Реферат: Решение уравнений в целых числах
, |
могут быть получены из только что выведенных формул , , если выбрать , что можно сделать, так как значения , являются, очевидно, решением уравнения
, |
Как же найти какое-нибудь одно решение уравнения (3) в общем случае, когда . Начнем с примера.
Пусть дано уравнение
Преобразуем отношение коэффициентов при неизвестных.
Прежде всего, выделим целую часть неправильной дроби ;
Правильную дробь заменим равной ей дробью .
Тогда получим . Проделаем такие же преобразования с полученной в знаменателе неправильной дробью .
Теперь исходная дробь примет вид:
Повторяя те же рассуждения для дроби получим .
Выделяя целую часть неправильной дроби, придем к окончательному результату:
Мы получили выражение, которое называется конечной цепной или непрерывной дробью. Отбросив последнее звено этой цепной дроби - одну пятую, превратим получающуюся при этом новую цепную дробь в простую и вычтем ее из исходной дроби :
, .
Приведем полученное выражение к общему знаменателю и отбросим его, тогда
.
Из сопоставления полученного равенства с уравнением следует, что , будет решением этого уравнения и согласно теореме все его решения будут содержаться в прогрессиях , .
Полученный результат наводит на мысль о том, что и в общем случае для нахождения решения уравнения надо разложить отношение коэффициентов при неизвестных в цепкую дробь, отбросить ее последнее звено и проделать выкладки, подобные тем, которые были проведены выше.
Для доказательства этого предположения будут нужны некоторые свойства цепных дробей.
Рассмотрим несократимую дробь . Обозначим через частное и через остаток от деления а на b. Тогда получим: , .
Пусть, далее, - частное и - остаток от деления на Тогда , ; точно так же
Величины , ,… называются неполными частными. Приведенный выше процесс образования неполных частных называется алгоритмом Евклида. Остатки от деления , ,…удовлетворяют неравенствам
, |
(5) |
т. е. образуют ряд убывающих неотрицательных чисел.
Так как количество неотрицательных целых чисел, не превосходящих b, не может быть бесконечным, то на некотором шаге процесс образования неполных частных оборвется из-за обращения в ноль очередного остатка r. Пусть - последний отличный от нуля остаток в ряде (5); тогда и алгоритм Евклида для чисел a и b примет вид
(6)
Перепишем полученные равенства в виде
Заменяя значение в первой строке этих равенств соответствующим значением из второй строки значение - выражением из третьей, строки и т. д., получим разложение в цепную дробь:
Выражения, получающиеся из цепной дроби при отбрасывании всех ее звеньев, начиная с некоторого звена, назовем подходящими дробями. Первая: подходящая дробь получится при отбрасывании всех звеньев, начиная с : .
Вторая подходящая дробь получается отбрасыванием всех звеньев, начиная с : . Точно так же
и т. д.
В силу способа образования подходящих дробей возникают очевидные неравенства:
; .
Запишем k-ю подходящую дробь в виде ,
и найдем закон образования числителей и знаменателей подходящих дробей, Преобразуем первые подходящие дроби , , :
; , ;
; ; ;
;
;
Отсюда получаем:
; .
Применяя индукцию, докажем, что соотношения того же вида
, (7).
выполняются для всех .
Действительно, пусть равенства (7) выполняются для некоторого . Из определения подходящих дробей непосредственно следует, что при замене в выражении величины на перейдет в . Согласно индукционному предположению
.
Заменяя здесь на , получим:
.
Отсюда, так как , следует, что
, .
Таким образом, из выполнения равенств (7) для некоторого следует выполнение их для Но для равенства (7) - выполняется и, следовательно, их справедливость установлена для всех .
Покажем теперь, что разность соседних подходящих дробей удовлетворяет соотношению
. (8)
Действительно,
.
Пользуясь формулами (7), преобразуем числитель полученной дроби:
.
Выражение, стоящее в скобках, получается из исходного заменой на . Повторяя такие же преобразования для получающихся выражений, получим, очевидно, цепь равенств:
Отсюда следует, что
Если разложение в цепную дробь имеет звеньев, то п-я подходящая дробь совпадает с . Применяя равенство (8), при получим
(9)
Вернемся теперь к решению уравнения
, (10)
Перепишем соотношение (9) в виде .
Приводя к общему знаменателю и отбрасывая его, получим
Умножим это соотношение на . Тогда
Отсюда следует, что пара чисел ,
, , (11)
является решением уравнения (10) и согласно теореме все решения этого уравнения имеют вид
,
Полученный результат полностью решает вопрос о нахождении всех целочисленных решений уравнения первой степени с двумя неизвестными. Перейдем теперь к рассмотрению некоторых уравнений второй степени.
3. ПРИМЕРЫ УРАВНЕНИЙ ВТОРОЙ СТЕПЕНИ С ТРЕМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
П р и м е р I. Рассмотрим уравнение второй степени с тремя неизвестными:
(12)
Геометрически решение этого уравнения в целых числах можно истолковать как нахождение всех пифагоровых треугольников, т. е. прямоугольных треугольников, у которых и катеты , и гипотенуза выражаются целыми числами.
Обозначим через общий наибольший делитель чисел и : . Тогда
, ,
и уравнение (12) примет вид
.
Отсюда следует, что делится на и, значит, кратно : .