Что такое «решение задач подбором», и можно ли их решать иначе? Диофантовы уравнения
Введение …………………………………………………………………………………………………1-2
1. Диофант и его труды ……………………………………………………………………………3-4
2. Решение Диофантовых уравнений……………………………………………………..4-7
2.1. Диофантовы уравнения с одним неизвестным ……………………………..4-5
2.2. Неопределенные уравнения II-ой степени вида x2 + y2 = z2………….5-6
2.3. Примеры решения задач………………………………………………………………….7
3. Мои исследования………………………………………………………………………………8-11
4. О «многоугольных числах» Диофанта………………………………………………11-14
5. Заключение ………………………………………………………………………………………..15
6. Список используемой литературы ……………………………………………………16
Введение.
Не много истории. О подробностях жизни Диофанта Александрийского практически ничего не известно. Диофант цитирует Гипсикла - II век до нашей эры, о Диофанте пишет Теон Александрийский - около 350 года нашей эры, можно предположить, что его жизнь протекала в границах этого периода. Возможное уточнение времени жизни Диофанта основано на том, что его «Арифметика» посвящена «достопочтеннейшему Дионисию». Полагают, что этот Дионисий - никто иной, как епископ Дионисий Александрийский, живший в середине III века нашей эры. Место жительства Диофанта хорошо известно – это знаменитая Александрия. Центр научной мысли эллинистического мира. В Палатинской антологии содержится эпиграмма–задача:
Прах Диофанта гробница покоит; дивись ей - и камень.
Мудрым искусством его скажет усопшего век.
Волей богов шестую часть жизни он прожил ребенком.
И половину шестой встретил с пушком на щеках.
Только минула седьмая. С подругой он обручился.
С нею, пять лет проведя, сына дождался мудрец;
Только полжизни отцовской, возлюбленный сын его прожил.
Отнят он был у отца ранней могилой своей.
Дважды два года родитель оплакивал тяжкое горе,
Тут и увидел предел жизни печальной своей.
(Перевод)
Используя современные методы решения уравнений можно сосчитать, сколько лет прожил Диофант.
Пусть Диофант прожил x лет. Составим и решим уравнение:
Умножим уравнение на 84, чтобы избавиться от дробей:
Таким образом, Диофант прожил 84 года.*(Энциклопедический словарь юного математика. составитель – Москва: педагогика, 1989 г.)
При исследовании диофантовых уравнений обычно ставятся следующие вопросы:
1. Имеет ли уравнение целочисленные решения;
2. Конечное, или бесконечное множество его целочисленных решений;
3. Решить уравнение на множестве целых чисел, т. е. найти все его целочисленные решения
4. Решить уравнение на множестве целых положительных чисел;
Поэтому мне представляется интересным самому исследовать на основе фактов представленных ранее «Диофантовы уравнения».
Отсюда целью моей работы является:
Исследовать варианты решения уравнений с одной неизвестной;
Исследовать варианты уравнений с двумя неизвестными;
Найти общие закономерности результатов решений поставленных задач.
Актуальность исследования обусловлена трудностями решения уравнений и задач на составление «Диофантовых уравнений»
Материал, представленный в данной работе, основывается на исследовании олимпиадных задачах и экзаменационных работах.
I . Диофант и его труды
Основное произведение Диофанта – «Арифметика» в тринадцати книгах. К сожалению, до наших дней сохранились только шесть первых книг из тринадцати. «Арифметика» Диофанта – это сборник задач их всего 189, каждая из которых снабжена решением или несколькими способами решения и необходимыми пояснениями. Поэтому, с первого взгляда, кажется, что она не является теоретическим произведением. Однако, при внимательном чтении видно, что задачи тщательно подобраны и служат для иллюстрации вполне определенных, строго продуманных методов. Как это было принято в древности, методы не формулируются в общем виде, а повторяются для решения однотипных задач. Главная проблематика «Арифметики» – это нахождение положительных рациональных решений неопределенных уравнений. Рациональные числа трактуются Диофантом так же, как и натуральные, что не типично для античных математиков. Сначала Диофант исследует системы уравнений второго порядка от двух неизвестных. Он указывает метод нахождения других решений, если одно уже известно. Затем аналогичные методы он применяет к уравнениям высших степеней. В X веке «Арифметика» была переведена на арабский язык, после чего математики стран ислама, Абу Камил и другие, продолжили некоторые исследования Диофанта. В Европе интерес к «Арифметике» возрос после того, как Рафаэль Бомбелли обнаружил это сочинение в Ватиканской библиотеке и опубликовал 143 задачи из его в своей «Алгебре» (1572 года). В 1621 году появился классический, подробно прокомментированный латинский перевод «Арифметики», выполненный Баше де Мезириаком. Методы Диофанта оказали огромное влияние на Франсуа Виета и Пьера Ферма, впрочем, в Новое время неопределенные уравнения обычно решаются в целых числах, а не в рациональных, как это делал Диофант. Известны и другие сочинения Диофанта. Трактат «О многоугольных числах» сохранился не полностью. В сохранившейся части методами геометрической алгебры выводится ряд вспомогательных теорем. Из сочинений Диофанта «Об измерении поверхностей» и «Об умножении» также сохранились лишь отрывки. Книга Диофанта «Поризмы» известна только по нескольким теоремам, используемым в Арифметике.*(Перельман математика. – Москва, 1962 г.)
Вывод: На основании вышеизложенного материала следует сделать вывод о том, что Диофант Александрийский не останавливается на одном решении, он старается обнаружить второе и последующее в поставленной задаче.
2. Решение Диофантовых уравнений.
2.1. Диофантовы уравнения с одним неизвестным.
где 
- целые числа.
