初等数论不定方程课件.ppt

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1、1、什么是不定方程?顾名思义即方程的解不定.一般地有第二章 不定方程定义:不定方程是指未知数的个数多于方程的个数,或未知数受到某种限制(如整数,正整数等)的方程和方程组。2、主要研究问题a.不定方程有解的条件b.有解的情况下,解的个数c.有解的情况下,如何解3、本章学习内容 (1)二元一次不定方程(2)多元一次不定方程(3)勾股数组(4)费马大定理简介 (5)几类特殊的不定方程 1 二元一次不定方程定义:形如 其中()a,b,c为整数的方程称为二元一次不定方程。cbyax0,0ba例:2X+3Y=5 5U+6V=21定理:有解的充要条件是(a,b)|c证:设方程有解 则有因为(a,b)|a,(

2、a,b)|b,因而(a,b)|c反之,设(a,b)|c,则 由最大公因数的性质存在s,t 使得as+bt=(a,b)令 即为方程的解cbyax00,yxcbyax001010,tcyscx1),(cbac 3、二元一次不定方程有解的情况下解的结构定理:设 是方程的一组解,则不定方程有无穷解,其一切解可表示成 其中00,yxtayytbxx1010),(,),(11babbbaaa,2,1,0t证:把 代入不定方程成立,所以是方程的解。又设 是不定方程的任一解,又因为 是一特解则有 ,即有 有因为令 即得到了方程的解。tayytbxx1010yx,00,yx0)()(00yybxxa)()(01

3、01yybxxa)(|011yyba)(|,1),(0111yyaba)(01yyta 方程有解情况下不定方程的解法(1)观察法:当a,b的绝对值较小时可直接观察不定方程的一组特解 ,然后用 得到其所有解。00,yxtayytbxx10102、公式法:当a,b的绝对值较小时,可用公式 得到特解然后用公式写出一切解。为a,b作辗转相除时不完全商(见书)211021110,1,0,1kkkkkkkkPQqQQQPPqPqPPnnnnPyQx)1(,)1(010iq3、整数分离法:当a,b中系数不同时,用绝对值较小的系数后的变量表示另一个变量,通过变量替换得到一个新的不定方程。如此反复,直到一个参数

4、的系数为1.从而得到不定方程的解。4、化为同余方程(同余方程中再讲)注:方法(1)(3)(4)用得较多,(2)不太实用.|)|(mod bcax 例1:求解不定方程解:因为(9,21)=3,3|144所以有解;化简得 考虑 ,有解 所以原方程的特解为 ,所以方程的解为 144219yx4873 yx173 yx1,2yx48,96yxZttytx,348,796注:解的表达式是不惟一的例2、用整数分离法解解:因为(107,37)=1,所以有解;故 故 2537107yx3733252xxy25337,37332511xyxy即令有令11113342533425xyyyx2543311yx144

5、1,41862121111yxyxxxy令令故txty41,12令Zttxty,373,1078 2 多元一次不定方程2.1定义:形如的不定方程多元一次不定方程。)2(2211ncxaxaxann2.2 定理 有解的充要条件是)2(2211ncxaxaxann证:必要性,若不定方程有解 ,则有由 。caaan|),(21caaaaaaanin|),(,|),(2121有,2,1,nxxxcxaxaxann2211充分性:用数学归纳法(n=2)时已证假设对n-1时条件是充分的,令则方程 有解,设解为 又 有解,设为 ,这样 就是方程的解。cdaadaadn|),(),(32212cxaxatdn

6、n3322,3,2,nxxt,222211tdxaxa,2,1,xx,2,1,nxxx注:从证明过程也提供了方程的解法。)2(2211ncxaxaxann则 等价于方程组设nnndaddaddaa),(,),(,),(1332221先解最后一个方程的解,得 然后把其代入倒数第二个方程求得一切解,如此向上重复进行,求 得所有方程的解。nnxt,1cxatdtdxatdtdxaxannnn11333322222211,例1:求不定方程 的整数解.解 因为(25,13)=1,(1,7)=1|4,所以方程有解 我们将它分为两个二元一次不定方程来求解 25x+13y=t,t+7z=4.先求t+7z=4的

