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不定方程
所谓不定方程,是指未知数的个数多于方程个数,且未知数受到某些(如要求是有理数、整数或正整数等等)的方程或方程组。不定方程也称为丢番图方程,是数论的重要分支学科,也是历史上最活跃的数学领域之一。不定方程的内容十分丰富,与代数数论、几何数论、集合数论等等都有较为密切的联系。不定方程的重要性在数学竞赛中也得到了充分的体现,每年世界各地的数学竞赛吉,不定方程都占有一席之地;另外它也是培养学生思维能力的好材料,数学竞赛中的不定方程问题,不仅要求学生对初等数论的一般理论、方法有一定的了解,而且更需要讲究思想、方法与技巧,创造性的解决问题。在本节我们来看一看不定方程的基础性的题目。
基础知识
1.不定方程问题的常见类型: (1)求不定方程的解; (2)判定不定方程是否有解;
(3)判定不定方程的解的个数(有限个还是无限个)。 2.解不定方程问题常用的解法:
(1)代数恒等变形:如因式分解、配方、换元等;
(2)不等式估算法:利用不等式等方法,确定出方程中某些变量的范围,进而求解;
(3)同余法:对等式两边取特殊的模(如奇偶分析),缩小变量的范围或性质,得出不定方程的整数解或判定其无解;
(4)构造法:构造出符合要求的特解,或构造一个求解的递推式,证明方程有无穷多解; (5)无穷递推法。
以下给出几个关于特殊方程的求解定理: (一)二元一次不定方程(组) 定义1.形如定理1.方程定理2.若
(
有解的充要是,且
为
不同时为零)的方程称为二元一次不定方程。
;
的一个解,则方程的一切解都可以表示成
为任意整数)。
定理3.元一次不定方程
.
方法与技巧:
,()有解的充要条件是
1.解二元一次不定方程通常先判定方程有无解。若有解,可先求一个特解,从而写
出通解。当不定方程系数不大时,有时可以通过观察法求得其解,即引入变量,逐渐减小系数,直到容易得其特解为止;
2.解元一次不定方程……,
.若
,则方程无解;若
时,可先顺次求出
|,则方程有解,作方程组:
,
求出最后一个方程的一切解,然后把
程,求出它的一切解,这样下去即可得方程的一切解。
3.个元一次不定方程组成的方程组,其中个不定方程,将方程组转化为一个
(二)高次不定方程(组)及其解法
,可以消去
的每一个值代入倒数第二个方
个未知数,从而消去了
元的一次不定方程。
1.因式分解法:对方程的一边进行因式分解,另一边作质因式分解,然后对比两边,转而求解若干个方程组;
2.同余法:如果不定方程
有整数解,则对于任意
,其整数解
满足
,利用这一条件,同余可以作为探究不定方程整数解的一块试金石;
3.不等式估计法:利用不等式工具确定不定方程中某些字母的范围,再分别求解; 4.无限递降法:若关于正整数的命题整数,可以推出:存在
方法与技巧:
1.因式分解法是不定方程中最基本的方法,其理论基础是整数的唯一分解定理,分解法作为解题
,使得
对某些正整数成立,设
是使
成立的最小正
成立,适合证明不定方程无正整数解。
的一种手段,没有因定的程序可循,应具体的例子中才能有深刻地体会;
2.同余法主要用于证明方程无解或导出有解的必要条件,为进一步求解或求证作准备。同余的关键是选择适当的模,它需要经过多次尝试;
3.不等式估计法主要针对方程有整数解,则必然有实数解,当方程的实数解为一个有界集,则着眼于一个有限范围内的整数解至多有有限个,逐一检验,求出全部解;若方程的实数解是无界的,则着眼于整数,利用整数的各种性质产生适用的不等式;
4.无限递降法论证的核心是设法构造出方程的新解,使得它比已选择的解“严格地小”,由此产生矛盾。
(三)特殊的不定方程 1.利用分解法求不定方程将
转化为
整数解的基本思路: 后,若
可分解为
,则解
的一般形式为
2.定义2:形如对于方程
,再取舍得其整数解;
的方程叫做勾股数方程,这里
,如果
,则
为正整数。
的情形,此时易知
,从而只需讨论
两两互素,这种两两互素的正整数组叫方程的本原解。 定理3.勾股数方程
满足条件
,其中
推论:勾股数方程
的全部正整数解(
其中
个整数。
勾股数不定方程
3.定义3.方程况,称为沛尔(Pell)方程。
的整数解的问题主要依据定理来解决。
且不是平方数)是
的一种特殊情
的一切解可表示为:
且
为一奇一偶。
的顺序不加区别)可表示为:
是互质的奇偶性不同的一对正整数,是一
这种二元二次方程比较复杂,它们本质上归结为双曲线方程整数,
且非平方数,而
的研究,其中都是可用尝试
。它主要用于证明问题有无数多个整数解。对于具体的
,则称使
法求出一组成正整数解。如果上述pell方程有正整数解
为它的最小解。 定理4.Pell方程最小解为
,则它的全部解可以表示成:
的最小的正整数解
且不是平方数)必有正整数解,且若设它的
.
上面的公式也可以写成以下几种形式:
(1)
定理5.Pell方程组正整数解
;(2);(3).
且不是平方数)要么无正整数解,要么有无穷多
,则它的全部解可以表示为
,且在后一种情况下,设它的最小解为
定理6. (费尔马(Fermat)大定理)方程
为整数)无正整数解。
费尔马(Fermat)大定理的证明一直以来是数学界的难题,但是在1994年6月,美国普林斯顿大学的数学教授A.Wiles完全解决了这一难题。至此,这一困扰了人们四百多年的数学难题终于露出了庐山真面目,脱去了其神秘面纱。
典例分析 例1.求不定方程解:先求
,
将上述过程回填,得:
的整数解。
的一组特解,为此对37,107运用辗转相除法:
,