Муниципальное общеобразовательное учреждение

Саврушская средняя общеобразовательная школа

Похвистневский район Самарская область

Реферат по математике на тему:

«Уравнения с двумя

неизвестными

в целых числах »

Выполнили: Колесова Татьяна

Староверова Нина

у ченицы 10 класса

МОУ Саврушская СОШ

Похвистневского района

Самарской области.

Руководитель: Ятманкина Галина Михайловна

учитель математики.

Савруха 2011

Введение._______________________________________________3

1. Историческая справка _______________________________________5

1.1 Теоремы о числе решений линейных диофантовых уравнений___6

1.2 Алгоритм решения уравнения в целых числах_________________ 6

1.3 Способы решения уравнений_______________________________ 7

Глава 2. Применение способов решения уравнений.

1. Решение задач_____________________________________________ 8

2.1 Решение задач с помощью алгоритма Евклида________________ 8

2.2 Способ перебора вариантов________________________________ 9

2.3 Метод разложения на множители___________________________ 9

2.4 Метод остатков__________________________________________ 12

2. Задачи экзаменационного уровня___________________________ 13

Заключение________________________________________________ 16

Список используемой литературы_____________________________ 17

« Кто управляет числами,

Тот управляет миром»

Пифагор.

Введение.

Анализ ситуации: Диофантовы уравнения это актуальная в наше время тема, т. к. решение уравнений, неравенств, задач, сводящихся к решению уравнений в целых числах с помощью оценок для переменных, встречается в различных математических сборниках и сборниках ЕГЭ.

Изучив разные способы решения квадратного уравнения с одной переменной на уроках, нам было интересно разобраться, а как решаются уравнения с двумя переменными. Такие задания встречаются на олимпиадах и в материалах ЕГЭ.

В этом учебном году одиннадцатиклассникам предстоит сдавать Единый государственный экзамен по математике, где КИМы составлены по новой структуре. Нет части «А», но добавлены задания в часть «В» и часть «С». Составители объясняют добавление С6 тем, что для поступления в технический ВУЗ нужно уметь решать задания такого высокого уровня сложности.

Проблема : Решая примерные варианты заданий ЕГЭ, мы заметили, что чаще всего встречаются в С6 задания на решение уравнений первой и второй степени в целых числах. Но мы не знаем способы решения таких уравнений. В связи с этим возникла необходимость изучить теорию таких уравнений и алгоритм их решения.

Цель: Освоить способ решения уравнений с двумя неизвестными первой и второй степени в целых числах.

Задачи: 1) Изучить учебную и справочную литературу;

2) Собрать теоретический материал по способам решения уравнений;

3) Разобрать алгоритм решения уравнений данного вида;

4) Описать способ решения.

5) Рассмотреть ряд примеров с применением данного приема.

6) Решить уравнения с двумя переменными в целых числах из

материалов ЕГЭ-2010 С6.

Объект исследования : Решение уравнений

Предмет исследования : Уравнения с двумя переменными в целых числах.

Гипотеза: Данная тема имеет большое прикладное значение. В школьном курсе математики подробно изучаются уравнения с одной переменной и различные способы их решения. Потребности учебного процесса требуют, чтобы ученики знали и умели решать простейшие уравнения с двумя переменными. Поэтому повышенное внимание к этой теме не только оправдано, но и является актуальной в школьном курсе математики.

Данная работа может быть использована для изучения данной темы на факультативных занятиях учениками, при подготовке к выпускным и вступительным экзаменам. Мы надеемся, что наш материал поможет старшеклассникам научиться решать уравнения такого вида.

Глава 1. Теория уравнений с двумя переменными в целых числах.

1. Историческая справка.

Диофант и история диофантовых уравнений .

Решение уравнений в целых числах является одной из древнейших математических задач. Наибольшего расцвета эта область математики достигла в Древней Греции. Основным источником, дошедшим до нашего времени, является произведение Диофанта – «Арифметика». Диофант суммировал и расширил накопленный до него опыт решения неопределенных уравнений в целых числах.

История сохранила нам мало черт биографии замечательного александрийского ученого-алгебраиста Диофанта. По некоторым данным Диофант жил до 364 года н.э. Достоверно известно лишь своеобразное жизнеописание Диофанта, которое по преданию было высечено на его надгробии и представляло задачу-головоломку:

«Бог ниспослал ему быть мальчиком шестую часть жизни; добавив к сему двенадцатую часть, Он покрыл его щеки пушком; после седьмой части Он зажег ему свет супружества и через пять лет после вступления в брак даровал ему сына. Увы! Несчастный поздний ребенок, достигнув меры половины полной жизни отца, он был унесен безжалостным роком. Через четыре года, утешая постигшее его горе наукой о числах, он [Диофант] завершил свою жизнь» (примерно 84 года).

Эта головоломка служит примером тех задач, которые решал Диофант. Он специализировался на решении задач в целых числах. Такие задачи в настоящее время известны под названием диофантовых.

Наиболее известной, решенной Диофантом, является задача «о разложении на два квадрата». Ее эквивалентом является известная всем теорема Пифагора. Эта теорема была известна в Вавилонии, возможно ее знали и в Древнем Египте, но впервые она была доказана, в пифагорейской школе. Так называлась группа интересующихся математикой философов по имени основателя школы Пифагора (ок. 580-500г. до н.э.)

Жизнь и деятельность Диофанта протекала в Александрии, он собирал и решал известные и придумывал новые задачи. Позднее он объединил их в большом труде под названием «Арифметика». Из тринадцати книг, входивших в состав «Арифметики», только шесть сохранились до Средних веков и стали источником вдохновения для математиков эпохи Возрождения.

1.1 Теоремы о числе решений линейного диофантового уравнения.

Приведем здесь формулировки теорем, на основании которых может быть составлен алгоритм решения неопределенных уравнений первой степени от двух переменных в целых числах.

Теорема 1. Если в уравнении , , то уравнение имеет, по крайней мере, одно решение.

Теорема 2. Если в уравнении , и с не делится на , то уравнение целых решений не имеет.

Теорема 3. Если в уравнении , и , то оно равносильно уравнению , в котором .

Теорема 4. Если в уравнении , , то все целые решения этого уравнения заключены в формулах:

где х 0 , у 0

1.2. Алгоритм решения уравнения в целых числах.

Сформулированные теоремы позволяют составить следующий алгоритм решения в целых числах уравнения вида .

1. Найти наибольший общий делитель чисел a и b ,

если и с не делится на , то уравнение целых решений не имеет;

если и , то

2. Разделить почленно уравнение на , получив при этом уравнение , в котором .

3. Найти целое решение (х 0 , у 0 ) уравнения путем представления 1 как линейной комбинации чисел и ;

4. Составить общую формулу целых решений данного уравнения

где х 0 , у 0 – целое решение уравнения , - любое целое число.

1.3 Способы решения уравнений

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

1. Способ перебора вариантов.

2. Алгоритм Евклида.

3. Цепные дроби.

4. Метод разложения на множители.

5. Решение уравнений в целых числах как квадратных относительно какой-либо переменной.

6. Метод остатков.

7. Метод бесконечного спуска.

Глава 2. Применение способов решения уравнений

1. Примеры решения уравнений.

2.1 Алгоритм Евклида.

Задача 1 . Решить уравнение в целых числах 407х – 2816y = 33.

Воспользуемся составленным алгоритмом.

1. Используя алгоритм Евклида, найдем наибольший общий делитель чисел 407 и 2816:

2816 = 407·6 + 374;

407 = 374·1 + 33;

374 = 33·11 + 11;

Следовательно (407,2816) = 11, причем 33 делится на 11

2. Разделим обе части первоначального уравнения на 11, получим уравнение 37х – 256y = 3, причем (37, 256) = 1

3. С помощью алгоритма Евклида найдем линейное представление числа 1 через числа 37 и 256.

256 = 37·6 + 34;

Выразим 1 из последнего равенства, затем последовательно поднимаясь по равенствам будем выражать 3; 34 и полученные выражения подставим в выражение для 1.

1 = 34 – 3·11 = 34 – (37 – 34·1) ·11 = 34·12 – 37·11 = (256 – 37·6) ·12 – 37·11 =

– 83·37 – 256·(–12)

Таким образом, 37·(– 83) – 256·(–12) = 1, следовательно пара чисел х 0 = – 83 и у 0 = – 12 есть решение уравнения 37х – 256y = 3.

4. Запишем общую формулу решений первоначального уравнения

где t - любое целое число.

2.2 Способ перебора вариантов.

Задача 2. В клетке сидят кролики и фазаны, всего у них 18 ног. Узнать, сколько в клетке тех и других?

Решение: Составляется уравнение с двумя неизвестными переменными, в котором х – число кроликов, у – число фазанов:

4х + 2у = 18, или 2х + у = 9.

Выразим у через х : у = 9 – 2х.

Таким образом, задача имеет четыре решения.

Ответ: (1; 7), (2; 5), (3; 3), (4; 1).

2.3 Метод разложения на множители.

Перебор вариантов при нахождении натуральных решений уравнения с двумя переменными оказывается весьма трудоемким. Кроме того, если уравнение имеет целые решения, то перебрать их невозможно, так как таких решений бесконечное множество. Поэтому покажем еще один прием - метод разложения на множители.

Задача 3. Решить уравнение в целых числах y 3 - x 3 = 91.

Решение. 1) Используя формулы сокращенного умножения, разложим правую часть уравнения на множители:

(y - x )(y 2 + xy + x 2) = 91……………………….(1)

2) Выпишем все делители числа 91: ± 1; ± 7; ± 13; ± 91

3) Проводим исследование. Заметим, что для любых целых x и y число

y 2 + yx + x 2 ≥ y 2 - 2|y ||x | + x 2 = (|y | - |x |) 2 ≥ 0,

следовательно, оба сомножителя в левой части уравнения должны быть положительными. Тогда уравнение (1) равносильно совокупности систем уравнений:

; ; ;

4) Решив системы, получим: первая система имеет решения (5; 6), (-6; -5); третья (-3; 4),(-4;3); вторая и четвертая решений в целых числах не имеют.

Ответ: уравнение (1) имеет четыре решения (5; 6); (-6; -5); (-3; 4); (-4;3).

Задача 4. Найти все пары натуральных чисел, удовлетворяющих уравнению

Решение. Разложим левую часть уравнения на множители и запишем уравнение в виде

.

Т.к. делителями числа 69 являются числа 1, 3, 23 и 69, то 69 можно получить двумя способами: 69=1·69 и 69=3·23. Учитывая, что , получим две системы уравнений, решив которые мы сможем найти искомые числа:

Первая система имеет решение , а вторая система имеет решение .

Ответ: .

Задача 5.

Решение. Запишем уравнение в виде

.

Разложим левую часть уравнения на множители. Получим

.

Произведение двух целых чисел может равняться 1 только в двух случаях: если оба они равны 1 или -1. Получим две системы:

Первая система имеет решение х=2, у=2, а вторая система имеет решение х=0, у=0.

Ответ: .

Задача 6. Решить в целых числах уравнение

.

Решение . Запишем данное уравнение в виде

Разложим левую часть уравнения на множители способом группировки, получим

.

Произведение двух целых чисел может равняться 7 в следующих случаях:

7=1· 7=7·1=-1·(-7)=-7·(-1).Таким образом, получим четыре системы:

Или , или , или .

Решением первой системы является пара чисел х = - 5, у = - 6. Решая вторую систему, получим х = 13, у = 6.Для третьей системы решением являются числа х = 5, у = 6. Четвёртая система имеет решение х = - 13, у = - 6.

Задача 7. Доказать, что уравнение (x - y ) 3 + (y - z ) 3 + (z - x ) 3 = 30 не

имеет решений в целых числах.

Решение. 1) Разложим левую часть уравнения на множители и обе части уравнения разделим на 3, в результате получим уравнение:

(x - y )(y - z )(z - x ) = 10…………………………(2)

2) Делителями 10 являются числа ±1, ±2, ±5, ±10. Заметим также, что сумма сомножителей левой части уравнения (2) равна 0. Нетрудно проверить, что сумма любых трех чисел из множества делителей числа 10, дающих в произведении 10, не будет равняться 0. Следовательно, исходное уравнение не имеет решений в целых числах.