7、解为t=4-7u,z=u。因为25*(-1)+13*2=1,所以25x+13y=1的特解为 =-1 ,=2故25x+13y=t的解为x=-t-13v,y=2t+25v所以 的解为x=-4+7u-13v,y=8-16u+25v,z=u.u,v为整数。471325zyx0 x0y471325zyx 3 勾股数 定义:一般地称x2+y2=z2的正整数解为勾股数例(3,4,5),(5,12,13)(8,15,17)为勾股数 x2+y2=z2 方程解的分析(1)若x,y,z是方程解,则dx,dy,dz也是 方程解(2)由(1)只要考虑(x,y,z)=1的解即可,而实际上只 要(x,y)=1即可,假设(x

8、,y)=d,则d|x,d|y,则有d|z(3)由(2)可设(x,y)=1,则x,y为 一奇一偶。若x,y都为奇数,则z为偶数,则方程左边为4K+2,右边为4K,矛盾。所以x,y为一奇一偶。由上分析,我们对(x,y)作了一些限制,而这些限制并不影响其一般性。即可假设在 x0,y0,z0,(x,y)=1,2 x的条件下给出x2+y2=z2的通解公式。定理:在条件x0,y0,z0,(x,y)=1,2 x的条件下 x2+y2=z2的通解公式为 x=2ab,y=a2-b2,z2=a2+b2,ab0,(a,b)=1,a,b一奇一偶。为了证明定理的结论,先给出下面引理。引理:设 u0,v0,(u,v)=1,

9、则不定方程 uv=w2 的解为 u=a2,v=b2,w=ab 其中a0,b0,(a,b)=1。证:设u,v,w是方程的解,令 不含平方数,又(u,v)=1,不能被 整除.故 所以 u=a2,v=b2,w=ab。a0,b0,(a,b)=1 下面进行定理的证明.111212,0,vubavbvuau1,|abwwwab,212121wvu1,11111121wvuvuw1),(,1),(22baba212|,wpp 有则有质数121w若有的定义及但有,1),(,1111vuvu,|,|2222wbwa2p11vu定理的证明:x=2ab,y=a2-b2,z2=a2+b2,ab0,(a,b)=1,a,

10、b一奇一偶。显然是方程x2+y2=z2的解,满足x0,y0,z0,2 x,且设(x,y)=d,则有 由(a,b)=1,有d=1,或d=2,又由y为奇数,所以d=1。222222|,|,|badbadzdzd),(2|22bad设x,y,z是满足条件的一组解,由2|x,及(x,y)=1知y,z是单数,有 且 因为设 则有d|z,d|y,因而有d|x,所以d=1于是由引理令于是有x=2ab,y=a2-b2,z2=a2+b2,a0,b0,(a,b)=1 由y0,知ab0,又y单,所以a,b一奇一偶。2222)(yzyzx1),(22yzyzdyzyz),(221),(,0,0,22222babaab

11、baxyzyz推论:单位圆上的有理点可写成2222222222222,2baabbababababaab及证:由 两边同除有 ,令所以有 即为单位圆的方程而有理点的坐标都是有理数,即为可约分数的形式,分数的分子正好为x2+y2=z2的x和y分母为z,且正负都可,又可交换即有222zyx2z1)()(22zyzxzyzxYX,122YX2222222222222,2baabbababababaab及例1:勾股数的勾股中至少有一个是3的倍数。证:设N=3m 1,(m为整数),则 =3k+1 设 中,若x,y都不是3的倍数,都是3K+1,则其和为3k+2。不可能是平方数,所以 是 不可能的。1)23

