Решение уравнений в целых числах

    Дисциплина: Разное
    Тип работы: Курсовая
    Тема: Решение уравнений в целых числах

    СОДЕРЖАНИЕ:
    Уравнения с одним неизвестным
    Уравнения первой степени с двумя неизвестными
    Примеры уравнений второй степени с тремя неизвестными
    Общий случай уравнения второй степени с двумя неизвестными
    Р А З Р А Б О Т К А
    П Р О Г Р А М М
    Программа №1 (уравнения с одним неизвестным)
    ВВЕДЕНИЕ
    Мой курсовой проект посвящен одному из наиболее интересных разделов теории чисел - решению уравнений в целых числах.
    Решение в целых числах алгебраических уравнений с целыми коэффициентами более чем с одним неизвестным представляет собой одну из труднейших проблем теории чисел.
    Проблема решения уравнений в целых числах решена до конца только для уравнений второй степени с двумя неизвестными. Отметим, что для уравнений любой степени с одним неизвестным
    она не представляет сколько-нибудь существенного интереса, так как эта задача может быть решена с помощью конечного числа проб. Для уравнений выше второй степени с двумя или более
    неизвестными весьма трудна не только задача нахождения всех решений в целых числах, но даже и более простая задача установления существования конечного или бесконечного множества
    таких решений.
    В своем проекте я постаралась изложить некоторые основные результаты, полученные в теории; решения уравнений в целых числах. Теоремы, формулируемые в нем, снабжены
    доказательствами в тех случаях, когда эти доказательства достаточно просты.
    1. УРАВНЕНИЯ С ОДНИМ НЕИЗВЕСТНЫМ
    Рассмотрим уравнение первой степени с одним неизвестным
    Пусть коэффициенты уравнения
    - целые числа. Ясно, что решение этого уравнения
    будет целым числом только в том случае, когда
    нацело делится на
    Таким образом, уравнение (1) не всегда разрешимо в целых числах; так, например, из двух уравнений
    первое имеет целое решение
    С тем же обстоятельством мы встречаемся и в случае уравнений, степень которых выше первой: квадратное уравнение
    имеет целые решения
    в целых числах неразрешимо, так как его корни
    Вопрос о нахождении целых корней уравнения
    -ой степени с целыми коэффициентами
    решается легко. Действительно, пусть
    - целый корень этого уравнения. Тогда
    Из последнего равенства видно, что
    делится
    следовательно, каждый целый корень уравнения (2) является делителем свободного члена уравнения. Для нахождения целых решений уравнения надо выбрать те
    из делителей
    только -1 является корнем. Следовательно это уравнение, имеет единственный целый корень
    в целых числах неразрешимо.
    Значительно больший интерес представляет решение в целых числах уравнении с многими неизвестными.
    2. УРАВНЕНИЯ ПЕРВОЙ СТЕПЕНИ С ДВУМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
    Рассмотрим уравнение первой степени с двумя неизвестными
    где
    - целые числа, отличные от нуля, а
    - произвольное целое. Будем считать, что коэффициенты
    не имеют общих делителей, кроме единицы. Действительно, если общий наибольший делитель этих коэффициентов
    отличен от единицы, то справедливы равенства
    и может иметь целые решения только в том случае, когда
    делится на
    - все коэффициенты уравнения (3) должны делиться нацело на
    коэффициенты которого
    взаимно просты.
    Рассмотрим сначала случай, когда
    Решая это уравнение относительно
    Ясно, что
    будет принимать целые значения в том и только в том случае, когда
    делится на
    без остатка. Но всякое целое
    , кратное
    где
    принимает произвольные целые значения
    в предыдущее уравнение, тогда
    и мы получаем формулы, содержащие все целые решения уравнения (3
    Перейдем теперь к случаю
    Покажем, прежде всего, что для нахождения всех целых решений уравнения (3) достаточно найти какое-нибудь одно его решение, т. е. найти такие целые числа
    , для которых
    Т е о р е м а
    . Пусть а и
    взаимно просты и
    - какое-нибудь решение
    уравнения
    Тогда формулы
    при
    дают все решения уравнения
    (3).
    Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть
    - произвольное решение уравнения (3). Тогда из равенств
    получаем