Задача 8. Решить уравнение: х 2 - у 2 =3 в целых числах.

Решение:

1. применим формулу сокращенного умножения х 2 - у 2 =(х-у)(х+у)=3

2. найдем делители числа 3 = -1;-3;1;3

3. Данное уравнение равносильно совокупности 4 систем:

Х-у=1 2х=4 х=2, у=1

Х-у=3 х=2, у=-1

Х-у=-3 х=-2, у=1

Х-у=-1 х=-2, у=-1

Ответ: (2;1), (2;-1), (-2;1), (-2,-1)

2.4 Метод остатков.

Задача 9 . Решить уравнение: х 2 +ху=10

Решение:

1. Выразим переменную у через х: у= 10-х 2

У = - х

2. Дробь будет целой, если х Є ±1;±2; ±5;±10

3. Найдем 8 значений у.

Если х=-1, то у= -9 х=-5, то у=3

Х=1, то у=9 х=5, то у=-3

Х=-2 ,то у=-3 х=-10, то у=9

Х=2, то у=3 х=10, то у=-9

Задача 10. Решить уравнение в целых числах:

2х 2 -2ху +9х+у=2

Решение:

выразим из уравнения то неизвестное, которое входит в него только в первой степени - в данном случае у:

2х 2 +9х-2=2ху-у

У =

выделим у дроби целую часть с помощью правила деления многочлена на многочлен «углом». Получим:

Следовательно, разность 2х-1 может принимать только значения -3,-1,1,3.

Осталось перебрать эти четыре случая.

Ответ : (1;9), (2;8), (0;2), (-1;3)

2. Задачи экзаменационного уровня

Рассмотрев несколько способов решения уравнений первой степени с двумя переменными в целых числах, мы заметили, что чаще всего применяются метод разложения на множители и метод остатков.

Уравнения, которые даны в вариантах ЕГЭ -2011, в основном решаются методом остатков.

1. Решить в натуральных числах уравнение: , где т>п

Решение:

Выразим переменную п через переменную т

(у+10) 2 < 6 -2 ≤ у+10 ≤ 2 -12 ≤ у ≤ -8

(у+6) 2 < 5 -2 ≤ у+6 ≤ 2 -8 ≤ у ≤ -4 у=-8

Ответ: (12; -8)

Заключение.

Решение различного вида уравнений является одной из содержательных линий школьного курса математики, но при этом методы решения уравнений с несколькими неизвестными практически не рассматриваются. Вместе с тем, решение уравнений от нескольких неизвестных в целых числах является одной из древнейших математических задач. Большинство методов решения таких уравнений основаны на теории делимости целых чисел, интерес к которой в настоящее время определяется бурным развитием информационных технологий. В связи с этим, учащимся старших классов будет небезынтересно познакомиться с методами решения некоторых уравнений в целых числах, тем более что на олимпиадах разного уровня очень часто предлагаются задания, предполагающие решение какого-либо уравнения в целых числах, а в этом году такие уравнения включены еще и в материалы ЕГЭ.

В своей работе мы рассматривали только неопределенные уравнения первой и второй степени. Уравнения первой степени, как мы увидели, решаются довольно просто. Мы выделили виды таких уравнений и алгоритмы их решений. Также было найдено общее решение таких уравнений.

С уравнениями второй степени сложнее, поэтому мы рассмотрели лишь частные случаи: теорему Пифагора и случаи, когда одна часть уравнения имеет вид произведения, а вторая раскладывается на множители.

Уравнениями третьей и больше степеней занимаются великие математики, потому что их решения слишком сложны и громоздки

В дальнейшем мы планируем углубить свое исследование в изучении уравнений с несколькими переменными, которые применяются в решении задач

Литература.

1. Березин В.Н. Сборник задач для факультативных и внеклассных занятий по математике. Москва « Просвещение» 1985г.

2. Галкин Е.Г. Нестандартные задачи по математике. Челябинск «Взгляд» 2004г.

3. Галкин Е.Г. Задачи с целыми числами. Челябинск «Взгляд» 2004г.

4. Глейзер Е.И. История математики в школе. Москва «Просвещение» 1983г.

5. Мордкович А.Г. Алгебра и начала анализа 10-11 класс. Москва 2003г.

6. Математика. ЕГЭ 2010. Федеральный институт

педагогических измерений.

7. Шарыгин И. Ф. Факультативный курс по математике. Решение

задач. Москва 1986г.

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 , в честь древнегреческого математика , который исследовал некоторые типы таких уравнений ещё до нашей эры.

Современной постановкой диофантовых задач мы обязаны французскому математику . Именно он поставил перед европейскими математиками вопрос о решении неопределённых уравнений только в целых числах. Наиболее известное уравнение в целых числах – великая теорема Ферма: уравнение

не имеет ненулевых рациональных решений для всех натуральных n > 2.

Теоретический интерес к уравнениям в целых числах достаточно велик, так как эти уравнения тесно связаны со многими проблемами теории чисел.

В 1970 году ленинградский математик Юрий Владимирович Матиясевич доказал, что общего способа, позволяющего за конечное число шагов решать в целых числах произвольные диофантовы уравнения, не существует и быть не может. Поэтому следует для разных типов уравнений выбирать собственные методы решения.

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.

Задачи с решениями

1. Решить в целых числах уравнение x 2 – xy – 2y 2 = 7.

Запишем уравнение в виде (x – 2y)(x + y) = 7.

Так как х, у – целые числа, то находим решения исходного уравнения, как решения следующих четырёх систем:

1) x – 2y = 7, x + y = 1;

2) x – 2y = 1, x + y = 7;

3) x – 2y = –7, x + y = –1;

4) x – 2y = –1, x + y = –7.

Решив эти системы, получаем решения уравнения: (3; –2), (5; 2), (–3; 2) и (–5; –2).

Ответ: (3; –2), (5; 2), (–3; 2), (–5; –2).

а) 20х + 12у = 2013;

б) 5х + 7у = 19;

в) 201х – 1999у = 12.

а) Поскольку при любых целых значениях х и у левая часть уравнения делится на два, а правая является нечётным числом, то уравнение не имеет решений в целых числах.

Ответ: решений нет.

б) Подберём сначала некоторое конкретное решение. В данном случае, это просто, например,

x 0 = 1, y 0 = 2.

5x 0 + 7y 0 = 19,

5(х – x 0) + 7(у – y 0) = 0,

5(х – x 0) = –7(у – y 0).

Поскольку числа 5 и 7 взаимно простые, то

х – x 0 = 7k, у – y 0 = –5k.

Значит, общее решение:

х = 1 + 7k, у = 2 – 5k,

где k – произвольное целое число.

Ответ: (1+7k; 2–5k), где k – целое число.

в) Найти некоторое конкретное решение подбором в данном случае достаточно сложно. Воспользуемся алгоритмом Евклида для чисел 1999 и 201:

НОД(1999, 201) = НОД(201, 190) = НОД(190, 11) = НОД(11, 3) = НОД(3 , 2) = НОД(2, 1) = 1.

Запишем этот процесс в обратном порядке:

1 = 2 – 1 = 2 – (3 – 2) = 2·2 – 3 = 2· (11 – 3·3) – 3 = 2·11 – 7·3 = 2·11 – 7(190 – 11·17) =

121·11 – 7·190 = 121(201 – 190) – 7·190 = 121·201 – 128·190 =

121·201 – 128(1999 – 9·201) = 1273·201 – 128·1999.

Значит, пара (1273, 128) является решением уравнения 201х – 1999у = 1. Тогда пара чисел

x 0 = 1273·12 = 15276, y 0 = 128·12 = 1536

является решением уравнения 201х – 1999у = 12.

Общее решение этого уравнения запишется в виде

х = 15276 + 1999k, у = 1536 + 201k, где k – целое число,

или, после переобозначения (используем, что 15276 = 1283 + 7·1999, 1536 = 129 + 7·201),

х = 1283 + 1999n, у = 129 + 201n, где n – целое число.

Ответ: (1283+1999n, 129+201n), где n – целое число.

3. Решить в целых числах уравнение:

а) x 3 + y 3 = 3333333;

б) x 3 + y 3 = 4(x 2 y + xy 2 + 1).

а) Так как x 3 и y 3 при делении на 9 могут давать только остатки 0, 1 и 8 (смотрите таблицу в разделе ), то x 3 + y 3 может давать только остатки 0, 1, 2, 7 и 8. Но число 3333333 при делении на 9 даёт остаток 3. Поэтому исходное уравнение не имеет решений в целых числах.

б) Перепишем исходное уравнение в виде (x + y) 3 = 7(x 2 y + xy 2) + 4. Так как кубы целых чисел при делении на 7 дают остатки 0, 1 и 6, но не 4, то уравнение не имеет решений в целых числах.

Ответ: целочисленных решений нет.

а) в простых числах уравнение х 2 – 7х – 144 = у 2 – 25у;

б) в целых числах уравнение x + y = x 2 – xy + y 2 .

а) Решим данное уравнение как квадратное относительно переменной у. Получим

у = х + 9 или у = 16 – х.

Поскольку при нечётном х число х + 9 является чётным, то единственной парой простых чисел, которая удовлетворяет первому равенству, является (2; 11).

Так как х, у – простые, то из равенства у = 16 – х имеем

2 х 16, 2 у 16.

С помощью перебора вариантов находим остальные решения: (3; 13), (5; 11), (11; 5), (13; 3).

Ответ: (2; 11), (3; 13), (5; 11), (11; 5), (13; 3).

б) Рассмотрим данное уравнение как квадратное уравнение относительно x:

x 2 – (y + 1)x + y 2 – y = 0.

Дискриминант этого уравнения равен –3y 2 + 6y + 1. Он положителен лишь для следующих значений у: 0, 1, 2. Для каждого из этих значений из исходного уравнения получаем квадратное уравнение относительно х, которое легко решается.

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

5. Существует ли бесконечное число троек целых чисел x, y, z таких, что x 2 + y 2 + z 2 = x 3 + y 3 + z 3 ?

Попробуем подбирать такие тройки, где у = –z. Тогда y 3 и z 3 будут всегда взаимно уничтожаться, и наше уравнение будет иметь вид

x 2 + 2y 2 = x 3

или, иначе,

x 2 (x–1) = 2y 2 .

Чтобы пара целых чисел (x; y) удовлетворяла этому условию, достаточно, чтобы число x–1 было удвоенным квадратом целого числа. Таких чисел бесконечно много, а именно, это все числа вида 2n 2 +1. Подставляя в x 2 (x–1) = 2y 2 такое число, после несложных преобразований получаем:

y = xn = n(2n 2 +1) = 2n 3 +n.

Все тройки, полученные таким образом, имеют вид (2n 2 +1; 2n 3 +n; –2n 3 – n).

Ответ: существует.

6. Найдите такие целые числа x, y, z, u, что x 2 + y 2 + z 2 + u 2 = 2xyzu.

Число x 2 + y 2 + z 2 + u 2 чётно, поэтому среди чисел x, y, z, u чётное число нечётных чисел.

Если все четыре числа x, y, z, u нечётны, то x 2 + y 2 + z 2 + u 2 делится на 4, но при этом 2xyzu не делится на 4 – несоответствие.

Если ровно два из чисел x, y, z, u нечётны, то x 2 + y 2 + z 2 + u 2 не делится на 4, а 2xyzu делится на 4 – опять несоответствие.

Поэтому все числа x, y, z, u чётны. Тогда можно записать, что

x = 2x 1 , y = 2y 1 , z = 2z 1 , u = 2u 1 ,

и исходное уравнение примет вид

x 1 2 + y 1 2 + z 1 2 + u 1 2 = 8x 1 y 1 z 1 u 1 .

Теперь заметим, что (2k + 1) 2 = 4k(k + 1) + 1 при делении на 8 даёт остаток 1. Поэтому если все числа x 1 , y 1 , z 1 , u 1 нечётны, то x 1 2 + y 1 2 + z 1 2 + u 1 2 не делится на 8. А если ровно два из этих чисел нечётно, то x 1 2 + y 1 2 + z 1 2 + u 1 2 не делится даже на 4. Значит,

x 1 = 2x 2 , y 1 = 2y 2 , z 1 = 2z 2 , u 1 = 2u 2 ,

и мы получаем уравнение

x 2 2 + y 2 2 + z 2 2 + u 2 2 = 32x 2 y 2 z 2 u 2 .

