Файл: Диофантовы уравнения Автор Васильева Юлия Вячеславовна, 10в мбоу Гимназия 13 имени Э. А. Быкова.docx

ВУЗ: Не указан

Категория: Реферат

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 25.10.2023

Просмотров: 50

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, 36, 49, 64, 81, 100, 121, 144, 169, 196,……576, 625 ……

3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, ....49……

Но составлять такие последовательности квадратов долгое и трудоёмкое занятие, поэтому были придуманы формулы, по которым можно находить такие тройки чисел:

Если x-нечетное число, то y=(x2-1):2 и z=(x2+1):2. В этом случае равенство х22=z2 выполняется. Это уравнение будем называть «уравнением Пифагора», а его решения – «пифагоровы тройки».

По этому правилу можно получить уже известные нам тройки: если X=3, то y=(9-1):2=4, z=(9=1):2=5, получилась первая пифагорова тройка; x=5, то y= (25-1):2=12, z=(25+1):2=13, вторая тройка; x=7, то y= (49-1):2=24, z= (49+1):2=25. Других мы пока не знаем, но следующее за 7 нечетное число 9, тогда y=40, z=41. Проверим наши вычисления:

92+402=412

81 + 1600 = 1681 - верно

Следующим шагом было установление правила вычисления всех, а не только некоторых пифагоровых троек. Перепишем уравнение Пифагора следующим образом:

x2=z2-y2;

x2=(z+y)(z-y);

Это и означает, что число x должно разлагаться на два неравных множителя z+y и z-y, которые мы обозначим так, что получится такая система:

z+y=2a2,

z+y=2b2;

Почему написаны коэффициенты 2 и почему написаны квадраты, а не просто числа a и b? Это сделано с целью получить аккуратные ответы. Решив эту систему, получим: (при этом надо иметь в виду, что a> b)

z=a2+b2, y=a2-b2, x=2ab

Из этого следует, что наименьшим значением числа b может быть только единица, тогда наименьшим значением a будет 2. Вычислим x, y, z. Получается z=5, y=4, x=3, это уже известный нам «египетский треугольник». А теперь составим таблицу:

Таблица 1 - Длины сторон (целочисленные) прямоугольных треугольников


b a

2

3

4

5

6

1

3,4,5

6,8,10

8,15,17

10,24,36

12,35,37

2

-------

5,12,13

12,16,20

20,21,29

24,32,40

3

5,12,13

-------

7,24,25

-------

27,36,45

4

12,16,20

7,24,25

-------

-------

-------



Ясно, что таблицу можно расширить и вправо, и вниз. Подчеркнем главное - уравнение решено, мы знаем способ вычисления всех возможных целочисленных значений длин сторон прямоугольных треугольников.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Изучая источники литературы, я выяснила, что условно можно выделить следующие методы решения диофантовых уравнений: метод полного перебора всех возможных значений переменных, входящих в уравнение; метод разложения на множители; метод, основанный на выражении одной переменной через другую и выделении целой части дроби; методы, основанные на выделении полного квадрата; метод решения уравнения с двумя переменными как квадратного относительно одной из переменных; метод, основанный на оценке выражений, входящих в уравнение; метод, основанный на алгоритме Евклида; метод, основанный на теории цепных дробей; метод, основанный на теории сравнений; метод бесконечного спуска и др. Я познакомилась с некоторыми методами, которые можно применять в школьной практике, а также при подготовке к олимпиаде.

1. Метод полного перебора всех возможных значений переменных, входящих в уравнение

Пример 1. Найти множество всех пар натуральных чисел, которые являются решениями уравнения: 49x + 51y = 602.

Решение. Выразим из уравнения переменную x через y, x = (602−51y)/49 , так как x и y – натуральные числа, то x = (602−51y)/49 ≥ 1, 602 − 51y ≥ 49, 51y ≤ 553, 1 ≤ 1043/51. Полный перебор вариантов показывает, что натуральными решениями уравнения являются x = 5, y = 7.

Ответ: (5; 7).

Пример 2. Решить уравнение 3x  4y 1 в целых числах.

Решение: Перепишем уравнение в виде 3x  4y 1. Поскольку левая часть уравнения делится на 3, то должна делиться на 3 и правая часть.

Рассмотрим три случая:

1) Если y  3m , где mZ , то 4y 1 12m 1 не кратно 3.

2) Если y  3m 1 , где mZ , то 4y 1  4(3m 1) 1 12m  5 не кратно 3.