Теорема. Если уравнение с целыми коэффициентами имеет целый корень, то этот корень является делителем числа (свободного члена уравнения). Таким образом, при отыскании целых корней уравнения с целыми коэффициентами достаточно испытать лишь делители свободного члена.*(Приглашение в элементарную теорию чисел. , .)
Задача 1
Решение. Свободный член уравнения имеет следующие делители https://pandia.ru/text/78/308/images/image009_5.gif" width="92 height=23" height="23">.
Задача 2 . Решить в целых числах уравнение
2x4 + 7x3 - 12x2 - 38x + 21 = 0.
Решение . Свободный член уравнения имеет следующие делители
Подстановкой в исходное уравнение убеждаемся, что из этого множества только
число -3 является его целым корнем.
Ответ: х=-3.
2.2. Неопределенные уравнения II -ой степени вида x 2 + y 2 = z 2
Существует еще одна частная задача на неопределенные уравнения – теперь уже второй степени, возникшая примерно за две тысячи лет до Диофанта в Древнем Египте.
Если стороны треугольника пропорциональны числам 3, 4 и 5, то этот треугольник – прямоугольный. Этот факт использовали для построения на местности прямых углов. Поступали довольно просто. На веревке на равном расстоянии друг от друга завязывали узлы (Рис. 1)
Рис. 1.
В точке С где надо было построить прямой угол, забивали колышек, веревку натягивали в направлении, нужном строителям, забивали колышек в точке В (СВ = 4) и натягивали веревку так, чтобы АС = 3 и АВ = 5. Треугольник с такими длинами сторон называют египетским. Мы, конечно, понимаем, что безошибочность такого построения следует из теоремы, обратной теореме Пифагора. Действительно,
32 + 42 = 52..gif" width="85 height=24" height="24"> в целых числах оказался довольно простым. Запишем подряд квадраты натуральных чисел, отделив их друг от друга запятой. Под каждой запятой запишем разность между последовательными квадратами:
1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100, 121, 144, 169, 196 … .
3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27 … .
А теперь внимание! Нет ли и в нижней строке квадратных чисел? Есть! Первое из них 9 = 32, над ним 16 = 42 и 25 = 52, знакомая нам тройка 3, 4, 5.
Следующее квадратное число в нижней строке 25, ему соответствует 144 и 169, отсюда находим вторую известную нам тройку 5, 12, 13 и т. д. Отсюда мы имеем право сформулировать такую теорему: Каждое нечетное число есть разность двух последовательных квадратов. Составлять такие строки – довольно скучное и трудоемкое занятие. По формулам находить такие тройки чисел и проще и быстрее. Проверим что если - нечетное число, то и . Проверим также, что в этом случае равенство DIV_ADBLOCK443">
если https://pandia.ru/text/78/308/images/image019_2.gif" width="88" height="41 src=">.gif" width="37" height="18 src=">.gif" width="100" height="42 src="> - вторая тройка и т. д.*(Башмакова, и диофантовы уравнения– М.:«Наука», 1972г.)
2.3. Примеры решения задач.
Задача 1 .Найти все пары натуральных чисел, удовлетворяющих уравнению
Решение. Разложим левую часть уравнения на множители и запишем уравнение вида: https://pandia.ru/text/78/308/images/image026_0.gif" width="63" height="21">, получим две системы уравнений, решив которые мы сможем найти искомые числа:
Первая система имеет решение https://pandia.ru/text/78/308/images/image030_0.gif" width="91" height="21">.
Ответ: .
Задача 2 . Доказать, что уравнение
Не имеет целых решений.
Решение. Разложим левую часть уравнения на множители и запишем данное уравнение в виде. 1 случай..gif" width="57" height="24 src=">, но это число не является целым. Значит, при у=0 данное уравнение не имеет целых решений. 2 случай. Пусть , тогда все пять множителей в левой части уравнения различны. С другой стороны число 33 можно представить в виде произведения максиму четырёх различных множителей (33=1·3·11 или 33=-1·3·(-11)·1 и т. д.). Следовательно, при данное уравнение также не имеет целых решений.*(Новоселов курс элементарной алгебры. – М:Советская наука, 1956). Следует сделать вывод о том, что решения уравнений сводятся к нахождению натуральных чисел; с помощью «Пифагоровой тройки»
3. Мои исследования.
1. Найти все натуральные числа с, для которых уравнение Зх + 5у = с имеет решение в неотрицательных целых числах.
Ясно, что при с = 3,5, 6, 8, 9 уравнение Зх + 5 у = с имеет решение в неотрицательных числах х и у, а при с = 1, 2, 4, 7 таких решений уравнение не имеет. Заметим также, что если Зn + 5т = с, (n, m Є N), то 3(n +1) + 5т = с + 3, поэтому, так как 3*1 + 5*1 = 8, то уравнение Зх + 5у = с при с = 8, 8 + 3 = 11, 11 + 3 = 14, 17, 20, 23,... имеет решение. Аналогично, так как 3*3 = 9 и 5*2 = 10, то при с = 9, 9 + 3 = 12, 15, 18,... и при с = 10, 13, 16, 19,... уравнение Зх + 5 у = с имеет решение в неотрицательных целых числах. Но в последовательностях 8 + 3t, 9 + 3t, 10 + 3t, где t = 0,1, 2, 3,... содержатся все натуральные числа больше 7. Таким образом, при любом натуральном с > 1 уравнение Зх + 5 у = с имеет решение в неотрицательных целых числах х и у. Приведу еще один способ решения задания. Этот способ менее изощренный, чем ранее приведенный, но более универсальный. Состоит он в том, что сначала мы находим все целочисленные решения уравнения по формулам (1), а затем в силу неотрицательности х и у получаем некоторые ограничения на целочисленный параметр t. Итак, из 3*2 + 5*(-1) = 1 следует, 3*(2с) + 5*(-с) = с, то есть х0=2с и у0=-с. Откуда, по формулам (1) получаем х = 2с-5t, у = - с + 3t. Далее, из условий 2c-5t≥0 и - с+ 3t≥0 получаем t Є . Таким образом, для решения задачи нам надо указать все такие натуральные значения с, при которых отрезок содержит хотя бы одно целое число. Ясно, что если длина отрезка
2c/5 – c/3 = c/15 не менее единицы, то в нем обязательно содержится целое число. Отсюда следует, что при с ≥15 уравнение 3х +5у=с разрешимо в неотрицательных целых числах. Случаи, когда 1≤с≤14, можно легко проверить простым перебором. Найдем, что с Є {3;5;6;8;9;10;11;12;13;14}. Таким образом, получаем ответ: с Є {3;5;6} U {z Є Z │ z≥8 }.