Снова повторив те же самые рассуждения, получим, что x, y, z, u делятся на 2 n при всех натуральных n, что возможно лишь при x = y = z = u = 0.

Ответ: (0; 0; 0; 0).

7. Докажите, что уравнение

(х – у) 3 + (y – z) 3 + (z – x) 3 = 30

не имеет решений в целых числах.

Воспользуемся следующим тождеством:

(х – у) 3 + (y – z) 3 + (z – x) 3 = 3(х – у)(y – z)(z – x).

Тогда исходное уравнение можно записать в виде

(х – у)(y – z)(z – x) = 10.

Обозначим a = x – y, b = y – z, c = z – x и запишем полученное равенство в виде

Кроме того очевидно, a + b + c = 0. Легко убедиться, что с точностью до перестановки из равенства abc = 10 следует, что числа |a|, |b|, |c| равны либо 1, 2, 5, либо 1, 1, 10. Но во всех этих случаях при любом выборе знаков a, b, c сумма a + b + c отлична от нуля. Таким образом, исходное уравнение не имеет решений в целых числах.

8. Решить в целых числах уравнение 1! + 2! + . . . + х! = у 2 .

Очевидно, что

если х = 1, то у 2 = 1,

если х = 3, то у 2 = 9.

Этим случаям соответствуют следующие пары чисел:

х 1 = 1, у 1 = 1;

х 2 = 1, у 2 = –1;

х 3 = 3, у 3 = 3;

х 4 = 3, у 4 = –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).

9. Решите следующую систему уравнений в натуральных числах:

a 3 – b 3 – c 3 = 3abc, a 2 = 2(b + c).

3abc > 0, то a 3 > b 3 + c 3 ;

таким образом имеем

Складывая эти неравенства, получим, что

С учётом последнего неравенства, из второго уравнения системы получаем, что

Но второе уравнение системы также показывает, что а – чётное число. Таким образом, а = 2, b = c = 1.

Ответ: (2; 1; 1)

10. Найти все пары целых чисел х и у, удовлетворяющих уравнению х 2 + х = у 4 + у 3 + у 2 + у.

Разложив на множители обе части данного уравнения, получим:

х(х + 1) = у(у + 1)(у 2 + 1),

х(х + 1) = (у 2 + у)(у 2 + 1)

Такое равенство возможно, если левая и правая части равны нулю, или представляют собой произведение двух последовательных целых чисел. Поэтому, приравнивая к нулю те или иные множители, получим 4 пары искомых значений переменных:

х 1 = 0, у 1 = 0;

х 2 = 0, у 2 = –1;

х 3 = –1, у 3 = 0;

х 4 = –1, у 4 = –1.

Произведение (у 2 + у)(у 2 + 1) можно рассматривать как произведение двух последовательных целых чисел, отличных от нуля, только при у = 2. Поэтому х(х + 1) = 30, откуда х 5 = 5, х 6 = –6. Значит, существуют ещё две пары целых чисел, удовлетворяющих исходному уравнению:

х 5 = 5, у 5 = 2;

х 6 = –6, у 6 = 2.

Ответ: (0; 0), (0; –1), (–1; 0), (–1; –1), (5; 2), (–6; 2.)

Задачи без решений

1. Решить в целых числах уравнение:

а) ху = х + у + 3;

б) х 2 + у 2 = х + у + 2.

2. Решить в целых числах уравнение:

а) х 3 + 21у 2 + 5 = 0;

б) 15х 2 – 7у 2 = 9.

3. Решить в натуральных числах уравнение:

а) 2 х + 1 = у 2 ;

б) 3·2 х + 1 = у 2 .

4. Доказать, что уравнение х 3 + 3у 3 + 9z 3 = 9xyz в рациональных числах имеет единственное решение

5. Доказать, что уравнение х 2 + 5 = у 3 в целых числах не имеет решений.

Генрих Г.Н. ФМШ №146 г. Пермь

54 ≡ 6× 5≡ 2(mod 7),

55 ≡ 2× 5≡ 3(mod 7), 56 ≡ 3× 5≡ 1(mod 7).

Возводя в степень k, получаем 56k ≡ 1(mod 7) при любом натуральном k. Поэтому 5555 =56 × 92 × 53 ≡ 6 (mod7).

(Геометрически это равенство означает, что мы проходим по кругу, стартуя от 5, девяносто два цикла и еще три числа). Таким образом, число 222555 дает при делении на 7 остаток 6.

Решение уравнений в целых числах.

Несомненно, одна из интересных тем математики – решение диофантовых уравнений. Эта тема изучается в 8, а затем и в 10 и 11 классе.

Любое уравнение, которое требуется решить в целых числах, называется диофантовым уравнением. Простейшим из них является уравнение вида ах+bу=с, где а, b и с Î Z. При решении этого уравнения используется следующая теорема.

Теорема. Линейное диофантово уравнение ах+bу=с, где а, b и сÎ Z имеет решение тогда и только тогда, когда с делится на НОД чисел а и b. Если d=НОД (а, b), a=a1 d, b=b1 d, c=c1 d и (x0 , y0 ) – некоторое решение уравнения ах+bу=с, то все решения задаются формулами х=x0 +b1 t, y=y0 –a1 t, где t ─ произвольное целое число.

1. Решить в целых числах уравнения:

	3ху–6х2 =у–2х+4;
	(х–2)(ху+4)=1;		у–х–ху=2;
	2х2 +ху=х+7;		3ху+2х+3у=0;
	х2 –ху–х+у=1;
	х2 –3ху=х–3у+2;	10. х2 –ху– у=4.

2. Следующие задачи рассматривала с выпускниками при подготовке к ЕГЭ по математике по данной теме.

1). Решить в целых числах уравнение: ху+3у+2х+6=13. Рещение:

Разложим на множители левую часть уравнения. Получим:

у(х+3)+2(х+3)=13;

(х+3)(у+2)=13.

Так как x,уÎ Z, то получим совокупность систем уравнений:

Генрих Г.Н.

	ì x +
	ì x +
	ì x +
ê ì x +

ФМШ №146 г. Пермь

		ì x =
		ì x =
		ì x =
	ê ì x =

Ответ: (–2;11), (10; –1), (–4; –15), (–15, –3)

2). Решить в натуральных числах уравнение: 3х +4у =5z .

9). Найти все пары натуральных чисел m и n, для которых справедливо равенство 3m +7=2n .

10). Найти все тройки натуральных чисел k, m и n, для которых справедливо равенство: 2∙k!=m! –2∙n! (1!=1, 2!=1∙2, 3!= 1∙2∙3, …n!= 1∙2∙3∙…∙n)

11). Все члены конечной последовательности являются натуральными числами. Каждый член этой последовательности, начиная со второго, или в 14 раз больше, или в 14 раз меньше предыдущего. Сумма всех членов последовательности равна 4321.

в) Какое наибольшее число членов может иметь последовательность? Решение:

а) Пусть а1 =х, тогда а2 = 14х или а1 =14х, тогда а2 =х. Тогда по условию а1 + а2 = 4321. Получим: х+14х=4321, 15х=4321, но 4321 не кратно 15, значит, двух членов в последовательности быть не может.

б) Пусть а1 =х, тогда а2 = 14х, а3 =х, или 14х+х+14х=4321, или х+14х+х=4321. 29х=4321, тогда х=149, 14х=2086. Значит, последовательность может иметь три члена. Во втором случае 16х=4321, но тогда х не является натуральным числом.

Ответ: а) нет; б) да; в) 577.

Генрих Г.Н.

ФМШ №146 г. Пермь

12). Все члены конечной последовательности являются натуральными числами. Каждый член этой последовательности, начиная со второго, или в 10; раз больше, или в 10 раз меньше предыдущего. Сумма всех членов последовательности равна 1860.

а) Может ли последовательность иметь два члена? б) Может ли последовательность иметь три члена?

в) Какое наибольшее число членов может иметь последовательность?

Очевидно, что говорить о делимости целых чисел и рассматривать задачи по данной теме можно бесконечно. Я постаралась рассмотреть эту тему так, чтобы в большей степени заинтересовать учащихся, показать им красоту математики еще и с этой с точки зрения.

Генрих Г.Н.

ФМШ №146 г. Пермь

Список литературы:

1. А. Я. Каннель-Белов, А. К. Ковальджи. Как решают нестандартные задачи Москва МЦНМО 2001

2. А.В.Спивак. Приложение к журналу Квант№4/2000 Математический праздник, Москва 2000

3. А.В.Спивак. Математический кружок, «Посев» 2003

4. Санкт-Петербургский городской дворец творчества юных. Математический кружок. Задачник первого-второго года обучения. Санкт-Петербург. 1993

5. Алгебра для 8 класса. Учебное пособие для учащихся школ и классов с углубленным изучением математики. Под редакцией Н.Я.Виленкина. Москва, 1995 г.

6. М.Л.Галицкий, А.М.Гольдман, Л.И.Звавич. Сборник задач по алгебре для 8-9 классов. Учебное пособие для учащихся школ и классов с углубленным изучением математики. Москва, Просвещение. 1994 г.

7. Ю.Н.Макарычев, Н.Г.Миндюк, К.И.Нешков. Алгебра 8 класс. Учебник для школ и классов с углубленным изучением математики. Москва, 2001 г.

8. М.И.Шабунин, А.А.Прокофьев УМК МАТЕМАТИКА Алгебра. Начала математического анализа. Профильный уровень. Учебник для 11 класса. Москва Бином. Лаборатория знаний 2009

9. М.И.Шабунин, А.А.Прокофьев, Т.А.Олейник, Т.В.Соколова. УМК МАТЕМАТИКА Алгебра. Начала математического анализа. Профильный уровень Задачник для 11 класса. Москва Бином. Лаборатория знаний 2009

10. А.Г.Клово, Д.А.Мальцев, Л.И.Абзелилова Математика. Сборник тестов по плану ЕГЕ 2010

11. ЕГЭ-2010. «Легион-М». Ростов-на-Дону 2009

12. ЕГЭ УМК «Математика. Подготовка к ЕГЭ». Под редакцией Ф.Ф.Лысенко, С.Ю.Кулабухова. Подготовка к ЕГЭ-2011. «Легион-М». Ростов-на-Дону 2010

13. УМК «Математика. ЕГЭ-2010». Под редакцией Ф.Ф.Лысенко, С.Ю.Кулабухова. МАТЕМАТИКА Подготовка к ЕГЭ-2010. Учебно-тренировочные тесты. «Легион-М». Ростов-на-Дону 2009

14. ФИПИ ЕГЭ. Универсальные материалы для подготовки учащихся МАТЕМАТИКА 2010 «Интеллект-Центр» 2010

15. А.Ж.Жафяров. Математика. ЕГЭ-2010 Экспресс-консультация. Сибирское университетское издательство, 2010

Введение

Существует множество математических задач, ответами к которым служат одно или несколько целых чисел. В качестве примера можно привести четыре классические задачи, решаемые в целых числах – задача о взвешивании, задача о разбиении числа, задача о размене и задача о четырёх квадратах. Стоит отметить, что, несмотря на достаточно простую формулировку этих задач, решаются они весьма сложно, с применением аппарата математического анализа и комбинаторики. Идеи решения первых двух задач принадлежат швейцарскому математику Леонарду Эйлеру (1707–1783). Однако наиболее часто можно встретить задачи, в которых предлагается решить уравнение в целых (или в натуральных) числах. Некоторые из таких уравнений довольно легко решаются методом подбора, но при этом возникает серьёзная проблема – необходимо доказать, что все решения данного уравнения исчерпываются подобранными (то есть решений, отличных от подобранных, не существует). Для этого могут потребоваться самые разнообразные приёмы, как стандартные, так и искусственные. Анализ дополнительной математической литературы показывает, что подобные задания достаточно часто встречаются в олимпиадах по математике разных лет и различных уровней, а также в задании 19 ЕГЭ по математике (профильный уровень). В то же время в школьном курсе математики данная тема практически не рассматривается, поэтому школьники, участвуя в математических олимпиадах или сдавая профильный ЕГЭ по математике, обычно сталкиваются со значительными трудностями при выполнении подобного рода заданий. В связи с этим целесообразно выделить систему основных методов решения уравнений в целых числах, тем более что в изученной математической литературе этот вопрос явно не оговаривается. Описанная проблема определила цель данной работы: выделить основные методы решения уравнений в целых числах. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Проанализировать олимпиадные материалы, а также материалы профильного ЕГЭ по математике;

2) Обозначить методы решения уравнений в целых числах и выделить преобладающие;

3) Полученные результаты проиллюстрировать примерами;

4) Составить несколько тренировочных заданий по данной теме;

5) Применяя разработанные задания, определить степень готовности учащихся девятых классов МБОУ СОШ №59 к решению подобного рода задач и сделать практические выводы.