3) Если y  3m  2 , где mZ , то 4y 1 4(3m  2) 112m  9 кратно 3, поэтому 3x 12m  9, x  4m  3 .

Ответ: x  4m  3, y  3m  2 , где mZ .

2. Метод разложения на множители

Пример 3. Найти все целочисленные решения уравнения: x2 − 3xy + 2y2 =3.

Решение. Разложим левую часть уравнения x2 − 3xy + 2y2= 3 на множители:

X2 − 3xy + 2y2 = (x − y)(x − 2y). Имеем: (x − y)(x − 2y) = 3. Поскольку число 3 можно представить в виде произведения целых чисел с учетом порядка четырьмя способами: 3 = 1 · 3 = 3 · 1 = (−1) · (−3) = (−3) · (−1), то получаем совокупность четырех систем для нахождения значений переменных.



целочисленными решениями которых являются соответственно пары (−1; −2), (5; 2), (1; 2), (−5; -2)

Ответ: (−1; −2), (5; 2), (1; 2), (−5; −2).

Пример 4. (Петербургские математические олимпиады) Решите уравнение с двумя неизвестными x и y в целых числах: 10x2 + 11xy + 3y2 = 7.

Решение. Левую часть уравнения можно представить в виде произведения двух сомножителей (5x+3y) и (2x+y), которые могут принимать только целые значения −7, −1, 1, 7, которые приводят к следующим парам целых корней (−4; 9), (14; −21), (4; −9), (−14; 21).

Ответ: (−4; 9), (14; −21), (4; −9), (−14; 21)

Пример 5. Решите уравнение относительно x, y и z в натуральных числах:

(x − y + z)(x2 + y2 + z2 ) = 2005.

Решение. Представим правую часть уравнения 2005 через произведение простых делителей 2005 = 5 · 401, где 401 можно записать как сумму трёх натуральных квадратов 256, 144 и единицы, что подходит по первому множителю. Для полноты решения необходимо рассмотреть и другие варианты представления правой части как 2005 = 1 · 2005, которые не дают новых решений. Ответ: (16; 12; 1).

3. Метод решения уравнения с двумя переменными как квадратного относительно одной из переменных

Пример 6. Решить уравнение в целых числах:5x2 + 5y2 + 8xy + 2y − 2x + 2 = 0.

Решение. Рассмотрим уравнение как квадратное относительно x:

5x2 + (8y − 2)x + 5y2 + 2y + 2,

D = (8y −2)2 −4●5(5y2 + 2y + 2) = 64y2−32y + 4 −100y2 −40y −40 = −36(y2 + 2y + 1) = −36(y + 1)2 .

Для того, чтобы уравнение имело решения, необходимо, чтобы D = 0.

−36(y + 1)2 = 0.

Это возможно при y = −1, тогда x = 1.

Ответ: (1;-1)

Пример 7. Решить уравнение в целых числах: x2 − xy + y2 = x + y.

Решение. Преобразуем уравнение x2 − x(y + 1) + y2 − y = 0. Рассмотрим его как квадратное относительно x:

D = (y + 1)2 − 4(y2 − y) = −3y2 + 6y + 1 ≥ 0

3(y − 1)2 ≤ 4, (y − 1)2 ≤ 2. Проверка для y = 0; 1; 2 дает искомые решения.

Ответ: (0; 0), (0; 1), (1; 0), (1; 2), (2; 1), (2; 2).

4. Метод, основанный на выделении полного квадрата

Пример 8. Найдите все целочисленные решения уравнения:x2 − 6xy + 13y2= 9.

Решение. Преобразуем левую часть уравнения, выделив полные квадраты,

X2 − 6xy + 13y2 = (x2 − 6xy + 9y2) + 4y2 = (x − 3y)2 + (2)2 = 29, значит (2y)2 ≤ 29. Получаем, что y может быть равен 0; ±1; ±2.

1. y = 0. (x − 0)2 = 29. Не имеет решений в целых числах.

2. y = −1. (x + 3)2 + 4 = 29

(x + 3)2 = 25, x + 3 = 5 или x + 3 = −5 x = 2 или x = −8.


3. y = 1. (x + 3)2 + 4 = 29, (x − 3)2 = 25, x − 3 = 5 или x − 3 = −5 x = 8 или x = −2.

4. y = −2. (x + 6)2 + 16 = 29, (x + 6)2 = 13. Нет решений в целых числах.

5. y = 2. (x − 6)2 + 16 = 29, (x − 6)2 = 13. Нет решений в целых числах.

Ответ: (2; −1); (−8; −1); (8; 1); (−2; 1).