2. Решить в целых числах уравнение:
Разделим 5 на -4 с «остатком», 
, преобразуем исходное уравнение к виду
Заменив https://pandia.ru/text/78/308/images/image041.gif" width="140" height="21 src=">, следовательно
DIV_ADBLOCK445">
Откуда 2х+у+7(3х-2у+z)=5. Полагая теперь и= 3х-2у+z, получаем уравнение: 2х+у+7и=5.
Таким образом, окончательно получаем: У= 5-2х-7и, z=10-7х-13и, где параметры х, и Є Z дают общее решение предположенного диофантова уравнения. Этот метод «наименьшего коэффициента» применим и для решения диофантовых уравнений вида ax+by=c.
4. Найти натуральное число, которое при делении на 3 дает остаток 2, а при делении на 5- остаток 3.
Обозначим искомое число через х. Если частное от деления х на 3 обозначим через у, а частное от деления на 5 через z, то по теореме о делении с остатком получим х=3у+2, х=5z+3. Таким образом, нам надо решить в натуральных числах уравнение 5z-3у+1=0. Применяя описанный ранее алгоритм решения этого уравнения, получаем z=1+3t, y= 2+5t (t Є Z) и, значит, x=5z+3=5(2+3t)+3= 8+15t. Так как х по условию должен быть натуральным числом, то параметр t в ответе должен принимать только неотрицательные целые значения, т. е. Х=8+15t, t Є Z.
5. Куплены фломастеры по 7 рублей и карандаши по 4 рубля за штуку, всего на сумму 53 рубля. Сколько куплено фломастеров и карандашей?
Пусть х – число фломастеров, у – число карандашей, тогда по условию 7х+ 4у=53. Частное решение этого линейного диофантова уравнения есть: х=7, у=1. Тогда общее решение его имеет вид: х= 7-4t, y= 1+7t, t Є Z. Однако, так как по условию х> 0, y>0, то значениями параметра t могут быть лишь t=0 и t=1. При t=0 получаем х=7, у=1, а при t=1 имеем: х=3, у=8. Таким образом, решений два, т. е. возможны два варианта покупки фломастеров и карандашей на сумму 53 рубля.
6. Разность двух натуральных чисел равна 66, а их НОК равно 360. Найти эти числа.
Пусть а и b данные натуральные числа, тогда, по условию, имеем систему уравнений: Так как
а| 360, b | 360, то 360 = а*n, 360 = b*т, где n, m Є N. Отсюда получаем
https://pandia.ru/text/78/308/images/image045.gif" width="27" height="15">.gif" width="31" height="41 src=">, и, подставляя эти выражения в первое уравнение системы, приведя к общему знаменателю, имеем 60m-60n=11mn, откуда находим
Так как m>0 и n - натуральное число, причем n
а=90, b=24 и a=72, b=6. *(Форков олимпиады в школе. – Москва: Айрис - пресс, 2003 г.)
Вывод: На основании проведенных мною исследований по Диофантовым уравнениям следует сделать вывод о том, что можно использовать различные подходы при их решении.
4. О «многоугольных числах» Диофанта
Каждое из возрастающих от единицы чисел, начиная с трех, является первым, начиная от единицы, называется многоугольником и имеет столько углов, сколько в нем содержится единиц, стороной же его будет число, которое следует за единицей, т. е. 2. Тогда 3 будет треугольником, 4 - четырехугольником, 5 - пятиугольником и т. д. О квадратах хорошо известно, что они получаются от умножения некоторого числа на самого себя. Доказывается также, что каждый многоугольник, умноженный на число, зависящее от количества его углов, и сложенный с квадратом некоторого числа, тоже зависящего от количества его углов, может быть представлен как некоторый квадрат. Если три числа имеют одинаковые разности, то восемь раз взятое произведение наибольшего и среднего, сложенное с квадратом наименьшего, будет квадратом, сторона которого равна сумме наибольшего и двух средних.
Действительно, пусть три числа АВ, В Г и ВД имеют одинаковые разности; нужно доказать, что 8АВ*ВГ, (сложенное с АВ2, образует квадрат, сторона которого равна сумме АВ и 2ВГ.
8АВ*ВГ разложим на 8ВГ2 и 8АГ*ВГ.) Затем каждое из упомянутых разделим пополам, получим 4АВ*ВГ, 4ВГ2 и 4АГ*ВГ т. е. 4ВГ*ГД, ибо АГ равно ГД; вместе же с ДВ2 получится АВ2 . Второе из произведений 4АГ-ГВ, сложенное с ДВ2, дает В А2. Теперь остается узнать, каким образом АВ2 вместе с 4АВ*ВГ и 4ВГ2 даст в сумме квадрат. Если мы положим АЕ, равным ВГ, то 4АВ*ВГ преобразуется в 4ВА*АЕ, которое, будучи сложено с 4ГВ2 или с 4АЕ2, сделается равным 4ВЕ*ЕА (ВА*АЕ + АЕ2 = АЕ*(АЕ + АВ) = ВЕ*ЕА.), а оно, сложенное с АВ2, сделается равным квадрату на сумме BE и ЕА, как одной прямой (4ВЕ-ЕА + АВ2 = (BE + ЕА)2.). Но сумма BE и ЕА равна сумме АВ и 2АЕ, т. е. 2ВГ. Что и требовалось доказать. Если дано любое количество чисел с одинаковыми разностями, то разность между наибольшим и наименьшим равняется разности чисел, умноженной на уменьшенное, на единицу количество заданных чисел. Пусть даны любые числа АВ, ВГ, ВД, BE с одинаковыми разностями, нужно показать, что разность между
АВ и BE равна разности между АВ и ВГ, умноженной на количество АВ, ВГ, ВД, BE, уменьшенное на единицу.