    Так как
    - целое число и числа
    взаимно просты, то
    должно нацело делиться на
    , т. е.
    имеет вид
    где
    - целое. Но тогда
    и получаем
    Таким образом доказано, что всякое решение
    имеет вид (4). Остается еще проверить, что всякая пара чисел
    , получаемая по формулам (4) при целом
    , будет решением уравнения
    (3). Чтобы провести та кую проверку, подставим величины
    в левую часть уравнения (3):
    но так как
    -решение, то
    и, следовательно,
    - решение уравнения (3), чем теорема полностью доказана.
    Итак, если известно одно решение уравнения
    3аметим, что в случае, когда
    могут быть получены из только что выведенных формул
    являются, очевидно, решением уравнения
    Как же найти какое-нибудь одно решение
    уравнения (3) в общем случае, когда
    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
    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
    частное и через
    остаток от деления а на
    Тогда получим:
    Пусть, далее,
    - частное и
    - остаток от деления
    на
    Тогда
    Величины
    неполными частными
    . Приведенный выше процесс образования неполных частных называется алгоритмом Евклида. Остатки от деления
    т. е. образуют ряд убывающих неотрицательных чисел.
    Так как количество неотрицательных целых чисел, не превосходящих
    не может быть бесконечным, то на некотором шаге процесс образования неполных частных оборвется из-за обращения в ноль очередного остатка
    Пусть
    тогда
    и алгоритм Евклида для чисел
    примет вид
    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
    и т. д.
    В силу способа образования подходящих дробей возникают очевидные неравенства:
    Запишем
    -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
    величины
    на
    перейдет в
    Заменяя здесь
    на
    Отсюда, так как
    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
    Действительно,
    Пользуясь формулами (7), преобразуем числитель полученной дроби:
    Выражение, стоящее в скобках, получается из исходного заменой
    на
    Отсюда следует, что
    Если разложение
    в цепную дробь имеет
    звеньев, то п-я подходящая дробь
    совпадает с
    получим
    Вернемся теперь к решению уравнения
    (10)
    Перепишем соотношение (9) в виде
    Приводя к общему знаменателю и отбрасывая его, получим
    Умножим это соотношение на
    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
    . 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
    выражаются целыми числами.
    Обозначим через
    общий наибольший делитель чисел
    и уравнение (12) примет вид
    Отсюда следует, что
    делится на
    и, значит,
    кратно
    Теперь уравнение (12) можно записать в виде
    сокращая на
    , получим
    Мы пришли к уравнению того же вида, что и исход­ное, причем теперь величины
    не имеют общих делителей, кроме 1. Таким образом, при решении уравнения (12) можно ограничиться случаем, когда
    взаимно просты. Итак, пусть
    (например,
    ) будет нечетной. Перенося
    в правую часть уравнения (12), получим
    (13)
    Обозначим через
    общий наибольший делитель выражений
    Тогда
    (14)
    где
    взаимно просты.
    Подставляя в (13) значения
    , получим
    Так как числа
    не имеют общих делителей, то полученное равенство возможно только в том случае, когда
    будут полными квадратами:
    Но тогда
    (15)
    Найдем теперь
    из равенств (14). Сложение этих равенств дает:
    (16)
    Вычитая второе из равенств (14) из первого, получим
    (17)
    В силу нечетности
    из (15) получаем, что
    также нечетны. Более того,
    следовало бы, что величины
    имеют общий делитель
    связаны с взаимно простыми числами
    равенствами
    и в силу этого сами взаимно просты;
    , так как
    Подставляя в равенства (15) -
    (17)
    , получим формулы
    (18)
    дающие при нечетных взаимно простых
    все
    свободные от общих делителей тройки целых положительных чисел
    (12). Простой подстановкой
    в уравнение (12) легко проверить, чт...

    Забрать файл

    Похожие материалы:


ПИШЕМ УНИКАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Заказывайте напрямую у исполнителя!


© 2006-2016 Все права защищены