5. Метод, основанный на выражении одной переменной через другую и выделении целой части дроби

Пример 9. Решить в целых числах уравнение: 3x + 2y = 7.

Решение. Переписав уравнение в виде 2(x + y) = 7 − x, заключаем, что 7 − x кратно 2, т. е. 7 − x = 2k, k ∈ Z. Значит, x = 7 − 2k, и из исходного уравнения находим y = 3k −7. Следовательно, все пары вида (7 − 2k; 3k − 7), k ∈ Z являются решениями исходного уравнения.

Ответ: (7 − 2k; 3k − 7), k ∈ Z.

Пример 10. Решить в целых числах уравнение 3y − 2x = 8.

Решение. Выразим x через y, получим: x = (3y−8)/2 ∈ Z ⇒ y = 2n, n ∈ Z. Тогда x = (6n−8)/2 = 3n − 4, n ∈ Z. Следовательно, все пары вида (3n − 4; 2n), n ∈ Z являются решениями исходного уравнения.

Ответ: (3n − 4; 2n), n ∈ Z.

6. Применение алгоритма Евклида

Решить уравнение 4 х + 7 у = 16

Найдем НОД чисел 4 и 7 по алгоритму Евклида : НОД(4,7) = 1

Выразим число 1 через коэффициенты а = 4 и b =7, используя теорему о линейном разложении НОД: НОД ( а, b ) = au + bv .

Получим: 1 = 4 ∙ 2 + 7 ∙ (-1)  u = 2, v = -1

Частное решение уравнения:  х0 = 2 ∙ 16 = 32, у0 = -1 ∙ 16 = -16

7. Метод рассмотрения остатков от деления

Решить в целых числах уравнение 3х – 4у = 1; 3 х = 4 у + 1

Левая часть уравнения делится на 3, значит и правая должна делиться на 3. При делении на 3 могут получиться остатки 0, 1, и 2. Рассмотрим 3 случая.

1)y = 3p

3 x = 4 ∙ 3p + 1 = 12 p + 1, не делится на 3

2)y = 3p + 1, 3 x = 4 ∙ (3p + 1) +1 = 12 p + 5, не делится на 3

3) y = 3p + 2, 3 x = 4 ∙ (3p + 2) +1 = 12 p + 9, кратно 3

3 x = 3 (4 p + 3)

x = 4 p + 3

Ответ: x = 4 p + 3;  y = 3p + 2

Заключение

В ходе работы над проектом:

  • Узнала историю возникновения диофантовых уравнений и биографию Диофанта;

  • Познакомилась с некоторыми типами диофантовых уравнений и научилась методам их решения;

  • Была доказана гипотеза о том, что некоторые задачи из школьного курса можно решить при помощи диофантовых уравнений;

  • Были рассмотрены и разобраны примеры некоторых задач, которые легко решаются при помощи диофантовых уравнений;

  • Значительно упростила работу с ними, поскольку альтернативным методом их решения выступал метод подбора, достаточно трудоёмкий и нецелесообразный, в случаях если на решение задачи даётся не так много времени;

  • Работа над проектом не только повысила мои знания в области математики, но и показала новые методы решения задач, которые я могу применять на практике;

  • Изучение истории развития и изучения диофантовых уравнений расширило мой кругозор;

  • Самое интересное, что каждое уравнение требует особого подхода, поскольку нет универсального метода для решения диофантовых уравнений.


Моя работа над диофантовыми уравнениями продолжается, предстоит ещё многие методы изучить, научиться их применять, а продуктом работы будет небольшой сборник-самоучитель.

Список литературы

1. Башмакова И.Г. «Диофант и диофантовы уравнения», М.:Наука,1972г.

2. Математика в понятиях, определениях и терминах. Ч.1. Пособие для учителей. Под ред. Л.В.Сабинина. М., «Просвещение», 1978. -320 с. (Библиотека учителя математики.) На обороте тит.л.авт.: О.В.Мантуров, Ю.К.Солнцев, Ю.И.Сорокин, Н.Г.Федин.

3. Е.П. Гринько, А.Г. Головач. Учебно-методическое пособие. Методы решения диофантовых уравнений при подготовке школьников к олимпиадам. Брест БрГУ имени А.С. Пушкина, 2013

4. http://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/68579/caoaz.pdf?sequence=1

5. Абакумова, С. И. Диофантовы уравнения / С. И. Абакумова, А. Н. Гусева // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. – 2014. – Т. 1, №6. – С. 133–137.