Действительно, поскольку предполагается, что АВ, ВГ, ВД, BE имеют между собой одинаковые разности, то, значит, АГ, ГД, ДЕ будут между собой равными. Следовательно, ЕА равняется АГ, умноженному на количество АГ, ГД, ДЕ; количество же АГ, ГД, ДЕ будет на единицу меньше количества АВ, ВГ, ВД, BE; таким образом, ЕА кратно АГ в число раз, на единицу меньшее количества АВ, ВГ, В Д, BE. И АЕ представляет разность между наибольшим и наименьшим числами, а АГ есть их одна общая разность. Простым же языком говоря, то существуют треугольные, четырехугольные, пятиугольные и т. д.
Треугольные числа
https://pandia.ru/text/78/308/images/image064.gif" alt="\frac{n(n+1)}{2}" width="73" height="42">
Свойства:
· Сумма двух последовательных треугольных чисел даёт полный квадрат (квадратное число).
- Чётность элемента последовательности меняется с периодом 4: нечётное, нечётное, чётное, чётное.
Квадратные числа
Квадратные числа представляют собой произведение двух одинаковых натуральных чисел, то есть являются полными квадратами:
1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100, …, n².
Пятиугольные числа
1, 5, 12, 22, 35, 51, 70, 92, 117, 145, …, *(Арифметика и книга о многоугольных числах. Перевод с древнегреческого)
Вывод: С помощью геометрической интерпретации, Диофант вывел формулы последовательностей многоугольных чисел, что вызывает интерес у математиков.
5. Заключение.
Диофант Александрийский, стремится свести решения от простого к сложному, основываясь на различных подходах к решению уравнений, а так же используя «Пифагоровы тройки».
В заключительной части своей работы мне особенно хотелось подчеркнуть, что изучив специальную литературу, посвященную диофантовым уравнениям, я расширил свои математические навыки и получил дополнительные знания о самом Диофанте, его последователях, а также о влиянии его научных трудов на дальнейшее развитие научной математической мысли. Именно благодаря методам Диофанта были разгаданы методы самого Архимеда. И если история интеграционных методов Архимеда в основном завершается созданием интегрального и дифференциального исчисления Ньютоном и Лейбницем, то история методов Диофанта растягивается еще на несколько сотен лет, переплетаясь с развитием теории алгебраических функций и алгебраической геометрии. Развитие идей Диофанта можно проследить вплоть до работ Анри Пуанкаре и Андре Вейля. Именно Диофант открыл нам мир арифметики и алгебры. Поэтому история Диофантова анализа показалась мне особенно интересной.
6. Список используемой литературы.
1. Арифметика и книга о многоугольных числах. Перевод с древнегреческого
2. Башмакова, и диофантовы уравнения– М.:«Наука», 1972г.
3. Задания городских и районных олимпиад.
4.Новоселов курс элементарной алгебры. – М:Советская наука, 1956
5. Перельман математика. – Москва, 1962 г.
6. Приглашение в элементарную теорию чисел. , .
7. Форков олимпиады в школе. – Москва: Айрис-пресс, 2003 г.
8.Черкасов. Интенсивный курс подготовки к экзамену.- М.: Рольф. 2000.
9.Энциклопедический словарь юного математика. Составитель – Москва: педагогика, 1989 г.
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.
- Пример №1 (простой)
- Пример №2 (сложный)
- Задача про кур, кроликов и их лапы
- Задача про продавщицу и сдачу
По отзывам сибмам, настоящим камнем преткновения в школьном курсе математики не только для учеников, но и для родителей становятся диофантовы уравнения. Что это такое и как их правильно решать? Разобраться нам помогли учитель математики образовательного центра «Горностай» Аэлита Бекешева и кандидат физико-математических наук Юрий Шанько.
Кто такой Диофант?
Еще древние египтяне для удобства рассуждений придумали специальное слово, обозначавшее неизвестное число, но в то время не было еще знаков действий и знака равенства, поэтому и записывать уравнения они не умели.
Первым, кто придумал, как можно записать уравнение, был замечательный ученый Диофант Александрийский. Александрия была большим культурным, торговым и научным центром древнего мира. Этот город существует и сейчас, он находится на Средиземноморском побережье Египта.
Жил Диофант, по-видимому, в III веке н.э. и был последним великим математиком античности. До нас дошли два его сочинения — «Арифметика» (из тринадцати книг сохранилось шесть) и «О многоугольных числах» (в отрывках). Творчество Диофанта оказало большое влияние на развитие алгебры, математического анализа и теории чисел.
А ведь вы знаете кое-что о диофантовых уравнениях…
Диофантовы уравнения знают все! Это задачки для учеников младших классов, которые решаются подбором.
” Например, «сколькими различными способами можно расплатиться за мороженое ценой 96 копеек, если у вас есть только копейки и пятикопеечные монеты?»
Если дать диофантовому уравнению общее определение, то можно сказать, что это алгебраическое уравнение с дополнительным условием: все его решения должны быть целыми числами (а в общем случае и рациональными).
