Математика. Уравнения в целых и натуральных числах. Примеры.

Уравнения в целых числах – это алгебраические уравнения с двумя или более неизвестными переменными и целыми коэффициентами. Решениями такого уравнения являются все целочисленные (иногда натуральные или рациональные) наборы значений неизвестных переменных, удовлетворяющих этому уравнению. Такие уравнения ещё называют диофантовыми.

При решении уравнений в целых и натуральных числах можно условно выделить следующие методы:

• способ перебора вариантов;

• применение алгоритма Евклида;

• представление чисел в виде непрерывных (цепных) дробей;

• разложения на множители;

• решение уравнений в целых числах как квадратных (или иных) относительно какой-либо переменной;

• метод остатков;

• метод бесконечного спуска.

Пример. Решить в целых числах уравнение 1! + 2! + . . . + х! = у².

Решение.

Очевидно, что

если х = 1, то у² = 1,

если х = 3, то у² = 9.

Этим случаям соответствуют следующие пары чисел:

х₁ = 1, у₁ = 1;

х₂ = 1, у₂ = –1;

х₃ = 3, у₃ = 3;

х₄ = 3, у₄ = –3.

Заметим, что при х = 2 имеем 1! + 2! = 3, при х = 4 имеем 1! + 2! + 3! + 4! = 33 и ни 3, ни 33 не являются квадратами целых чисел. Если же х > 5, то, так как

5! + 6! + . . . + х! = 10n,

можем записать, что

1! + 2! + 3! + 4! + 5! + . . . + х! = 33 + 10n.

Так как 33 + 10n – число, оканчивающееся цифрой 3, то оно не является квадратом целого числа.

Ответ: (1; 1), (1; –1), (3; 3), (3; –3).

Алгоритм решения уравнения в целых числах

Сформулированные теоремы позволяют составить следующий алгоритм решения в целых числах уравнения вида (ax + by) = с .

1. Найти наибольший общий делитель чисел a и b ,

если (a,b) = d >1  и с не делится на d , то уравнение целых решений не имеет;

если (a,b) = d >1  и  c⋮d , то переходим к этапу 2.

2. Разделить почленно уравнение (ax + by) = с  на d, получив при этом уравнение (a₁x + b₁y) = c₁ , в котором (a₁,b₁) = 1.

3. Найти целое решение (х₀ , у₀ ) уравнения (a₁x + b₁y) = 1 путем представления 1 как линейной комбинации чисел  a и b ;

4. Составить общую формулу целых решений данного уравнения

x = x₀c + bt

y = y₀c - at

где х₀ , у₀ – целое решение уравнения (ax + by) = 1, t- любое целое число.