Основная часть

Анализ разнообразной математической литературы показывает, что среди методов решения уравнений в целых числах в качестве основных можно выделить следующие:

1. Представление уравнения в виде произведения нескольких множителей, равного некоторому целому числу;
2. Представление уравнения в виде суммы квадратов нескольких слагаемых, равной некоторому целому числу;
3. Использование свойств делимости, факториалов и точных квадратов;
4. Использование Малой и Великой теорем Ферма;
5. Метод бесконечного спуска;
6. Выражение одной неизвестной через другую;
7. Решение уравнения как квадратного относительно одной из неизвестных;
8. Рассмотрение остатков от деления обеих частей уравнения на некоторое число.

Сразу же нужно оговорить, что мы понимаем под основными методами решения уравнений. Основными будем называть наиболее часто применяющиеся методы, что, конечно, не исключает возможности периодического применения новых «неожиданных» приёмов. Кроме того, причём в подавляющем большинстве случаев, применяют их различные сочетания, то есть проводят комбинирование нескольких методов.
В качестве примера сочетания методов рассмотрим уравнение, предлагавшееся на ЕГЭ по математике в 2013 году (задание С6).

Задача. Решить в натуральных числах уравнение n ! + 5n + 13 = k 2 .

Решение. Заметим, что оканчивается нулём при n > 4. Далее, при любых n ∈ N оканчивается либо цифрой 0, либо цифрой 5. Следовательно, при n > 4 левая часть уравнения оканчивается либо цифрой 3, либо цифрой 8. Но она же равна точному квадрату, который не может оканчиваться этими цифрами. Поэтому нужно перебрать только четыре варианта: n = 1, n = 2, n = 3, n = 4.

Значит, уравнение имеет единственное натуральное решение n = 2, k = 5.

В этой задаче использовались свойства точных квадратов, свойства факториалов, и остатки от деления обеих частей уравнения на 10.

Задача 1. n 2 - 4y ! = 3.

Решение. Сначала перепишем исходное уравнение в виде n 2 = 4y ! + 3. Если посмотреть на это соотношение с точки зрения теоремы о делении с остатком, то можно заметить, что точный квадрат, стоящий в левой части уравнения, даёт при делении на 4 остаток 3, что невозможно. Действительно, любое целое число представимо в одном из следующих четырёх видов:

Таким образом, точный квадрат при делении на 4 даёт в остатке либо 0, либо 1. Следовательно, исходное уравнение не имеет решений.

Ключевая идея – применение свойств точных квадратов.

Задача 2. 8z 2 = (t !) 2 + 2.

Решение. Непосредственная проверка показывает, что t = 0 и t = 1 не являются решениями уравнения. Если t > 1, то t ! является чётным числом, то есть, оно представимо в виде t ! = 2s . В таком случае уравнение можно преобразовать к виду 4z 2 = 2s 2 + 1. Однако, полученное уравнение заведомо не имеет решений, ибо в левой части стоит чётное число, а в правой – нечётное.

Ключевая идея – применение свойств факториалов.

Задача 3. Решить в целых числах уравнение x 2 + y 2 – 2x + 6y + 5 = 0.

Решение. Исходное уравнение можно переписать следующим образом: (x – 1) 2 + (y + 3) 2 = 5.

Из условия следует, что (x – 1), (y + 3) – целые числа. Следовательно, данное уравнение эквивалентно следующей совокупности:

Теперь можно выписать всевозможные целые решения уравнения.

Задача 4. Решить в целых числах уравнение zt + t – 2z = 7.

Решение. Исходное уравнение можно преобразовать к виду (z + 1) (t – 2) = 5. Числа (z + 1), (t – 2) являются целыми, поэтому имеют место следующие варианты:

Итак, уравнение имеет ровно четыре целых решения.

Ключевая идея – представление уравнения в виде произведения, равного целому числу.

Задача 5. Решить в целых числах уравнение n (n + 1) = (2k + 1)‼

Решение. Число (2k + 1)‼ нечётно при всех неотрицательных значениях k согласно определению (при отрицательных k оно вообще не определено). С другой стороны, оно равно числу n (n + 1), которое чётно при всех целых значениях k . Противоречие.

Ключевая идея – использование чётности/нечётности частей уравнения.

Задача 6. Решить в целых числах уравнение xy + x + 2y = 1.

Решение. Путём преобразований уравнение можно свести к следующему:

Данное преобразование не изменило ОДЗ неизвестных, входящих в уравнение, так как подстановка y = –1 в первоначальное уравнение приводит к абсурдному равенству –2 = 1. Согласно условию, x – целое число. Иначе говоря, тоже целое число. Но тогда число обязано быть целым. Дробь является целым числом тогда и только тогда, когда числитель делится на знаменатель. Делители числа 3: 1,3 –1, –3. Следовательно, для неизвестной возможны четыре случая: y = 0, y = 2, y = –2, y = –4. Теперь можно вычислить соответствующие значения неизвестной x . Итак, уравнение имеет ровно четыре целых решения: (–5;0), (–5;2), (1;–2), (1;–4).

Ключевая идея – выражение одной неизвестной через другую.

Задача 7. m = n 2 + 2.

Решение. Если m = 0, то уравнение примет вид n 2 = –1. Оно не имеет целых решений. Если m < 0, то левая часть уравнения, а значит, и n , не будет являться целым числом. Значит, m > 0. Тогда правая часть уравнения (как и левая) будет кратна 5. Но в таком случае n 2 при делении на 5 должно давать остаток 3, что невозможно (это доказывается методом перебора остатков, который был изложен при решении задачи 1). Следовательно, данное уравнение не имеет решений в целых числах.

Ключевая идея – нахождение остатков от деления обеих частей уравнения на некоторое натуральное число.

Задача 8. Решить в целых числах уравнение (x !) 4 + (y – 1) 4 = (z + 1) 4 .

Решение. Заметим, что в силу чётности показателей степеней уравнение эквивалентно следующему: (x !) 4 + |y – 1| 4 = |z + 1| 4 . Тогда x !, |y – 1|, |z + 1| – натуральные числа. Однако, согласно Великой теореме Ферма, эти натуральные числа не могут удовлетворять исходному уравнению. Таким образом, уравнение неразрешимо в целых числах.

Ключевая идея – использование Великой теоремы Ферма.

Задача 9. Решить в целых числах уравнение x 2 + 4y 2 = 16xy .

Решение. Из условия задачи следует, что x – чётное число. Тогда x 2 = 4x 1 2 . Уравнение преобразуется к виду x 1 2 + y 2 = 8x 1 y . Отсюда вытекает, что числа x 1 , y имеют одинаковую чётность. Рассмотрим два случая.

1 случай . Пусть x 1 , y – нечётные числа. Тогда x 1 = 2t + 1, y = 2s + 1. Подставляя эти выражения в уравнение, получим:

Выполним соответствующие преобразования:

Сокращая обе части полученного уравнения на 2, получим?

В левой части стоит нечётное число, а в правой – чётное. Противоречие. Значит, 1 случай невозможен.

2 случай . Пусть x 1 , y – чётные числа. Тогда x 1 = 2x 2 + 1, y = 2y 1 . Подставляя эти значения в уравнение, получим:

Таким образом, получилось уравнение, точно такое же, как на предыдущем шаге. Исследуется оно аналогично, поэтому на следующем шаге получим уравнение и т.д. Фактически, проводя эти преобразования, опирающиеся на чётность неизвестных, мы получаем следующие разложения: . Но величины n и k не ограничены, так как на любом шаге (со сколь угодно большим номером) будем получать уравнение, эквивалентное предыдущему. То есть, данный процесс не может прекратиться. Другими словами, числа x , y бесконечно много раз делятся на 2. Но это имеет место, только при условии, что x = y = 0. Итак, уравнение имеет ровно одно целое решение (0; 0).

Ключевая идея – использование метода бесконечного спуска.

Задача 10. Решить в целых числах уравнение 5x 2 – 3xy + y 2 = 4.

Решение. Перепишем данное уравнение в виде 5x 2 – (3x )y + (y 2 – 4) = 0. Его можно рассмотреть как квадратное относительно неизвестной x . Вычислим дискриминант этого уравнения:

Для того чтобы уравнение имело решения, необходимо и достаточно, чтобы , то есть Отсюда имеем следующие возможности для y : y = 0, y = 1, y = –1, y = 2, y = –2.

Итак, уравнение имеет ровно 2 целых решения: (0;2), (0;–2).

Ключевая идея – рассмотрение уравнения как квадратного относительно одной из неизвестных.

Составленные автором задачи были использованы при проведении эксперимента, который состоял в следующем. Всем учащимся девятых классов были предложены разработанные задания с целью выявления уровня подготовки детей по данной теме. Каждому из учеников необходимо было предложить метод нахождения целочисленных решений уравнений. В эксперименте приняли участие 64 ученика. Полученные результаты представлены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1

Номер задания	Количество учащихся, справившихся с заданием (в процентах)

Данные показатели говорят о том, что уровень подготовки учащихся девятых классов по данной теме очень низкий. Поэтому целесообразной представляется организация спецкурса «Уравнения в целых числах», который будет направлен на усовершенствование знаний учеников в данной области. Прежде всего, это ученики, которые систематически участвуют в математических конкурсах и олимпиадах, а также планируют сдавать профильный ЕГЭ по математике.

Выводы

В ходе выполнения данной работы:

1) Проанализированы олимпиадные материалы, а также материалы ЕГЭ по математике;

2) Обозначены методы решения уравнений в целых числах и выделены преобладающие;

3) Полученные результаты проиллюстрированы примерами;

4) Составлены тренировочные задания для учащихся девятых классов;

5) Поставлен эксперимент по выявлению уровня подготовки по данной теме учащихся девятых классов;

6) Проанализированы результаты эксперимента и сделаны выводы о целесообразности изучения уравнений в целых числах на математическом спецкурсе.

Результаты, полученные в ходе данного исследования, могут быть использованы при подготовке к математическим олимпиадам, ЕГЭ по математике, а также при проведении занятий математического кружка.

Список литературы

1. Гельфонд А.О. Решение уравнений в целых числах. – М.: Наука, 1983 – 64 с.

2. Алфутова Н.Б. Устинов А.В. Алгебра и теория чисел. Сборник задач для математических школ – М.: МЦНМО, 2009 – 336 с.

3. Гальперин Г.А., Толпыго А.К. Московские математические олимпиады: Кн. для учащихся / Под ред. А.Н. Колмогорова. – М.: Просвещение, 1986. – 303 с., илл.

4. Далингер В.А. Задачи в целых числах – Омск: Амфора, 2010 – 132 с.

5. Гастев Ю. А., Смолянский М. Л. Несколько слов о Великой теореме Ферма // Квант, август 1972.

Глоссарий

Метод бесконечного спуска – метод, разработанный французским математиком П.Ферма (1601–1665), заключающийся в получении противоречия путём построения бесконечно убывающей последовательности натуральных чисел. Разновидность метода доказательства от противного.

Точный (полный) квадрат - квадрат целого числа.

Факториал натурального числа n - произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно.

С опушки леса в чащу ведет множество тропинок. Они извилисты, они сходятся, расходятся вновь и снова пересекаются одна с другой. На прогулке можно только заметить обилие этих тропинок, походить по некоторым из них и проследить их направление в глубь леса. Для серьезного изучения леса нужно идти по тропинкам, пока они вообще различимы среди сухой хвои и кустарников.

Поэтому мне захотелось написать проект, который можно рассматривать как описание одной из возможных прогулок по опушке современной математики.