” Зачастую мамы (особенно те, кто окончил школу еще при развитом социализме) полагают, что основная цель таких задач - научить детей расплачиваться мелочью за мороженое. И вот, когда они искренне убеждены, что раскладывание мелочи кучками осталось далеко в прошлом, их любимый семиклассник (или восьмиклассник) подходит с неожиданным вопросом: «Мама, как это решать?», и предъявляет уравнение с двумя переменными. Раньше таких задачек в школьном курсе не было (все мы помним, что уравнений должно быть столько же, сколько и переменных), так что мама не-математик нередко впадает в ступор. А ведь это та же самая задача про мелочь и мороженое, только записанная в общем виде!
Кстати, а зачем к ней вдруг возвращаются в седьмом классе? Все просто: цель изучения диофантовых уравнения - дать основы теории целых чисел, которая дальше развивается как в математике, так и в информатике и программировании. Диофантовы уравнения часто встречаются среди задач части «С» единого госэкзамена. Трудность, прежде всего в том, что существует множество методов решения, из которых выпускник должен выбрать один верный. Тем не менее, линейные диофантовы уравнения ax + by = c могут быть решены относительно легко с помощью специальных алгоритмов.
Алгоритмы для решения диофантовых уравнений
Изучение диофантовых уравнения начинается в углубленном курсе алгебры с 7 класса. В учебнике Ю.Н. Макарычева, Н.Г. Миндюка приводятся некоторые задачи и уравнения, которые решают с использованием алгоритма Евклида и метода перебора по остаткам , - рассказывает Аэлита Бекешева. - Позже, в 8 - 9 классе, когда уже рассматриваем уравнения в целых числах более высоких порядков, показываем ученикам метод разложения на множители , и дальнейший анализ решения этого уравнения, оценочный метод . Знакомим с методом выделения полного квадрата . При изучении свойств простых чисел знакомим с малой теоремой Ферма, одной из основополагающих теорем в теории решений уравнений в целых числах. На более высоком уровне это знакомство продолжается в 10 - 11 классах. В это же время мы подводим ребят к изучению и применению теории «сравнений по модулю», отрабатываем алгоритмы, с которыми знакомились в 7 - 9 классах. Очень хорошо это материал прописан в учебнике А.Г. Мордковича «Алгебра и начала анализа, 10 класс» и Г.В. Дорофеева «Математика» за 10 класс.
Алгоритм Евклида
Сам метод Евклида относится к другой математической задаче - нахождению наибольшего общего делителя: вместо исходной пары чисел записывают новую пару - меньшее число и разность между меньшим и большим числом исходной пары. Это действие продолжают до тех пор, пока числа в паре не уравняются - это и будет наибольший общий множитель. Разновидность алгоритма используется и при решении диофантовых уравнений - сейчас мы вместе с Юрием Шанько покажем на примере, как решать задачи "про монетки".
Рассматриваем линейное диофантово уравнение ax + by = c, где a, b, c, x и y — целые числа. Как видите, одно уравнение содержит две переменных. Но, как вы помните, нам нужны только целые корни, что упрощает дело - пары чисел, при которых уравнение верно, можно найти.
Впрочем, диофантовы уравнения не всегда имеют решения. Пример: 4x + 14y = 5. Решений нет, т.к. в левой части уравнения при любых целых x и y будет получаться четное число, а 5 — число нечетное. Этот пример можно обобщить. Если в уравнении ax + by = c коэффициенты a и b делятся на какое-то целое d, а число c на это d не делится, то уравнение не имеет решений. С другой стороны, если все коэффициенты (a, b и c) делятся на d, то на это d можно поделить все уравнение.
Например, в уравнении 4x + 14y = 8 все коэффициенты делятся на 2. Делим уравнение на это число и получаем: 2𝑥 + 7𝑦 = 4. Этот прием (деления уравнения на какое-то число) позволяет иногда упростить вычисления.
Зайдем теперь с другой стороны. Предположим, что один из коэффициентов в левой части уравнения (a или b) равен 1. Тогда наше уравнение уже фактически решено. Действительно, пусть, например, a = 1, тогда мы можем в качестве y взять любое целое число, при этом x = c − by. Если научиться сводить исходное уравнение к уравнению, в котором один из коэффициентов равен 1, то мы научимся решать любое линейное диофантово уравнение!
Я покажу это на примере уравнения 2x + 7y = 4.
Его можно переписать в следующем виде: 2(x + 3y) + y = 4.
Введем новую неизвестную z = x + 3y, тогда уравнение запишется так: 2z + y = 4.
Мы получили уравнение с коэффициентом один! Тогда z — любое число, y = 4 − 2z.
Осталось найти x: x = z − 3y = z − 3(4 − 2z) = 7z − 12.
Пусть z=1. Тогда y=2, x=-5. 2 * (-5)+7 * 2=4
Пусть z=5. Тогда y=-6, x=23. 2 * (23)+7 * (-6)=4
” В этом примере важно понять, как мы перешли от уравнения с коэффициентами 2 и 7 к уравнению с коэффициентами 2 и 1. В данном случае (и всегда!) новый коэффициент (в данном случае - единица) это остаток от деления исходных коэффициентов друг на друга (7 на 2).
В этом примере нам повезло, мы сразу после первой замены получили уравнение с коэффициентом 1. Такое бывает не всегда, но и мы можем повторять предыдущий трюк, вводя новые неизвестные и выписывая новые уравнения. Рано или поздно после таких замен получится уравнение с коэффициентом 1.
Давайте попрообуем решить более сложное уравнение, предлагает Аэлита Бекешева.
Рассмотрим уравнение 13x - 36y = 2.
Шаг №1
36/13=2 (10 в остатке). Таким образом, исходное уравнение можно переписать следующим образом: 13x-13* 2y-10y=2. Преобразуем его: 13(x-2y)-10y=2. Введем новую переменную z=x-2y. Теперь мы получили уравнение: 13z-10y=2.
