам системы, получаем:

НОД(а, b) = НОД (b, r 1) = НОД (r 1, r 2) = …

…= НОД (r n -1 , r n) = НОД (r n , 0) = r n .

Таким образом, решая диофантовы уравнения первой степени ax + by = с, можно применять следующие теоремы:

Теорема1.. Если НОД (a, b) = 1, то уравнение ax + by = 1 имеет, по меньшей мере, одну пару (x, y) целого решения.

Теорема 2. Если НОД (a, b) = d > 1, и число с не делится на d, то уравнение ах + by = с не имеет целого решения.

Доказательство. Предположим, что уравнение ах + by = с имеет целое реше­ние (х 0 , y 0). Так как, аd, bd, то получим, что с = (ах + by)d. Это противоречит условиям теоремы и тем самым теорема доказана.

Теорема 3. Если НОД (a, b) = 1,то все целые решения уравнения ах + by = с опре­деляются формулой:

х = х 0 с + bt

Здесь (х 0 , y 0) – целое решение уравнения ах + by = 1, а t – произвольное целое число.

Пример 1. Решить в целых числах уравнение 54х + 37у = 1.

По алгоритму Евклида а = 54, b = 37. Подставляем данные под алгоритм и получаем:

54=371+17, остаток от деления 17 = 54-371

37 = 172+3 , 3 = 37-172

17 = 35+2 , 2 = 17- 35

3 = 21+1 , 1 = 3 - 21

После нахождения единицы выражаем через неё значения а и b:

1 = 3 – (17-35);

1 = 17 - (37- 172) 4;

1 = 17 - 374+178;

1 = 179 – 374;

1 = (54- 371) 9 - 374;

1 = 549 - 379 - 374;

Следовательно, х 0 = 9, у 0 = -13. Значит, данное уравнение имеет следующее решение .

Пример 2. Требуется найти целое решение уравнения 15x + 37y = 1.

1-й метод. Воспользуемся разложением единицы:

1 = 15*5 + 37*(-2).Ответ: x = 5, y = -2.

2-й метод. Применяя алгоритм Евклида, имеем: 37 = 15*2 + 7, 15 = 2*7 + 1. Отсюда 1 = 15 – 2*7 = 15 – 2(37 – 15*2) = 15*5 + (-2)*37. Тогда x о = 5, y о = - 2. Общее решение уравнения есть система
.

Пример 3 . В уравнении 16x + 34y = 7, НОД (16, 34) = 2 и 7 не делится на 2,то нет целых решений.

2.2 Цепная дробь

Одним из применений алгоритма Евклида является представление дроби в виде

Где q 1 – целое число, а q 2 , … ,q n – натуральные числа. Такое выражение на­зывается цепной (конечной непрерывной) дробью.

Уравнение:

с взаимно простыми коэффициентами a и b имеет решение

,
,

где
- предпоследняя подходящая дробь к цепной дроби, в которую раскладывается дробь .

Доказательство:

Если для заданной цепной дроби с последовательными частными q 1 , q 2 ,…,q n несократимые дроби

, , …,

являются результатами свертывания подходящих дробей
,
, и т.д. , порядка 1, 2, …, n соответственно,то

,
, …, n.

При k = n получаем:

,

Где - последняя подходящая дробь к цепной дроби, в которую раскладывается дробь . Так как дроби и несократимы, то
,
и

.

Умножая обе части последнего равенства на (-1) n , имеем

То есть пара чисел , , где n-порядок цепной дроби, является решением уравнения .

Пример. Для перевозки большого количества контейнеров по 170 кг и по 190 кг выделены трехтонные машины. Можно ли ими загружать машины полно­стью?

Решение:

Пусть х и у количество контейнеров по 170 и 190 кг соответственно, тогда имеем уравнение

170х+190у=3000

После сокращения на 10 уравнение выглядит так,

Для нахождения частного решения воспользуемся разложением дроби в цепную дробь

Свернув предпоследнюю подходящую к ней дробь в обыкновенную

Частное решение данного уравнения имеет вид

х 0 = (-1) 4 300*9=2700, у 0 =(-1) 5 300*8=-2400,

а общее задается формулой

х=2700-19k, y= -2400+17k.

откуда получаем условие на параметр k

Т.е. k=142, x=2, y=14. .

2.3 Метод разложения на множители

Данный метод и все последующие применяются к решению диофантовых уравнений второй степени.

Задача 1.

Решение. Запишем уравнение в виде

(x - 1)(y - 1) = 1.

Произведение двух целых чисел может равняться 1 только в том случае, когда оба они равны 1. Т. е. исходное уравнение равносильно совокупности

с решениями (0,0) и (2,2).

2.4 Использование четности

Задача 2. Решить в простых числах уравнение

x 2 - 2y 2 = 1.

Решение. Рассмотрим два случая в зависимости от четности переменной x.

a) Пусть x - нечетное число. Подстановка x = 2t + 1 приводит исходное уравне­ние к виду

(2t + 1) 2 - 2y 2 = 1,

2y 2 = 4t(t + 1).

Следовательно, 2 | y 2 . Так как y - простое число, то y = 2. Отсюда

b) Пусть x - четное число. Так как x - простое число, то x = 2. Следовательно, т. е. уравнение неразрешимо в простых числах.

Следовательно, уравнение имеет в классе простых чисел единственное реше­ние (3;2).

2.5 Другие методы решения диофантовых уравнений

Задача 3. Доказать, что уравнение

x 2 - 2y 2 = 1

имеет бесконечно много решений в натуральных числах.