Окружающий мир, потребности народного хозяйства, а зачастую, и повседневные хлопоты ставят перед человеком все новые и новые задачи, решение которых не всегда очевидно. Порою тот или иной вопрос имеет под собой множество вариантов ответа, из-за чего происходят затруднения в решении поставленных задач. Как выбрать правильный и оптимальный вариант?

С этим же вопросом напрямую связано решение неопределенных уравнений. Такие уравнения, содержащие две или более переменных, для которых требуется найти все целые или натуральные решения, рассматривались еще в глубокой древности. Например, греческий математик Пифагор (IV век до н. э.). александрийский математик Диофант (II-III век н. э.) и лучшие математики более близкой нам эпохи - П. Ферма (XVII век), Л. Эйлер (XVIII век), Ж. Л. Лагранж (XVIII век) и другие.

Участвуя в Российском заочном конкурсе > г. Обнинска, Международном конкурсе - игре > и олимпиаде Уральского Федерального округа часто сталкиваюсь с такими задачами. Это связано с тем, что их решение носит творческий характер. Проблемы, возникающие при решении уравнений в целых числах, вызваны как сложностью, так и тем, что в школе им уделяется мало времени.

Диофант представляет одну из наиболее трудных загадок в истории науки. Нам не известно ни время, когда он жил, ни предшественники, которые работали бы в той же области. Труды его подобны сверкающему огню среди непроницаемой тьмы.

Промежуток времени, когда мог жить Диофант, составляют полтысячелетия! Нижняя грань определяется без труда: в своей книге о многоугольных числах Диофант неоднократно упоминает математика Гипсикла Александрийского который жил в середине 2-ого в. до н. э.

С другой стороны, в комментариях Теона Александрийского к > знаменитого астронома Птолемея помещен отрывок из сочинения Диофанта. Теон жил в середине 4-ого в. н. э. Этим определяется верхняя грань этого промежутка. Итак, 500 лет!

Французский историк науки Поль Таннри, издатель наиболее полного текста Диофанта, попытался сузить этот промежуток. В библиотеке Эскуриала он нашел отрывки из письма Михаила Пселла, византийского ученого Х1 в. , где говорится, что ученейший Анатолий после того как собрал наиболее существенные части этой науки речь идет о введении степеней неизвестного и об их (обозначении), посвятил их своему другу Диофанту. Анатолий Александрийский действительно составил >, отрывки которой приводят в дошедшей до нас сочинений Ямблих и Евсений. Но Анатолий жил в Александрии в середине 111-го в до н. э и даже более точно - до 270 года, когда он стал епископом Лаодакийским. Значит, его дружба с Диофантом, которого все называют Александрийским, должна была иметь место до этого. Итак, если знаменитый Александрийский математик и друг Анатолия по имени Диофант составляют одно лицо, то время жизни Диофанта - середина 111-го века нашей эры.

Зато место жительства Диофанта хорошо известно - Александрия, центр научной мысли и эллинистического мира.

До наших времен дошла одна из эпиграмм Палатинской Антологии:

Прах Диофанта гробница покоит: дивись ей - и камень

Мудрым искусством его скажет усопшего век.

Волей богов шестую часть жизни он прожил ребенком

И половину шестой встретил с пушком на щеках.

Только минула седьмая, с подругою он обручился.

С нею пять лет проведя, сына дождался мудрец.

Только полжизни отцовской возлюбленный сын его прожил.

Отнят он был у отца ранней могилой своей.

Дважды два года родитель оплакивал тяжкое горе.

Тут и увидел предел жизни печальной своей.

Используя современные методы решения уравнений можно сосчитать, сколько лет прожил Диофант.

Пусть Диофант прожил x лет. Составим и решим уравнение:

Умножим уравнение на 84, чтобы избавиться от дробей:

Таким образом, Диофант прожил 84 года.

Наиболее загадочным представляется творчество Диофанта. До нас дошло шесть из тринадцати книг, которые были объединены в >, стиль и содержание этих книг резко отличаются от классических античных сочинений по теории чисел и алгебры, образцы которых мы знаем по > Евклида, его >, леммам из сочинений Архимеда и Аполлония. >, несомненно, явилась результатом многочисленных исследований, которые остались совершенно неизвестными.

Мы можем только гадать о её корнях, и изумляться богатству и красоте её методов и результатов.

> Диофанта это сборник задач (всего 189), каждая из которых снабжена решением. Задачи в ней тщательно подобраны и служат для иллюстрации вполне определенных, строго продуманных методах. Как это было принято в древности, методы не формулируются в общем виде, а повторяются для решения однотипных задач.

Достоверно известно своеобразное жизнеописание Диофанта, которое по преданию было высечено на его надгробии и представляло задачу-головоломку:

Эта головоломка служит примером тех задач, которые решал Диофант. Он специализировался на решении задач в целых числах. Такие задачи в настоящее время известны под названием диофантовых.

Исследования диофантовых уравнений обычно связано с большими трудностями.

В 1900 году на всемирном конгрессе математиков в Париже один из крупнейших математиков мира Давид Гильберт выделил 23 проблемы из различных областей математики. Одной из этих проблем была проблема решения диофантовых уравнений. В проблеме заключалось следующее: можно ли разрешить уравнение с произвольным числом неизвестных и целыми коэффициентами, определённым способом - с помощью алгоритма. Задача состоит в следующем: для заданного уравнения надо найти все целые или натуральные значения переменных, входящих в уравнение, при которых оно превращается в истинное равенство. Диофант придумал для таких уравнений много разнообразных приёмов решения. Ввиду бесконечного разнообразия диофантовых уравнений общего алгоритма для их решения не существует, и практически для каждого уравнения приходится изобретать индивидуальный приём.

Диофантовым уравнением 1-ой степени или линейным диофантовым уравнением с двумя неизвестными называется уравнение вида: ax+by=c, где a,b,c-целые, НОД(a,b)=1.

Приведу формулировки теорем, на основании которых может быть составлен алгоритм решения неопределенных уравнений первой степени от двух переменных в целых числах.

Теорема 1. Если в уравнении, то уравнение имеет, по крайней мере, одно решение.

Доказательство:

Можно считать, что а >0. Решив уравнение относительно х, получим: х=с-вуа. Докажу, что если в эту формулу вместо у подставлять все натуральные числа, меньшие а и 0, т. е. числа 0;1;2;3;. ;а-1, и каждый раз совершать деление, то все а остатков будут различны. Действительно, подставлю вместо у числа m1 и m2, меньшие а. В результате получу две дроби: с-вm1а и с-вm2а. Выполнив деление и обозначив неполные частные через q1и q2, а остатки через r1 и r2, найду с-вm1а=q1+ r1а, с-вm2а= q2+ r2а.

Предположу, что остатки r1 и r2 равны. Тогда вычитая из первого равенства второе получу: с-вm1а- с-вm2а= q1-q2, или в(m1 - m2)а=q1-q2.

Т. к. q1-q2 - целое число, то и левая часть должна быть целой. Стало быть, вm1 - m2 должно делиться на а, т. е. разность двух натуральных чисел, каждое из которых меньше а, должна делиться на а, что невозможно. Значит, остатки r1 и r2 равны. Т. е. все остатки различны.

Т. о. я получила а различных остатков, меньших а. Но различные а натуральных чисел, не превосходящие а - это числа, 0;1;2;3;. ;а-1. Следовательно, среди остатков непременно найдется один и только один, равный нулю. Значение у, подстановка которого в выражение (с-ву)а дает остаток 0, и превращает х=(с-ву)а в целое число. Что и требовалось доказать.

Теорема 2. Если в уравнении, и с не делится на, то уравнение целых решений не имеет.

Доказательство:

Пусть d=НОД(а;в), так, что а=md, b=nd, где m и n- целые числа. Тогда уравнение примет вид: mdх+ ndу=с, или d(mх+ nу)=с.

Допустив, что существуют целые числа х и у, удовлетворяющие уравнению, получаю, что коэффициент с делится на d. Полученное противоречие доказывает теорему.

Теорема 3. Если в уравнении, и, то оно равносильно уравнению, в котором.

Теорема 4. Если в уравнении, то все целые решения этого уравнения заключены в формулах:

где х0, у0 - целое решение уравнения, - любое целое число.

Сформулированные теоремы позволяют составить следующий алгоритм решения в целых числах уравнения вида.

1. Найти наибольший общий делитель чисел a и b, если и с не делится на, то уравнение целых решений не имеет; если и, то

2. Разделить почленно уравнение на, получив при этом уравнение, в котором.

3. Найти целое решение (х0, у0) уравнения путем представления 1 как линейной комбинации чисел и;

4. Составить общую формулу целых решений данного уравнения где х0, у0 - целое решение уравнения, - любое целое число.

2. 1 МЕТОД СПУСКА

Многие > основаны на методах решения неопределенных уравнений. Например, фокус с угадыванием даты рождения.

Предложите Вашему знакомому угадать его день рождения по сумме чисел равных произведению даты его рождения на 12 и номера месяца рождения на 31.

Для того чтобы угадать день рождения Вашего знакомого нужно решить уравнение: 12х + 31y = А.

Пусть Вам назвали число 380, т. е. имеем уравнение 12х + 31y = 380. Для того чтобы найти х и y можно рассуждать так: число 12х + 24y делится на 12, следовательно, по свойствам делимости (теорема 4. 4), числа 7y и 380 должны иметь одинаковые остатки при делении на 12. Число 380 при делении на 12 дает остаток 8, следовательно 7y при делении на 12 тоже должно давать в остатке 8, а так как y - это номер месяца, то 1

Уравнение, которое мы решили, является диофантовым уравнением 1-ой степени с двумя неизвестными. Для решения таких уравнений может быть использован, так называемый метод спуска. Алгоритм этого метода рассмотрю на конкретном уравнении 5x + 8y = 39.

1. Выберу неизвестное, имеющее наименьший коэффициент (в нашем случае это х), и выражу его через другое неизвестное:. Выделю целую часть:. Очевидно, что х будет целым, если выражение окажется целым, что, в свою очередь, будет иметь место тогда, когда число 4 - 3y без остатка делится на 5.

2. Введу дополнительную целочисленную переменную z следующим образом: 4 - 3y = 5z. В результате получу уравнение такого же типа, как и первоначальное, но уже с меньшими коэффициентами. Решать его буду уже относительно переменной y:. Выделяя целую часть, получу:

Рассуждая аналогично предыдущему, ввожу новую переменную u: 3u = 1 - 2z.

3. Выражу неизвестную с наименьшим коэффициентом, в этом случае переменную z: =. Требуя, чтобы было целым, получу: 1 - u = 2v, откуда u = 1 - 2v. Дробей больше нет, спуск закончен.

4. Теперь необходимо >. Выражу через переменную v сначала z, потом y и затем x: z = = = 3v - 1; = 3 - 5v.

5. Формулы x = 3+8v и y = 3 - 5v, где v - произвольное целое число, представляют общее решение исходного уравнения в целых числах.

Замечание. Таким образом, метод спуска предполагает сначала последовательное выражение одной переменой чрез другую, пока в представлении переменной не останется дробей, а затем, последовательное > по цепочке равенств для получения общего решения уравнения.

2. 2 МЕТОД ПЕРЕБОРА

В клетке сидят кролики и фазаны, всего у них 18 ног. Узнать, сколько в клетке тех и других?

Составлю уравнение с двумя неизвестными, в котором х - число кроликов, а у - число фазанов:

4х + 2у = 18, или 2х + у = 9.

Ответ. 1)1 кролик и 7 фазанов; 2) 2 кролика и 5 фазанов; 3) 3 кролика и 3 фазана; 4) 4 кролика и 1 фазан.

1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3. 1 Решение линейных уравнений с двумя неизвестными

1. Решить уравнение 407х - 2816y = 33 в целых числах.

Воспользуюсь составленным алгоритмом.

1. Используя алгоритм Евклида, найду наибольший общий делитель чисел 407 и 2816:

2816 = 407·6 + 374;

407 = 374·1 + 33;

374 = 33·11 + 11;

Следовательно (407,2816) = 11, причем 33 делится на 11.

2. Разделю обе части первоначального уравнения на 11, получим уравнение 37х - 256y = 3, причем (37, 256) = 1

3. С помощью алгоритма Евклида найду линейное представление числа 1 через числа 37 и 256.