Шаг №2
13/10=1 (3 в остатке). Исходное уравнение 13z-10y=2 можно переписать следующим образом: 10z-10y+3z=2. Преобразуем его: 10(z-y)+3z=2. Введем новую переменную m=z-y. Теперь мы получили уравнение: 10m+3z=2.
Шаг №3
10/3=3 (1 в остатке). Исходное уравнение 10m+3z=2 можно переписать следующим образом: 3* 3m+3z+1m=2. Преобразуем его: 3(3m+z)+1m=2. Введем новую переменную n=3m+z. Теперь мы получили уравнение: 3n+1m=2.
Ура! Мы получили уравнение с коэффициентом единица!
m=2-3n, причем n может быть любым числом. Однако нам нужно найти x и y. Проведем замену переменных в обратном порядке. Помните, мы должны выразить x и y через n, которое может быть любым числом.
y=z-m; z=n-3m, m=2-3n ⇒ z=n-3* (2-3n), y=n-3*(2-3n)-(2-3n)=13n-8; y=13n-8
x=2y+z ⇒ x=2(13n-8)+(n-3*(2-3n))=36n-22; x=36n-22
Пусть n=1. Тогда y=5, x=24. 13 * (14)-36 * 5=2
Пусть n=5. Тогда y=57, x=158. 13 * (158)-36 * (57)=2
Да, разобраться не очень просто, зато теперь вы всегда сможете решить в общем виде задачи, которые решаются подбором!
Решаем задачи на подбор чисел
Примеры задач для учеников младших классов, которые решаются подбором: посоревнуйтесь с ребенком, кто решит их быстрее: вы, используя алгорит Евклида, или школьник - подбором?
Задача про лапы
Условия
В клетке сидят куры и кролики. Всего у них 20 лап. Сколько там может быть кур, а сколько - кроликов?
Решение
Пусть у нас будет x кур и y кроликов. Составим уравнение: 2х+4y=20. Сократим обе части уравнения на два: x+2y=10. Следовательно, x=10-2y, где x и y - это целые положительные числа.
Ответ
Число кроликов и куриц: (1; 8), (2; 6), (3; 4), (4; 2), (5; 0)
Согласитесь, получилось быстрее, чем перебирать «пусть в клетке сидит один кролик...»
Задача про монетки
Условия
У одной продавщицы были только пяти- и двухрублевые монетки. Сколькими способами она может набрать 57 рублей сдачи?
Решение
Пусть у нас будет x двухрублевых и y пятирублевых монеток. Составим уравнение: 2х+5y=57. Преобразуем уравнение: 2(x+2y)+y=57. Пусть z=x+2y. Тогда 2z+y=57. Следовательно, y=57-2z , x=z-2y=z-2(57-2z) ⇒ x=5z-114 . Обратите внимание, переменная z не может быть меньше 23 (иначе x, число двухрублевых монеток, будет отрицательным) и больше 28 (иначе y, число пятирублевых монеток, будет отрицательным). Все значения от 23 до 28 нам подходят.
Ответ
Шестью способами.
Подготовила Татьяна Яковлева
Международная научно-практическая конференция
«Первые шаги в науку»
Исследовательская работа по математике по теме:
“Диофантовы уравнения, типы и способы решения»
Предметная область: математика
Работу выполнила:Хомякова Ольга, ученица 10 класса
Учитель:, учитель математики
Образовательное учреждение:
Брянск 2014
1. Введение-3
2.Основная часть.---5
1.Историческая справка-----5
2.Виды диофантовых уравнений и их классификация
3. Диофантовые уравнения в части С ЕГЭ-13
4. Практическое применение теории диофантовых ур-ний -16
Заключение
5. Литература
Введение
Актуальность исследования:
В школьном курсе математики диофантовы уравнения практически не изучаются, но, например, в заданиях группы С6 в ЕГЭ встречаются уравнения 2-ой степени. Также с этими заданиями я сталкивалась в математических олимпиадах. Я заинтересовалась этой темой для того, чтобы успешно сдать Единый Государственный Экзамен и принимать участие в олимпиадах и конкурсах. Помимо этого, меня заинтересовала практическая направленность области этой темы.
Предметная областью моего исследования является математика.
Объект работы - диофантовы уравнения, типы и способы их решения.
Цель работы:
1. Повысить уровень математической культуры ;
2. Развить в себе навыки исследовательской деятельности в области математики;
3. Научиться самой и научить других решать диофантовы уравнения эффективными методами;
4. Применять эти методы решения к задачам из повседневной жизни человека, а также к задачам, предлагаемым на вступительных экзаменах в ВУЗы и в олимпиадных заданиях;
5. Классифицировать методы решений дифференциальных уравнений;
6. Составить сборник задач с решениями в помощь ученикам нашей школы.
Задачи:
1. изучить исторические корни ;
2. научиться пользоваться научной литературой , строить графики в современных компьютерных программах, быстро и грамотно находить информацию в интернете;
3. исследовать методы решения задач, приводимых к уравнениям первой степени с двумя переменными, выбрав самые удобные и простые;
4. научиться решать задачи из повседневной жизни, вступительных экзаменов в ВУЗы экономического направления и олимпиадных заданий, применив изученные ранее методы;
5. разработать методическое пособие для всех интересующихся (подобрать или самим составить задачи с экономическим содержанием, приводящие к решению уравнений с двумя переменными).
Методы исследования : анализ, синтез, сравнение, противопоставление, ранжирование, прогнозирование, наблюдение.
Гипотеза: изучив типы, классифицировав диофантовы уравнения по способам решения можно успешно справиться с решением текстовых задач, задач с практическим содержанием и с частью заданий С6 ЕГЭ.