Решение. Нетрудно заметить, что (3,2) - одно из решений исходного уравне­ния. С другой стороны из тождества

(x 2 + 2y 2) 2 - 2(2xy) 2 = (x 2 - 2y 2) 2

следует, что если (x, y) - решение данного уравнения, то пара (x 2 + 2y 2 , 2xy) также явля­ется его решением. Используя этот факт, рекуррентно определим бесконеч­ную последовательность (x n , y n) различных решений исходного уравнения:

(x 1 , y 1) = (3,2) и x n +1 = x n 2 + 2y n 2 , y n +1 = 2x n y n , n  N * .

Задача 4. Доказать, что уравнение

x(x + 1) = 4y(y + 1)

неразрешимо в целых положительных числах.

Решение. Нетрудно заметить, что исходное уравнение равносильно уравнению

x 2 + x + 1 = (2y + 1) 2 .

Следовательно, x 2

Задача 5. Решить в целых числах уравнение

x + y = x 2 - xy + y 2 .

Решение. Положим t = x + y. Так как

то должно выполняться неравенство откуда t  .

Заключение:

Современное обозначение непрерывных дробей предложил выдающийся учёный Христиан Гюйгенс (1629-1695).

К цепным дробям Гюйгенс обратился при построении планетария в Париже. Он хотел получить наилучшее приближение для отношения периодов обращения планет. Эти отношения и отношения чисел зубцов соответствующих связанных между собой шестерён планетария должны были совпадать. Но числа зубцов шестерен по техническим причинам не могут быть очень большими. Необходимо было так их подобрать, чтобы полученные отношения как можно меньше отличались от истинных. Гюйгенс обратился к цепным дробям и с их помощью нашел решение стоящей перед ним задачи.

В заключении отметим преимущества и недостатки цепных дробей по сравнению, например, с десятичными. Удобство заключается в том, что их свойства не связаны ни с какой системой счисления. По этой причине цепные дроби эффективно используются в теоретических исследованиях. Но широкого практического применения они не получили, так как для них нет удобных правил выполнения арифметических действий, которые имеются для десятичных дробей.

Данная тема актуальна тем, что диофантовы уравнения используются так же в инженерии, биологии и т.д. Например, при подсчете хромосом первого поколе­ния.

Для начала выберем пять случайных решений: 1=

Хромосома

1-е поколение хромосом и их содержимое.

Главное свойство диофантовых уравнений в том, что мы не перебираем все варианты решений подряд, а приближаемся от случайно выбранных решений к лучшим.

Список литературы

Журнал «Квант» 1970г. №7

«Энциклопедия юного математика» 520 с.

Виленкин Н.Я. «За страницами учебника математики» (10-11 класс).- Москва: «Просвещение» 1996-320 с.

http:// festival .1 september . ru / articles /417558/

Шыныбеков Н.А. «Алгебра 8» Алматы «Атамұра» 2004-272 с.

И.Н.Сергеев «Примени математику» 1989г.- 240 с.

1. http:// ilib . mirror 1. mccme . ru / djvu / serp - int _ eq . htm

   Кожегельдинов С.Ш. «Некоторые элементы теории диофантовых уравнений в упражнениях и задачах»

   Пичугин Л.Ф. «За страницами учебника алгебры», М., 1990г., 224с.

   Глейзер Г.И. «История математики в школе 10-11», 351с

   Гусев В.А., Орлов А.И. и др. «Внеклассная работа по математике в 6-8 классах», М., 1984г., 286 с.

   Петраков И.А. «Математика для любознательных», М., 2000г. 256с.

   http://bse.sci-lib.com/article028554.html

   http://bars-minsk.narod.ru/teachers/diofant.html

Приложение

Решить в целых числах уравнение 127x - 52y + 1 = 0. Ответ: x = 9 + 52t, y = 22 + 127t, t  Z .

Решить в целых числах уравнение 107х + 84у = 1.

Решить в целых числах уравнение 3x 2 + 4xy - 7y 2 = 13. Указание. Применить разложение на множители.
Ответ: (2,1), (-2,-1).

Доказать, что уравнение y 2 = 5x 2 + 6 не имеет целочисленных решений.
Указание. Рассмотреть уравнение по модулю 4.

Доказать, что уравнение x 2 - 3y 2 = 1 имеет бесконечно много решений в целых числах.
Указание. Использовать реккурентное соотношение между решениями.

Решить уравнение: 17х +13у=5.

Докажите, что любую денежную сумму, выраженную целым числом рублей, большим 7, можно уплатить без сдачи, имея лишь трёхрублёвые и пятирублёвые купюры в достаточном количестве.

Требуется разлить 20,5 литра сока в банки по 0,7 литра и 0,9 литра так, чтобы все банки оказались полными. Сколько каких банок надо заготовить? Какое наименьшее количество банок при этом может понадобиться?

1. Генетические алгоритмы и их практическое применение

   Задача >> Информатика

   Strategies). Ближе ко второму полюсу - системы, которые... идеях адаптации и эволюции. Степень мутации в данном случае... математика Диофанта.26 Рассмотрим диофантово уравнение : a+2b+3c+4d ... Коэффициенты выживаемости первого поколения хромосом (набора решений ) Так...

2. Выдающаяся роль Леонарда Эйлера в развитии алгебры геометрии и теории чисел

   Дипломная работа >> Исторические личности

   ... решении уравнений . Он указывал, что решение уравнений второй , третьей и четвертой степеней приводится к уравнениям соответственно первой , второй и третьей степени ; эти последние уравнения ... целочисленном решении систем диофантовых уравнений высших степеней и...

3. Моделирование парожидкостного равновесия в четырехкомпонентной смеси ацетонтолуолн-бутанолдиметилформамид

   Дипломная работа >> Химия

   Являются составляющими единой системы диофантовых уравнений и взаимно дополняют... Эффективность принимаемых решений в значительной степени определяется особенностями... молекулу первого компонента, другой – молекулу второго компонента. Согласно уравнению ...