256 = 37·6 + 34;

Выражу 1 из последнего равенства, затем последовательно поднимаясь по равенствам буду выражать 3; 34 и полученные выражения подставлю в выражение для 1.

1 = 34 - 3·11 = 34 - (37 - 34·1) ·11 = 34·12 - 37·11 = (256 - 37·6) ·12 - 37·11 =

83·37 - 256·(- 12)

Таким образом, 37·(- 83) - 256·(- 12) = 1, следовательно пара чисел х0 = - 83 и у0 = - 12 есть решение уравнения 37х - 256y = 3.

4. Запишу общую формулу решений первоначального уравнения где t - любое целое число.

Ответ. (-83c+bt; -12с-at), t є Z.

Замечание. Можно доказать, что если пара (х1,y1) - целое решение уравнения, где, то все целые решения этого уравнения находятся по формулам: х=х1+bty=y1-at

2. Решить уравнение 14x - 33y=32 в целых числах.

Решение: x = (32 + 33y) : 14

(14 [. ] 2+ 5)y + (14 [. ] 2 + 4) = 14 [. ] 2y + 5y + 14[. ] 2 + 4 = 14(2y + 2) + 5y + 4; 2y + 2 = p; p є Z

Перебор от 1 до 13

При y = 2; (5 [. ] 2 + 4): 14

Подставлю в исходное уравнение y = 2

14x = 32 +33 [. ] 2

14x = 32 + 66 x = 98: 14 = 7

Найду все целые решения по найденному частному:

14(x - 7) + 98 - 33 (y -2) - 66 = 32

14(x - 7) - 33(y - 2)=0

14(x - 7) = 33(y - 2) -> 14(x - 7) : 33 -> (x - 7): 33 -> x = 33k + 7; k є Z

Подставлю в исходное уравнение:

14(33k + 7) - 33y = 32

14. 33k + 98 - 33y = 32 y = 14k + 2; x = 33k + 7, где k є Z. Эти формулы задают общее решение исходного уравнения.

Ответ. (33k + 7; 14k + 2), k є Z.

3. Решить уравнение x - 3y = 15 в целых числах.

Найду НОД(1,3)=1

Определю частное решение: x=(15+3y):1 используя метод перебора, нахожу значение y=0 тогда x=(15+3 [. ] 0) =15

(15; 0) - частное решение.

Все остальные решения находятся по формулам: x=3k + 15, k є Z y=1k+0=k, k є Z при k=0, получаю частное решение (15;0)

Ответ: (3k+15; k), k є Z.

4. Решить уравнение 7x - y = 3в целых числах.

Найду НОД(7; -1)=1

Определю частное решение: x = (3+y):7

Используя метод перебора, находим значение y є y = 4, x = 1

Значит, (1;4) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = 1k + 1, k є Z y = 7k + 4, k є Z

Ответ: (k+1;7k+4); k є Z.

5. Решить уравнение 15x+11 y = 14 целых числах.

Найду НОД(15; -14)=1

Определю частное решение: x = (14 - 11y):15

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 4, x = -2

(-2;4) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = -11k - 2, k є Z y =15k + 4, k є Z

Ответ: (-11k-2; 15k+4); k є Z.

6. Решить уравнение 3x - 2y = 12 целых числах.

Найду НОД(3; 2)=1

Определю частное решение: x = (12+2y):3

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 0, x = 4

(4;0) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = 2k + 4, k є Z y = 3k, k є Z

Ответ: (2k+4; 3k); k є Z.

7. Решите в целых числах уравнение xy = x + y.

Имею ху - х - у + 1 = 1 или (х - 1)(у - 1) = 1

Поэтому х - 1 = 1, у - 1 = 1, откуда х = 2, у = 2 или х - 1 = - 1, у - 1 = - 1, откуда х = 0, у = 0 других решений в целых числах данное уравнение не имеет.

Ответ. 0;0;(2;2).

8. Решите в целых числах уравнение 60х - 77у = 1.

Разрешу это уравнение относительно х: х = (77у + 1) / 60 = (60у + (17у +1)) / 60 = у + (17у + 1) / 60.

Пусть (17у + 1) / 60 = z, тогда у = (60z - 1) / 17 = 3z + (9z - 1) / 17. Если обозначить (9z - 1) / 17 через t, то z = (17t + 1) / 9 = 2t + (- t + 1) / 9. Наконец, пусть (- t + 1) / 9 = n, тогда t = 1- 9n. Так как я нахожу только целые решения уравнения, то z, t, n должны быть целыми числами.

Таким образом, z = 2 - 18n + 2 = 2 - 17n, а поэтому у = 6 - 51n + 1 - 9n = 7 - 60n, х = 2 - 17n +7 - 60n = 9 - 77n. Итак, если х и у - целые решения данного уравнения, то найдется такое целое число n, что х = 9 - 77n, y = 7 - 60n. Обратно если у = 9 - 77n, х = 7 - 60n, то, очевидно, х, у - целые. Проверка показывает, что они удовлетворяют исходному уравнению.

Ответ. (9 - 77n; 7 - 60n)); n є Z.

9. Решить уравнение 2x+11y =24 в целых числах.

Найду НОД(2; 11)=1

Определю частное решение: x = (24-11y):2

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 0, x = 12

(12;0) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = -11k + 12, k є Z y = 2k + 0=2k, k є Z

Ответ:(-11k+12; 2k); k є Z.

10. Решить уравнение 19x - 7y = 100 в целых числах.

Найду НОД(19; -7)=1

Определю частное решение: x = (100+7y):19

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 2, x = 6

(6;2) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = 7k + 6, k є Z y = 19k + 2, k є Z

Ответ:(7k+6; 19k+2); kє Z.

11. Решить уравнение 24x - 6y = 144 в целых числах

Найду НОД(24; 6)=3.

Уравнение не имеет решений, потому что НОД(24; 6)!=1.

Ответ. Решений нет.

12. Решить уравнение в целых числах.

Преобразую отношение коэффициентов при неизвестных.

Прежде всего, выделю целую часть неправильной дроби;

Правильную дробь заменю равной ей дробью.

Тогда получу.

Проделаю такие же преобразования с полученной в знаменателе неправильной дробью.

Теперь исходная дробь примет вид:

Повторяя те же рассуждения для дроби,получаю.

Выделяя целую часть неправильной дроби, приду к окончательному результату:

Я получила выражение, которое называется конечной цепной или непрерывной дробью. Отбросив последнее звено этой цепной дроби - одну пятую, превращу получающуюся при этом новую цепную дробь в простую и вычту ее из исходной дроби.

Приведу полученное выражение к общему знаменателю и отброшу его, тогда

Из сопоставления полученного равенства с уравнением следует, что, будет решением этого уравнения и согласно теореме все его решения будут содержаться в,.

Ответ. (9+52t; 22+127t), t є Z.

Полученный результат наводит на мысль о том, что и в общем случае для нахождения решения уравнения надо разложить отношение коэффициентов при неизвестных в цепyую дробь, отбросить ее последнее звено и проделать выкладки, подобные тем, которые были проведены выше.

13. Решить уравнение 3ху + 2х + 3у = 0 в целых числах.

3ху + 2х + 3у =3ху + 2х + 3у + 2 - 2 = 3у(х + 1) + 2(х + 1) - 2 =

=(х + 1)(3у + 2) - 2,

(х + 1)(3у + 2) = 2,

3у + 2 = 1 или 3у + 1 = 2 или 3у + 1 = -1 или 3у + 1 = -2 х + 1 = 2, х + 1 =1, х + 1 = -2, х + 1 = -1; х = 2 или х = 0 или х = -3 или х = -2 у cent z, у = 0, у = -1, у cent z.

Ответ: (0;0);(-3;-1).

14. Решить уравнение у - х - ху = 2 в целых числах.

Решение: у - ху - х + 1 = 3, (у + 1)(1 - х) = 3,

3 = 1·3 = 3·1 = (-1)·(-3) = (-3)·(-1).

у + 1 = 1 или у + 1 = 3 или у + 1 = -1 или у + 1 = -3

1 - х =3, 1 - х =1, 1 - х = -3, 1 - х = -1.

у = 0 или у = 2 или у = -2 или у = -4 х =-2, х = 0, х = 4, х = 2

Ответ: (-2;0);(0;2);(2;-4);(4;-2).

15. Решить уравнение у + 4х + 2ху = 0 в целых числах.

Решение: у + 4х + 2ху + 2 - 2 = 0, (2х + 1)(2 + у) = 2,

2 = 1∙2 = 2∙1 = (-2)∙(-1) = (-1)∙(-2).

2х + 1= 1 или 2х + 1= 2 или 2х + 1= -1 или 2х + 1= -2

2 + у = 2, 2 + у = 1, 2 + у = -2, 2 + у = -1; у = 0 или у = -1 или у = -4 или у = -3 х = 0, х cent Z, х = -1, х cent Z.

Ответ: (-1;-4);(0;0).

16. Решить в целых числах уравнение 5х + 10у = 21.

5(х + 2у) = 21, т. к. 21 != 5n, то корней нет.

Ответ. Корней нет.

17. Решить уравнение 3х + 9у = 51в натуральных числах.

3(х + 3у) = 3∙17, х = 17 - 3у, у = 1, х = 14; у = 2, х = 11; у = 3, х = 8; у = 4, х = 5; у = 5, х = 2; у = 6, х = -1, -1cent N.

Ответ:(2;5);(5;4);(8;3);(11;2; (14;1).

18. Решить уравнение 7х+5у=232 в целых числах.

Решу это уравнение относительно того из неизвестных, при котором находится наименьший (по модулю) коэффициент, т. е. в данном случае относительно у: у=232-7х5.

Подставлю в это выражение вместо х числа: 0;1;2;3;4. Получаю: х=0, у=2325=4625, х=1, у=232-75=45, х=2, у=232-145=43,6, х=3, у=232-215=42,2, х=4, у=232-285=40,8

Ответ. (1;45).

19. Решить в целых числах уравнение 3x + 4y + 5xy = 6.

Имею 3∙4 + 5∙6 = 42 = mn

Делители 42: - +- (1, 2, 3, 6, 7, 14, 21, 42).

x = m - 45, y = n - 35 нахожу, что при m = -1, -6, 14, -21 n = -42, -7, 3, -2 решениями будут: x = -1, -2, 2, -5 y = -9, -2, 0, -1.

Итак, данное уравнение имеет 4 решения в целых числах и ни одного в натуральных.

Ответ. -1;-9;-2;-2;2;0;(-5;-1).

20. Решить уравнение 8х+65у=81в натуральных числах.

81⋮НОД(8;65)=>

8х=81-65у х=81-65у8=16+65-65у8=2+65(1-у)8.

Пусть 1-у8=t, t Є Z. х=2+65t>0у=1-8t>0

65t>-2-8t>-1 t>-265 t t=0.

При t=0 х=2у=1

Ответ. (2;1).

21. Найти целые неотрицательные решения уравнения 3х+7у=250.

250⋮НОД(3;7) =>уравнение можно решить в целых числах.

х=250-7у3=243+7-7у3=81+7(1-у)3.

Пусть 1-у3=t, t Є Z.

х=81+7t>=0у=1-3t>=0

7t>=-81-3t>=-1 t>=-817t=-1147t t=-11;-10;. ;0.

х=81+7tу=1-3t t=-11 х=4у=34 t=-10 х=11у=31 t=-9 х=18у=28 t=-8 х=25у=25 t=-7 х=32у=22 t=-6 х=39у=19 t=-5 х=46у=16 t=-4 х=53у=13 t=-3 х=60у=10 t=-2 х=67у=7 t=-1 х=74у=4 t=0 х=81у=1

Ответ. 11;31;18;28;25;25;32;22;39;19;46;16;53;13;60;10;67;7;74;4;81;1.

22. Решить уравнение ху+х+у3=1988 в целых числах.