12、(3169222mmmmN222zyx22,yx222zyx4 费尔马大定理和无穷递降法 1、费尔马大定理:不定方程 xn+yn=zn,n3无正整数解。由于一个大于2的整数n,当n是偶数时,必为4的倍数或为某个奇质数的偶数倍,当n是奇数时,必是一个奇质数p的倍数。因此,实际上只需证明 和(p为奇质数)都没有正整数解就可以了。对 可用无穷递降法证明,而 无正整数解的证明是非常困难的。444zyxpppzyx444zyxpppzyx2、无穷递降法 的逻辑步骤(1)若一个关于正整数的命题P(n)对若干正整数n是下正确的,则在所有n中一定有最小者。(2)若 正确,则有 使 正确。由(1)(2),则P(

13、n)不能成立。)(1np12nn)(2np例2:证明 是无理数证:假设 是有理数,则 有正整数解.设自然数(a,b)所有解中使得a最小一组解.即有 容易知道a是偶数,设a=2a1,代入又得到b为偶数,设则 ,即 也是方程的解,这里 这与a的最小性矛盾.无理数。2222yx 222ba 2212bb 12212ba 11baba11,ba例2:证明 是无理数证:假设 是有理数,则存在自然数a,b使得满足 ,即 容易知道a是偶数,设a=2a1,代入又得到b为偶数,设 ,则 ,这里这 样 可 以 进 一 步 求 得 a2,b2 且 有aba1b1 a2b2但是自然数无穷递降是不可能的,于是产生了矛盾

14、,无理数。2222yx 222ba 2212bb 12212ba 11baba几个特殊的不定方程的初等解法n1、奇偶分析法例:求不定方程 的正整数解解:因为328为偶数,即左边为偶数,x,y的奇偶性相同,不妨设xy设则有 同理有一奇一偶,则 得解进一步有所发原方程的解为(2,18)和(18,2)32822 yx112,2vyxuyx1642121vu412323vu033 vu41232v503 v5,433uv2,18,10,8,9,11122yxuvuv2、利用特殊模的余数例2:证明 无整数解。证:由求根公式得原方程要有整数解则 为完全平方而 所以有 不可能为平方数。所以原方程无整数解。0

15、35222zxyx3542zyyx354 zy)5(mod1,04y)5(mod3,2354 zy3、数与式的分解n例3:求 的整数解。解:原方程通过变形得则有从而原方程的解为073222yxyx1)2)(3(2yx1213121322yxyx或121211yxyx或4、不等分析法n例4:求 的正整数解。解:因 所以又因为 为偶数,所以 只能为4,16代入得 =16,所以原方程的解为(4,3)982522 yx9852x202x2x2x2x92y5、分离整数部分法例5:求 的整数解。解:因为x=-1不是方程的解,所以原方程为所以有x+1|2,即x=0,-2,1,-3得原方程的解为(0,4),(

16、-2,0),(1,3),(-3,1).42yxxy12212)1(2124xxxxxy6、求根公式法例6:求 的整数解。解:把它看成x的二次方程有由根号里面大于等于0,得y只能1,2,3代入得到方程的解为(2,1),(1,1),(1,2),(3,2),(3,3),(2,3)032222yxyxyx28123)2(2yyyx7、利用韦达定理例7:求 的正整数解。解:把它看成x的二次方程,设根为则有所以两根同奇偶,且 除4,余数不为0所以两根只能是1,3,5和11,9,7又两根之积减2是平方数。所以 只能是1,11和3,9。所以原方程的解为(1,3),(11,3),(3,5),(9,5).0212

17、22yxx21,xx2,1222121yxxxx22y21,xx8、换元法例8:求 的正整数解。解:由题意有 于是令y=tx,则有 由韦达定理得因为1981=1*1981=7*283,只有 得y=10,从而得原方程解为(70,10)(2830,10)。0198129222yxyx22|xy01981292ytt1981,292121t tyttytt290218、换元法例8:求 的正整数解。解:由题意有 于是令y=tx,则有 由韦达定理得因为1981=1*1981=7*283,只有 得y=10,从而得原方程解为(70,10)(2830,10)。0198129222yxyx22|xy01981292ytt1981,292121t tyttytt290219、其它方法n例9:求 的正整数解。解:原方程为而由勾股定理有或所以方程的解为(3,8),(4,6)100422 yx22210)2(yx8|,6|2|yx6|,8|2|yx

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