高中数学竞赛辅导初等数论不定方程
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不定方程
不定方程是指未知数的个数多于方程的个数,且未知数的取值范围是受某些限制(如整数、正整数或有理数)的方程.不定方程是数论的一个重要课题,也是一个非常困难和复杂的课题.
1.几类不定方程 (1)一次不定方程
在不定方程和不定方程组中,最简单的不定方程是整系数方程
)0,0(,0≠>=++b a c by ax 通常称之为二元一次不定方程.一次不定方程解的情况有如下
定理.
定理一:二元一次不定方程c b a c by ax ,,,=+为整数.有整数解的充分必要条件是c b a |),(. 定理二:若00,,1),(y x b a 且=为①之一解,则方程①全部解为at y y bt x x -=+=00,. (t 为整数)。
(2)沛尔)(pell 方程
形如12
2
=-dy x (*d N ∈,d 不是完全平方数)的方程称为沛尔方程. 能够证明它一定有无穷多组正整数解;又设),(11y x 为该方程的正整数解),(y x 中使d y x +最小的
解,则其的全部正整数解由111111111[()()]2)()]
n n
n n n n x x x y x x ⎧=+-⎪⎪
⎨⎪=-⎪⎩
(1,2,3,
n =)给
出.
①只要有解),(11y x ,就可以由通解公式给出方程的无穷多组解. ②n n y x ,
满足的关系:1(n
n x y x y +=+;112
11222n n n n
n n x x x x y x y y ----=-⎧⎨
=-⎩ , (3)勾股方程2
2
2
z y x =+
这里只讨论勾股方程的正整数解,只需讨论满足1),(=y x 的解,此时易知z y x ,,实际上两两互素. 这种z y x ,,两两互素的正整数解),,(z y x 称为方程的本原解,也称为本原的勾股数。容易看出y x ,一奇一偶,无妨设y 为偶数,下面的结果勾股方程的全部本原解通解公式。
定理三:方程2
2
2
z y x =+满足1),(=y x ,2|y 的全部正整数解),,(z y x 可表为
2222,2,b a z ab y b a x +==-=,其中,b a ,是满足b a b a ,,0>>一奇一偶,且
1),(=b a 的任意整数.
4.不定方程zt xy =
这是个四元二次方程,此方程也有不少用处,其全部正整数解极易求出:
设a z x =),(,则ad z ac x ==,,其中1),(=d c ,故1),(,,===d c dt cy adt acy 因即, 所以bc t bt y y d ==则设,,|. 因此方程zt xy =的正整数解可表示为
d c b a bc t ad z bd y ac x ,,,.,,,====都是正整数,且1),(=d c .反过来,易知上述给
出的t z y x ,,,都是解.
也可采用如下便于记忆的推导: 设
d c d c y t z x 这里,==是既约分数,即1),(=d c . 由于z x 约分后得出d
c
,故ad z ac x ==,,同理.,ab y cb t ==
2.不定方程一般的求解方法
1.奇偶分析法;2.特殊模法;3.不等式法;4.换元法; 5.因式分解法
6.构造法(构造出符合要求的特解或一个求解的递推关系,证明解无数个) 7.无穷递降法
由于不定方程的种类和形式的多样性,其解法也是多种的,上面仅是常用的一般方法. 注:对无穷递降法的理解:以下面的问题为例: 证明:方程4
4
2
x y z +=无正整数解。
证明:假设4
4
2
x y z +=存在正整数解,其中z 最小的解记为0z 。因为()
()2
2
2
22x
y z +=,
根据勾股方程的通解公式有222222
0,2,x a b y ab z a b =-==+,其中,a b 一奇一偶,
(),1a b =。从222
x a b =-可以得到a 为奇数,b 为偶数,令2b s =,224y ab as ==,
其中(),1a s =,所以22,,(,)1a t s q t q ===。由222
x a b =-得244
4x t q =-,即
244
4x q t +=,又可以通过勾股方程的通解公式
222222,22,,(,)1x l m q lm t l m l m =-==+=,注意到2q lm =,所以22
00,l l m m ==,24400t l m =+,而420z t b t =+>,与0z 的最小性矛盾。所以原方程组无正整数解。
赛题精讲
例1.(1)求不定方程3710725x y +=的所有解; (2)求不定方程719213x y +=的所有解。
解析:(1)可以由辗转相除法得到,其实根据该方法可以得到必存在整数,s t ,使得
371071s t +=。如10723733,371334,3481=⨯+=⨯+=⨯+,依次反代即可得到一个
特解。 (2)213197y x -=
,可以取353027
y
x y -=-+,此时可以得到2y =。从而得到一个特解。
注:这个两个方法是基本方法。
例2.求所有满足方程81517x
y
z
+=的正整数解
解析:首先从同余的角度可以发现y 必须为偶数,81517x
y
z
+=,又15y
的个位数必须为5,而8x
的个位数为2,4,或6,17z
的个位数为3,9,1,所以0,2(mod 4)x ≡,对应的
0,2(mod 4)
z ≡。这样可以令
2y k
=,
2z l
=,可以得到
2281715(1715)(1715)x l k l k l k =-=-+,注意到17,15l k 均为奇数,两个的和和差必定是
一个单偶,一个双偶,从而31
1715217152
l k l k x -⎧-=⎪⎨+=⎪⎩,目标集中于17152l k
-=,观察有解()(),1,1l k =。当2k ≥时,两边取模17可以得到()(1)2mod9k
-≡矛盾。所以仅有解
()2,2,2
例3.a 为给定的一个整数,当a 为何值时,方程3
1(1)y a xy +=-有正整数解?有正整数解时,求这个不定方程。
解:3
1(1)y a xy +=-可以变形为3
3
3
3
3
1(1)x y y x y a xy -+++=-,这样
()333(1)|xy y x y -+,一个明确的事实()31,1xy y -=,从而()3(1)|1xy x -+。这样我们
得到()
33(1)|1(1)|1(*)xy x xy y -+⇔-+。不妨假设,y x y x =>两种情况。 (1)y x =
33
2
211
1(1)11
y y a y a y y y ++=-⇔==+--,从这个代数式发现,2y =,对1y =单独讨
论,有2(1)a x =-,1,3;2,2a x a x ====,这种情况共有解:
()()1,3,1;22,1a a =⇔=⇔;()32,2a =⇔,注意到*式的等价性,又有解 ()()14,1,3;91,2a a =⇔=⇔