Умножим обе части уравнения на 3. Получим:

3х+3ху+у=5964

3х+3ху+у+1=5965

(3х+1)+(3ух+у)=5965

(3х+1) + у(3х+1)=5965

(3х+1)(у+1)=5965

5965=1∙5965 или 5965=5965∙1 или 5965=-1∙(-5965) или 5965=-5965∙(-1) или 5965=5∙1193 или 5965=1193∙1 или 5965=-5∙(-1193) или 5965=-1193∙(-5)

1)3х+1=1у+1=5965 2) 3х+1=5965у+1=1 х=0у=5964 х=1988у=0

3) 3х+1=5у+1=1193 4) 3х+1=1193у+1=5 решений в целых числах нет решений в целых числах нет

5) 3х+1=-1у+1=-5965 6) 3х+1=-5965у+1=-1 решений в целых числах нет решений в целых числах нет

7) 3х+1=-5у+1=-1193 8) 3х+1=-1193у+1=-5 х=-2у=1194 х=-398у=-6

Ответ. 0;5964;1988;0;-2;-1194;(-398;-6).

3. 2 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Существует несколько типов задач, чаще всего это задачи олимпиадного характера, которые сводятся к решению диофантовых уравнений. Например: а) Задачи по размену суммы денег определённого достоинства.

б) Задачи на переливание, на деление предметов.

1. Купили 390 цветных карандашей в коробках по 7 и по 12 карандашей. Сколько тех и других коробок купили?

Обозначу: x коробок по 7 карандашей, y коробок по 12 карандашей.

Составлю уравнение:7x + 12y = 390

Найду НОД(7; 12)=1

Определю частное решение: x = (390 - 12y):7

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 1, x = 54

(54;1) - частное решение.

Все остальные решения нахожу по формулам: x = -12k + 54, k є Z y = 7k + 1, k є Z

Я нашла множество решений уравнения. Учитывая условия задачи, определю возможное количество тех и других коробок.

Ответ. Можно купить: 54 коробки по7 карандашей и 1 коробку по 12 карандашей или 42 коробки по 7карандашей и 8 коробок по 12 карандашей, или 30 коробок по 7 карандашей и 15 коробок по 12 карандашей, или 28 коробок по 7 карандашей и 22 коробки по 12 карандашей, или 6 коробок по 7 карандашей и 29 коробок по 12 карандашей.

2. Один катет прямоугольного треугольника на 7 см больше другого, а периметр треугольника равен 30 см. Найдите все стороны треугольника.

Обозначу: x см - один катет, (x+7) см - другой катет, y см - гипотенуза

Составлю и решу диофантово уравнение: x+(x+7)+y=30

Найду НОД(2; 1)=1

Определю частное решение: x = (23 - y):2

Используя метод перебора, нахожу значение y =1 y = 1, x = 11

(11;1) - частное решение.

Все остальные решения уравнения нахожу по формулам: x = -k + 11, k є Z y = 2k + 1, k є Z k

Учитывая, что любая сторона треугольника меньше суммы двух других сторон, приходим к выводу, что существует три треугольника со сторонами 7, 9 и 14; 6, 11 и 13; 5, 13 и 12. По условию задачи дан прямоугольный треугольник. Это треугольник со сторонами 5, 13 и 12 (выполняется теорема Пифагора).

Ответ: Один катет равен 5см, другой - 12 см, гипотенуза - 13 см.

3. Несколько детей собирали яблоки. Каждый мальчик собрал по 21 кг, а девочка по 15 кг. Всего они собрали 174 кг. Сколько мальчиков и сколько девочек собирали яблоки?

Пусть мальчиков x, а девочек y, при этом x и y - натуральные числа. Составлю уравнение:

Решаю методом подбора: x

6 Только при x = 4 второе неизвестное получает целое положительное значение (y = 6). При любом другом значении x число y будет либо дробным, либо отрицательным. Следовательно, задача имеет одно единственное решение.

Ответ. 4 мальчика и 6 девочек.

4. Можно ли сформировать набор из карандашей стоимостью 3 рубля и ручек стоимостью 6 рублей на сумму 20 рублей?

Пусть количество карандашей в наборе x, а ручек - y.

Составлю уравнение:

При любых целых числах x и y левая часть уравнения должна делиться на 3; правая часть при этом не делится на 3. Это означает, что не существует таких целых x и y, которые удовлетворяли бы нашему уравнению. Это уравнение неразрешимо в целых числах. Сформировать такой набор невозможно.

Ответ. Решений нет.

5. Найти натуральное число, которое при делении на 3 дает остаток 2, а при делении на 5 - остаток 3.

Обозначу искомое число через x. Если частное от деления x на 3 обозначу через y, а частное от деления на 5 - через z, то получу: х=3у+2х=5z+3

По смыслу задачи x, y и z должны быть натуральными числами. Значит, нужно решить в целых числах неопределенную систему уравнений.

При любых целых y и z , будет целым и x. Вычту из второго уравнения первое и получу:

5z - 3y + 1 = 0.

Найдя все целые положительные y и z, сразу получу и все целые положительные значения x.

Из этого уравнения нахожу:

Одно решение очевидно: при z = 1 получим y = 2, и x и y целые. Им соответствует решение x = 8.

Найду остальные решения. Для этого введу вспомогательное неизвестное u, полагая z = 1 + u. Получу:

5(1 + u) - 3y + 1 = 0, т. е. 5u = 3y - 6 или 5u = 3(y - 2).

Правая часть последнего уравнения при любом целом y делится на 3. Значит, и левая часть должна делиться на 3. Но число 5 - взаимно-простое с числом 3; поэтому u должно разделиться на 3, т. е. иметь вид 3n, где n - целое число. В этом случае y будет равняться

15n/3 + 2 = 5n + 2, т. е. тоже целому числу. Итак, z = 1 + u = 1 + 3n, откуда x = 5z + 3 = 8 + 15n.

Получилось не одно, а бесконечное множество значений для x: x = 8 + 15n, где n - целое число (положительное или ноль):

Ответ. х=8+15n; n є 0;1;2;.

6. Подданные привезли в дар шаху 300 драгоценных камней: в маленьких шкатулках по 15 штук в каждой и в больших - по 40 штук. Сколько было тех и других шкатулок, если известно, что маленьких было меньше, чем больших?

Обозначу за х количество маленьких шкатулок, а за у - количество больших.

15х+40у=300. Сокращу на 5.

3х+8у=60 х=60-8у3 х=60-6у-2у3

Х=20-2у-2у3

Чтобы значение дроби было целым числом, надо чтобы 2у было кратным 3, т. е. 2у=3с.

Выражу переменную у и выделю целую часть:

Z должно быть кратно 2, т. е. z=2u.

Выражу переменные х и у через u:

Х=20-2у-2у3

Х=20-2∙3u-2∙3u3

Составлю и решу систему неравенств:

Выпишу целые решения: 1; 2. Теперь найду значения х и у при u=1; 2.

1) х1=20-8∙1=20-8=12 у1=3∙1=3

2) х2=20-8∙2=20-16=4 у2=3∙2=6

Ответ. 4 маленькие шкатулки; 6 больших шкатулок.

7. Даны два автомобиля Урал 5557, автомобили отправили в рейс Краснотурьинск - Пермь - Краснотурьинск. Всего понадобилось 4 т дизельного топлива и 2 водителя, чтобы выполнить этот рейс. Нужно определить транспортные затраты, а именно стоимость 1 т дизельного топлива и оплату труда водителей, выполняющих этот рейс, если известно, что всего затрачено 76000 р.

Пусть х рублей - стоимость 1 т дизельного топлива, а у рублей - оплата труда водителей. Тогда (4х + 2у) рублей - затрачено на выполнение рейса. А по условию задачи затрачено 76000 р.

Получу уравнение:

Для решения этого уравнения метод перебора окажется трудоемким процессом. Так что воспользуюсь методом >.

Выражу переменную у через х: , выделю целую часть, получу: (1).

Чтобы значение дроби было целым числом, нужно чтобы, 2х было кратно 4. Т. е. 2х = 4z, где z - целое число. Отсюда:

Значение х подставлю в выражение (1):

Т. к. х, у 0, то 19000 z 0, следовательно, придавая z целые значения от 0 до 19000, получу следующие значения x и y: z

Из настоящих данных о транспортных затратах известно, что 1 т дизельного топлива (х) стоит 18000 р. , а оплата труда водителей, выполняющих рейс (у) составляет 10000 р. (данные взяты приближенно). По таблице найдем, что значению х, равному 18000 и значению у, равному 10000 соответствует значение z, равное 9000, действительно: ;.

8. Сколькими способами можно набрать сумму 27р. , имея достаточно много двухрублёвых и пятирублёвых монет?

Обозначу: x двухрублёвых монет и y пятирублёвых монет

Составлю уравнение, учитывая условие задачи 2x +5y = 27.

Найду НОД(2;5)=1

Определю частное решение: x = (27-5y):2

Используя метод перебора, нахожу значение y є y = 1, x = 11

(11;1) - частное решение.

Все остальные решения находятся по формулам: x = -5k + 11, k є Z y = 2k + 1, k є Z

Данное уравнение имеет множество решений. Найдём все способы, с помощью которых можно набрать сумму 27 рублей предложенными монетами. k

Ответ. Существует три способа, которыми можно набрать данную сумму, имея достаточно много двухрублёвых и пятирублёвых монет.

9. Допустим, в аквариуме живут осьминоги и морские звёзды. У осьминогов по 8 ног, а у морских звёзд - по 5. Всего конечностей насчитывается 39. Сколько в аквариуме животных?

Пусть х - количество морских звёзд, у - количество осьминогов. Тогда у всех осьминогов по 8у ног, а у всех звёзд 5х ног.

Составлю уравнение: 5х + 8у = 39.

Замечу, что количество животных не может выражаться нецелым или отрицательным числами. Следовательно, если х - целое неотрицательное число, то и у=(39 - 5х)/8 должно быть целым и неотрицательным, а, значит, нужно, чтобы выражение 39 - 5х без остатка делилось на 8. Простой перебор вариантов показывает, что это возможно только при х = 3, тогда у = 3.

Ответ: (3; 3).

10. На мебельной фабрике изготовляют табуреты с тремя и с четырьмя ножками. Мастер сделал 18 ножек. Какое количество табуретов можно изготовить так, чтобы использовать все ножки?

Пусть x - количество трехногих табуретов, а у - количество четырехногих. Тогда, 3x + 4y = 18.

Имею, 4y =18 - 3x; y = 3(6 - x):4.

Получаю: x = 2; y = 3 или x = 6; y = 0.

Других решений нет, так как x 6.

Ответ. 2;3;(6;0).

11. Можно ли разместить 718 человек в 4-х и 8 - ми местных каютах, так что бы в каютах не было свободных мест?

Пусть 4-х местных кают - х, а 8-ми местных - у, тогда:

2(х + 2у) = 309

Ответ. Нельзя.

12. Доказать, что на прямой 124х + 216у = 515 нет ни одной точки с целочисленными координатами.

НОД(124;216) = 4, 515 != 4n, значит, целочисленных решений нет.

Ответ. Решений нет.

13. Стоимость товара 23 рубля, покупатель имеет только 2-х рублевые, а кассир 5-ти рублевые монеты. Можно ли осуществить покупку без предварительного размена денег?

Пусть х - количество 2-х рублевых монет, у - количество 5-ти рублевых монет, тогда 2х - 5у = 23, где х,у є N.

Получаю: 2х = 23 + 5у, откуда х =23 + 5у2 =11 + 2у + (1 + у)2 х будет целым, если 1 + у2 есть число целое.

1 + у2 = t, где t Euro Z, тогда у = 2t - 1.

x = 11 + 2y + 1 + у2 = 11 + 4t - 2 + 1 + 2t-12 = 5t + 9.

T. o. x = 5t + 9, a y = 2t - 1, где t є z.

Задача имеет множество целочисленных решений. Простейшее из них при t = 1, x =14, y = 1, т. е. покупатель даст четырнадцать 2-х рублёвых монет и получит сдачу одну 5-ти рублёвую монету.

Ответ. Можно.

14. При ревизии торговых книг магазина одна из записей оказалась залитой чернилами и имела такой вид:

> Невозможно было разобрать число проданных метров, но было несомненно, что число это не дробное; в вырученной сумме можно было различить только три последние цифры, да установить еще, что перед ними были три какие-то другие цифры. Можно ли по этим данным восстановить запись?