Этапы работы :
1. Изучение истории появления диофантовых уравнений, основной литературы по этой теме;
2. Изучение способов и методов решения диофантовых уравнений;
3. Попытка их классификации ;
4. Поиск практической значимости данной темы.
Основая часть.
1.Историческая справка.
Диофант(вероятно 3 в. н. э. – древнегреческий математик из Александрии)
Диофантовы уравнения – алгебраические уравнения или системы алгебраических уравнений с целыми коэффициентами, у которых отыскиваются целые или рациональные решения.
Эти уравнения названы по имени Диофанта (вероятно 3 в. н. э. – древнегреческий математик из Александрии), изучавшего такие уравнения.
Диофант представляет одну из наиболее трудных загадок в истории науки. Нам неизвестно ни время, когда он жил, ни предшественники, которые работали бы в той же области. Достаточно решить уравнение первой степени с одним неизвестным – и мы узнаем, что Диофант прожил 84 года.
Наиболее загадочным представляется творчество Диофанта. До нас дошло шесть из тринадцати книг, которые были объединены в “Арифметику”, стиль и содержание этих книг резко отличается от классических античных сочинений по теории чисел и алгебры, образцы которых мы знаем по “Началам” Евклида, его “Данным”, леммам из сочинений Архимеда и Аполлония. “Арифметика”, несомненно, явилась результатом многочисленных исследований, которые остались совершенно неизвестными. Число неизвестных диофантовых уравнениях превосходит число уравнений, и поэтому иногда их называют неопределенными.
Диофантовы уравнения впервые обстоятельно исследовались в книге Диофанта “Арифметика”. Такие уравнения имеют некоторые особенности:
1. Они сводятся к уравнениям или системам уравнений с целочисленными коэффициентами.
2. Требуется найти только целые, часто натуральные решения.
2. Определение, виды диофантовых уравнений и способы их решений.
Итак, диофантовым уравнением для целочисленных переменных х 1 , х 2 , …, х n называется уравнение, которое может быть приведено к виду
P ( x 1 , x 2 , …, x n ) =0
Где Р - некоторый многочлен от указанных переменных с целыми коэффициентами.
Простейшим диофантовым уравнением является уравнение вида ax + by = c , где a и b – целые взаимно простые числа. Такое диофантово уравнение имеет бесконечное число решений: если x 0 и y 0 – одно решение, то числа x = x 0 + bn и y = y 0 - an (где n - любое целое число ) также будут решениями, которыми исчерпывается вся совокупность решений.
Виды диофантовых уравнений:
1.Однородные уравнения:
Пример 1:
Итак, я предлагаю рассмотреть решение следующего уравнения:
8 x +9 y =43
Так как 8 и 9 взаимно простые числа, т. е. наибольший общий делитель 8 и 9 равен 1 то решение существует. Одно из решений найдем подбором:
x 0 =2, y 0 =3. Остальные решения вычисляются по формулам:
x = x 0 + bn
y = y 0 - an
Отсюда х =2+9 n , y =3-8 n , n принадлежит Z .
Если наибольший общий делитель d коэффициентов а и b больше 1, асвободный член с не делится на d , то уравнение ах + by = c не имеет решений в целых числах.
Пример 2:
А теперь рассмотрим линейное диофантово уравнение, которое не имеет целых решений:
5 x+35y=17
Для доказательства того, что это уравнение не имеет целых решений, необходимо вынести за скобки общий множитель 5, получим 5( x +7 y )=17 . Тогда левая часть уравнения делится на 5, а правая часть на 5 не делится. Значит, уравнение не имеет решений в целых числах.
Любое уравнение ах + by = с , где НОД(а, b ) = 1, имеет хотя бы одно решение в целых числах.
Задача 1:
К диофантовому уравнению приводит и такая задача:
На покупку нескольких открыток по 11 рублей и конвертов по 13 рублей потратили всего 61 рубль. Сколько купили открыток?
Давайте обозначим число открыток через х , а число конвертов через y , то задача сводится к уравнению 11 x +13 y =61 . Очевидно, что по условию задачи здесь пригодны лишь целые положительные числа. Методом подбора найдем такие числа. Данное уравнение имеет только одно такое решение: x =2, y =3 .
Еще в Древнем Вавилоне родилась задача о построении прямоугольного треугольника с попарно соизмеримыми сторонами. Соизмеримость сторон означает, что найдется такой масштаб, в котором катеты и гипотенуза будут выражаться натуральными числами x и y , но тогда:
x^2+y^2=z^2 .
Таким образом, вавилонская задача сводится к задаче построения всех троек натуральных чисел x , y , z удовлетворяющих предыдущему уравнению. Пифагорейцы нашли способ построения всех его решений. Но, возможно, этот способ был найден еще раньше в Вавилоне и Индии. Так или иначе, решения (x , y , z ) уравнения x ^2+ y ^2= z ^2 принято называть пифагоровыми тройками: x =2 n +1; y =2 n ( n +1) ; z =2 n ^2+2 n +1 , n принадлежит Z . Примеры пифагорейских троек: 3, 4, 5 ; 6, 8, 10 ; 5, 12, 13 .
Однако эти формулы не дают возможности найти все пифагорейские тройки чисел, имеющие выбранное исходное число. Формулы Пифагора и Платона и их различные модификации дают только частные решения. Приведем еще примеры пифагорейских троек чисел, которые нельзя получить по указанным формулам: 72, 65, 97 ; 72, 320, 328 .
Эти и другие пифагорейские тройки чисел дает вавилонская клинописная табличка, относимая к эпохе гг. до н. э. Метод вавилонян дает возможность найти все пифагорейские тройки, содержащие выбранные исходные числа.
Известный в теории диофантовых уравнений является проблема Ферма (Пьер Ферма () – французский математик). Эта проблема носит название великой теоремы Ферма.