Пусть число метров было х, тогда стоимость товара в копейках - 4936х. Три залитые цифры в сумме обозначим за у, это число тысяч копеек, а вся сумма в копейках выразится так (1000у + 728).

Получаю уравнение 4936х = 1000у + 728, поделю его на 8.

617х - 125у = 91, где х,у є z, x,y

125у =617х - 91 у = 5х - 1 +34 - 8х125 = 5х - 1 + 2 17 - 4х125 =

5х - 1 + 2t, где t = 17 - 4х125, t Euro Z.

Из уравнения t = (17 - 4х)/125 получаю х = 4 - 31t + 1 - t4 =

4 - 31t + t1, где t1 = 1 - t4, отсюда t = 1 - 4t1, a x = 125t1 - 27, y = 617t1 - 134.

По условию знаю, что 100

100 = 234/617 и t1

Значит, было отпущено 98 метров на сумму 4837,28 рублей. Запись восстановлена.

Ответ. Отпущено 98 метров.

15. Требуется на один рубль купить 40 штук почтовых марок - копеечных, 4- копеечных и 12 - копеечных. Сколько марок каждого достоинства можно купить?

Можно составить два уравнения: x + 4у + 12z = 100 и x + y + z = 40, где х - число копеечных марок, у - 4-копеечных, z - 12-копеечных. Вычитаю из первого уравнения второе получаю:

3у + 11z = 60, y = 60 - 11z3 = 20 - 11· z3.

Пусть z3 = t, z = 3t, где t Euro Z. Тогда получаю, если х + у + z = 40 и z = 3t, а у = 20 - 11t, х = 20 + 8t.

Т. к. х >= 0, у >= 0, z >= 0, то 0

Тогда соответственно получаю: t = 0, х = 20, у = 20, z= 0; t = 1, х = 28, у = 9, z = 3.

Итак, покупка марок может быть произведена только двумя способами, а если поставить условие, чтобы была куплена хотя бы одна марка каждого достоинства, - только одним способом.

Ответ. 28 марок по 1 копейке, 9 марок по 4 копейки и 3 марки по 12 копеек.

16. Ученику дали задание из 20 задач. За каждую верно решенную он получает 8 баллов, за каждую, не решенную, с него снимают 5 баллов. За задачу, за которую он не брался - 0 баллов. Ученик в сумме набрал 13 баллов. Сколько задач он брался решать?

Пусть верно решенных задач - х, а неверно решенных - у, не рассмотренных - z.

Тогда х + у + z = 20, а 8х - 5у = 13.

у = 8х - 135= х - 2 +3(х - 1)5 = х - 2 + 3t, где t = х - 15, а х = 5t + 1.

По условию х + у

Ответ: ученик брался решать 13 задач, 6 решил, с 7 не справился.

17. Иванушка Дурачок бьется со Змеем Горынычем, у которого 2001 голова. Махнув мечем налево, Иван срубает 10 голов, а взамен вырастают 16. Махнув, мечем направо - срубает15, вырастают - 6. Если все головы срублены - новых не вырастает. Махать можно в произвольном порядке, но если голов меньше 15, то только налево, а если меньше 10, то вообще нельзя. Может ли Иванушка Дурачок победить Змея Горыныча?

Переформулирую задачу: можно ли срубить 1986 голов? Тогда, оставшиеся 15, Иван срубит одним ударом направо и новых не вырастет.

Пусть х - число ударов направо, а у - число ударов налево, тогда 1986 - 9х + 6у = 0.

Поделю всё уравнение на 6, получу

3х - 2у = 662.

у = 3х - 6622= х - 331 + х2.

Пусть х2 = t, тогда x = 2t, a y = 3t - 331.

Т. к. х >= 0, у >= 0, то t >= 111, отсюда t = 111, х = 222, у = 2.

Получаю: ударив 220 раз направо, Иван срубает 1980 голов и у Змея остаётся 21 голова; затем 2 удара налево и у Змея вырастают 12 голов, всего их становится 33; следующие 2 удара направо лишают Змея 18 голов и оставшиеся 15 Иван срубает последним ударом направо и новых голов уже не вырастает.

Ответ: 220 ударов направо, 2 удара налево и ещё 3 удара направо.

18. У игрального кубика грани пронумерованы - 1, 2, 3, 4, 5, 6. Из 5 таких кубиков сложили башню и сосчитали сумму очков на всех видимых гранях, после того как сняли верхний куб сумма уменьшилась на 19, какое число оказалось на верхней грани верхнего куба?

Сумма очков одного куба - 21.

Пусть х - количество очков на нижней грани верхнего куба, а у - количество очков на верхней грани следующего куба. При снятии верхнего куба, пропадают очки 5 граней верхнего куба, сумма очков которых (21 - х), а появляется грань на которой у очков, значит, сумма очков уменьшилась на (21 - х) - у, а по условию это 19, отсюда:

(21 - х) - у = 19, х + у = 2.

Отсюда у = 2 - х, а по условию 1

19. Некто купил 30 птиц за 30 монет одного достоинства. За каждых 3 воробьёв уплачена одна монета, за 2 снегиря - 1 монета, за 1 голубя - 2 монеты. Сколько птиц каждого вида было?

Пусть воробьёв было - х, снегирей - у, а голубей - z. Тогда, согласно условию х + у + z = 30 и 13x + 12y + 2z = 30.

Получаю х + у + z = 30 и 2x + 3y + 12z = 180, или y + 10z = 120, y = 120 - 10z, где по условию х

Отсюда следующие варианты (0;20;10); (9;10;11); (18;0;12).

Ответ: воробьев - 0, снегирей - 20, голубей - 10; воробьев - 9, снегирей - 10, голубей - 11; воробьев - 18, снегирей - 0, голубей - 12.

20. Найти все двухзначные числа, каждое из которых, будучи уменьшено на 2, равно упятеренному произведению своих цифр.

Пусть ху искомые двузначные числа.

Для уравнения ху - 2 = 5ху, или (10х + у) - 5ху = 2 S = 0 и все натуральные решения найду из множества (х; 2).

Т. к. х - первая цифра двухзначных чисел, то она может принимать только 9 значений.

Т. о. , искомыми числами будут: 12, 22, 32,. , 92.

Ответ. 12; 22, 32; 42; 52; 62; 72; 82; 92.

21. Кусок проволоки длиной 102 см нужно разрезать на части длиной 15 см и 12 см так, чтобы была использована вся проволока. Как это сделать?

Пусть х- число частей проволоки длиной 15 см, у- число частей проволоки длиной 12 см. Составлю уравнение:

15х+12у=102 /:3

4х+3у=34 х=34-4у5=6+4-4у5=6+4(1-у)5.

Пусть 1-у5=t х=6+4t>0у=1-5t>0=> 4t>-6-5t>-1 => t>-1,5t t=0;-1.

Если t=0, то х=6у=1

Если t=-1, то х=2у=6

Ответ. Задача имеет два решения:

1) 102=15∙6+12∙1; 2) 102=15∙2+12∙6.

22. Пете в 1987 году было столько лет, какова сумма цифр года его рождения. В каком году он родился?

Пусть Петя родился в 19ху году. Тогда в 1987 году ему было 1987-19ху, или (1+9+х+у) лет. Имеем уравнение:

87-(10х+у)=10+х+у

77-11х=2у у=77-11х2=38-11х-12.

Учитывая, что х и у - цифры десятичной системы счисления, то подбором находим: х=3, у=1.

Ответ. Петя родился в 1970 году.

23. Некто покупает в магазине вещь стоимостью 19 р. У него имеются лишь 15-трехрублевок, у кассира же лишь 20-пятирублевок. Можно ли расплатиться и как?

Задача сводится к решению в целых положительных числах диофантова уравнения: 3x - 5y = 19, где x

Ввиду того, что x>0 и y > 0 и учитывая условия задачи, легко установить, что 0

Отсюда вытекает 2 возможных значения: x

Ответ. 1) 19=3∙8-1∙5 2) 19=3∙13-4∙5.

24. Можно ли отвесить 28 г некоторого вещества на чашечных весах, имея только 4 гири весом в 3 г и 7 гирь весом в 5г?

Для этого нужно решить уравнение:

x = 9 - 2(3y1 - 1) + y1 = 11-5y1.

Итак, x = 11 - 5 y1 y = 3 y1 - 1.

Из условий задачи вытекает, что y1 нельзя давать отрицательные значения. Далее должно быть y1

Ответ. 1 гиря в 3 г и 5 гирь в 5 г.

25. Покупатель приобрел в магазине на 21 р. товара. Но у него в наличии денежные знаки только 5 - рублевого достоинства, а у кассира - 3 - рублевого. Требуется знать, можно ли при наличии денег расплатиться с кассиром и как именно?

Пусть x - число 5 - рублевок, y - 3 - рублевок.

По условию x > 0, y > 0, значит.

Кроме того, t - четное, иначе ни x, ни y не будет целыми.

При t = 4, 6, 8,. имеем: t

Ответ. 6;3;8;8;12;13;15;18;18;23;21;28;24;33;27;38;(30;43).

26. Имеется 110 листов бумаги. Требуется из них сшить тетради по 8 листов и по 10 листов в каждой. Сколько надо сшить тех и других?

Пусть x - число 8 - листовых тетрадей, y - число 10 - листовых тетрадей.

Значит t = 0 или t = - 1

Ответ. 5;7;(10;3).

27. Многие старинные способы отгадывания чисел и дат рождения основываются на решении диофантовых уравнений. Тех, например, чтобы отгадать дату рождения (месяц и число) собеседника, достаточно узнать у него сумму, получаемую от сложения двух произведений: числа даты (x) на 12 и номера месяца (y) на 31.

Пусть сумма произведений, о которых идет речь, равна 330. Найти дату рождения.

Решим неопределенное уравнение: y = 2y1 + y2 = 2(2y2 + y3) + y2 = 5y2 + 2y3 = 5(2y3 - 6) + 2y3 = 12y3 - 30 x = 27 - 3(12y3 - 30) + 2y2 + y3 = 27 - 36y3 + 90 + 2(2y3 - 6) + y3 =

27 - 36y3 + 90 + 5y3 - 12 = 105 - 31y3 x = 12y3 - 30, y = 105 - 31y3

Итак, дата рождения: 12 число 6 - го месяца.

28. Можно ли двухрублевыми и пятирублевыми монетами набрать сумму в 51 рубль? Если можно, то сколько существует способов?

Пусть было х - двухрублевых монет, а пятирублевых - у монет.

Пусть 1+у2=z, тогда

=> z = 1, 2, 3, 4, 5

Ответ: 5 способов.

29. Можно ли разложить две сотни яиц в коробки по 10 и по 12 штук? Если можно, то найдите все такие способы.

Пусть было х коробок по 10 штук и у коробок по 12 штук. Составлю уравнение: z = 1, 2, 3

Ответ: 14;5;8;10;(2;15)

30. Представьте число 257 в виде суммы двух натуральных слагаемых: а) одно из которых кратное 3, а другое - 4; б) одно из которых кратное 5, а другое - 8.

Ответ: 1) 249 и 8; 2) 225 и 32.

В задачах на неопределенные уравнения я столкнулась с самыми разнообразными случаями: задача может быть совсем неразрешимой (Задача 4), может иметь бесконечное множество решений (Задача 2), может иметь несколько определенных решений; в частности, она может иметь одно единственное решение (Задача 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цель, которую я поставила перед собой, мной реализована. Работа над проектом вызвала интерес и увлекла меня. Эта работа потребовала от меня не только определенных математических знаний и настойчивости, но и дала мне возможность почувствовать огромную радость самостоятельного открытия.

Диофантовы уравнения встречаются в олимпиадных заданиях, поэтому они развивают логическое мышление, повышают уровень математической культуры, прививают навыки самостоятельной исследовательской работы в математике.

При решении уравнений и задач, сводящихся к диофантовым уравнениям, применяются свойства простых чисел, метод разложения многочлена на множители, метод перебора, метод спуска и алгоритм Евклида. На мой взгляд, метод спуска самый сложный. А симпатичнее для меня оказался метод перебора.

В работе мною решено 54 задачи.

Эта работа способствовала более глубокому пониманию школьной программы и расширению кругозора.

Данный материал будет полезен учащимся, интересующихся математикой. Его можно использовать на некоторых уроках и на факультативных занятиях.