Теорема:
Для любого натурального числа n >2 уравнение x ^ n + y ^ n = z ^ n не имеет решений в целых положительных числах x , y , z .
Она была сформулирована Ферма примерно в 1630 году на полях книги Диофанта “Арифметика”. Общее доказательство получил английский математик Уайлс в 1995 году.
2уравнения второй степени:
Следующим типом диофантовых уравнений являются уравнения второй степени ax ^2+ bxy + cy ^2+ dx + ey + f =0 , где a , b , c , d , e , f – целые числа. Такие уравнения могут иметь бесконечно много решений, например, уравнение Пелля (Джон Пелль: английский математик): x ^2- Ay ^2=1 (A >0, A - неполный квадрат).
Пример 3, 4 , 5, 6:
Я предлагаю вам решить 4 уравнения:
1. x(x + y)=11
2. x(x – 3y)=2
3. (x + 2y)(2x – y)= -2
4. xy - 3y + x =5
Итак, попробуем найти решение для первого уравнения :
Так как число 11 имеет делители только 1 и 11, то возможны следующие сочетания сомножителей:
1. x =1,
x + y=11
Тогда x=1, y=10.
2. x=11,
x + y=1
Тогда x=11, y= -10
3. x= -1,
x + y= -11
Тогда x= -1, y= -10
4. x= -11
x = y= -1
Тогда x= -11, y= 10
Ответ запишем в следующем виде: (1;10), (11;-10), (-1;-10), (-11;10).
Задачу №2 я предлагаю решить аналогичным способом, при помощи 4 систем.
1. х=2,
Х – 3у=1
Тогда х=2, у=1/3 (т. е. система не имеет решения в целых числах).
2. х=1,
Х – 3у=2
Тогда х=1, у=-1/3 (т. е. система не имеет решения в целых числах).
3. х=-1,
Х – 3у=-2
Тогда х=-1, у=1/3 (т. е. система не имеет решения в целых числах).
4. х=-2,
Х - 3у=-1
Тогда х=-2, у=-1/3 (т. е. система не имеет решения в целых числах).
Из этих пар чисел видно, что уравнение не имеет решений в целых числах.
Задачу № 3 тоже можно решить при помощи 4 систем. Решив системы, получим следующие пары чисел: (0;-1), (0;1), (y =4/5), (y = -4/5)
Последние две системы не имеют целых решений, следовательно, ответ: (0;-1),(0;1).
Последнее уравнение не похоже на 3 предыдущих.
Преобразуем заданное уравнение (вынесем за скобки y и вычтем и прибавим число 3):
y ( x – 3) + x – 3=5 -3 ;
В результате преобразований получаем уравнение:
(x – 3)(y + 1)=2
Так как число 2 может быть представлено 4 способами в виде произведения целых чисел 2= (-2) * (-1); 2=(-1) * (-2); 2=1 * 2; 2= 2*1, то возможны четыре системы. Из них получаем четыре пары чисел (1; -2), (2; -3), (4;1), (5;0). Ответом этого уравнения будут являться все 4 пары.
Пример 7:
9 x^2 – y^2= 14
Запишем данное уравнение в виде (3 x – y ) * (3 x + y )=14 . Так как число 14 с учетом порядка следования множителей может быть представлено в виде произведения целых чисел следующим образом: 14=(-2) * (-7); 14=(-7) *(-2); 14=(-1) * ; 14= (-14) * (-1); 14= 2 * 7; 14= 7 * 2; 14= 1* 14; 14= 14* 1, то будет 8 случаев.
Решив все 8 систем, мы получаем дробные значения, а значит, что это уравнение не имеет решений в целых числах.
Пример 8:
3 x ^2 + 5 xy + 2 y ^2=7
Разложим левую часть заданного уравнения на линейные множители: Уравнение примет вид: (3 x + 2 y )( x + y )=7
Так как 7 число простое, то оно равно произведению двух целых чисел в четырех случаях. Решив все 4 системы, получим пары чисел (-5;4), (5; -4), (-13;20), (13;-20) . Эти числа и будут ответом.
Пример 9:
x^2 + y^2 – 2x + 4y=-5
В левой части уравнения выделим полный квадрат:
x^2 – 2x + 1 + y^2 + 4y + 4=0
(x – 1)^2 + (y + 2)^2=0
Сумма квадратов равна 0 лишь в одном случае
(x – 1) ^ 2=0 ,
(y + 2)^2=0
Решив систему, получим, что x = 1, y = -2
Ответ: (1 ; -2).
Пример 10:
x^2 – 6x + y^2 + 6y + 18=0
Докажем, что это уравнение имеет единственное целочисленное решение.
В левой части уравнения выделим полные квадраты:
(x – 3)^2 + (y + 3)^2=0
Данное уравнение имеет решение, когда
x – 3=0,
y + 3=0
Т. е. при x=3, y= -3.
Теперь я предлагаю рассмотреть графический метод решения диофантовых уравнений.
Алгоритм построения графика уравнения ах + by + с = 0:
1. Придать переменной х конкретное значение х= х1; найти из уравнения ах1 + by + c = 0 соответствующее значение y = y 1.
2. Придать переменной х другое значение х=х2; найти из уравнения ах2 + by + c = 0 соответствующее значение y = y 2.
3. Построить на координатной плоскости х Oy две точки (х1;у1) и (х2;у2).
4. Провести через эти две точки прямую – она и будет графиком уравнения ах + by + с = 0.
Пример 11:
Так, например, уравнение 5 x + 7 y =17 можно решить графическим методом, изобразив прямую 5 x + 7 y = 17, и определив на этой прямой точки, обе координаты которых будут в данном случае натуральными числами.
Целые решения: (2 ;1),(9;-4), (16;-9),(-5;6),(-12;11)
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.