О диофантовых уравнениях.

 

Задачи Диофантовой «Арифметики» решаются с помощью уравнений, проблемы решения уравнеий скорее относятся к алгебре, чем к арифметике. Почему же тогда мы говорим, что эти уравнения относятся к арифметическим? Дело в том, что эти задачи имеют специфические особенности.

Во-первых, они сводятся к уравнениям или к системам уравнений с целыми коэффициентами. Как правило, эти системы неопределённые,т.е. число уравнений в них меньше числа неизвестных.

Во-вторых, решения требуется найти только целые, часто натуральные.

Для выделения таких решений из всего бесконечного их множества приходится пользоваться свойствами целых чисел ,а это уже относится к области арифметики.Дадим определение диофантовым уравнениям.

Диофантовы уравнения-алгебраические уравнения или системы алгебраических уравнений с целыми коэффициентами, для которых надо найти целые или рациональные решения. При этом число неизвесных в уравнениях больше числа уравнений. Ни один крупный математик не прошёл мимо теории диофантовых уравнений.

Давайте рассмотрим современную простенькую задачу.

За покупку нужно уплатить 1700 р. У покупателя имеются купюры только по 200р. и по 500 р. Какими способами он может расплатиться? Для ответа на этот вопрос достаточно решить уравнение 2x + 5y=17 с двумя неизвестными x и y. Такие уравнения имеют бесконечное множество решений. В частности, полученному уравнению отвечает любая пара чисел вида (x, 17-2x/5). Но для этой практической задачи годятся только целые неотрицательные значения x и y. Поэтому приходим к такой постановке задачи: найти все целые неотрицательные решения уравнения 2x+5y=17. Ответ содержит уже не бесконечно много,авсего лишь две пары чисел (1, 3) и (6, 1).Диофант сам находил решения своих задач. Вот несколько задач из его «Арифметики».

1. Найти два числа так, чтобы их произведение находилось в заданном отношении к их сумме.

2. Найти три квадрата так, чтобы сумма их квадратов тоже была квадратом.

3. Найти два числа так, чтобы их произведение делалось кубом как при прибавлении , так и при вычитании их суммы.

4. Для числа 13=2І+3І найти два других,сумма квадратов которых равна 13.

Приведём диофантово решение последней задачи. Он полагает первое число (обозначим его через А) равным x+2, а второе число B равным 2x-3 , указывая , что коэффициент перед x можно взять и другой. Решая уравнения

 

(x+2)І+(kx-3)І=13,

 

Диофант находит x=8/5, откуда A=18/5,B=1/5. Воспользуемся указанием Диофанта и возьмём произвольный коэффициент перед x в выражении для B. Пусть снова А=x+2,а В=kx-3, тогда из уравнения

 

(x+2)І+(kx-3)І=13

x=2(3k-2)/kІ+1.

 

Отсюда

 

А=2(kІ+3k-1)/kІ+1,

В=3kІ-4k-3/kІ+1.

 

Теперь становятся понятными рассуждения Диофанта. Он вводит очень удобную подстановку А=x+2, В=2x-3, которая с учётом условия 2І+3І=13 позволяет понизить степень квадратного уравнения. Можно было бы с тем же успехом в качестве В взять 2x+3 , но тогда получаются отрицательные значения для В,чего Диофант не допускал. Очевидно , k=2- наименьшее натуральное число , при котором А и В положительны .

Исследование Диифантовых уравнений обычно связано с большими трудностями. Более того , можно указать многочлен F (x,y1,y2 ,…,yn) c целыми коэффициентами такой, что не существует алгоритма , позволяющего по любому целому числу x узнавать , разрешимо ли уравнение F (x,y1,y2 ,…,yn)=0 относительно y1,…,y. Примеры таких многочленов можно выписать явно. Для них невозможно дать исчерпывающего описания решений.

Современной постановкой диофантовых задач мы обязанны Ферма. Именно он поставил перед европейскими математиками вопрос о решении неопределённых уравнений только в целых числах. Надо сказать , что это не было изобретением Ферма - он только возродил интерес к поиску целочисленных решений. А вообще задачи, допускающие только целые решения, были распространены во многих странах в очень далёкие от нас времена.В нынешней математике существует целое направление, занимающееся исследованиями диофантовых уравнений,поиском способов их решений.Называется оно диофантовым анализом и диофантовой геометрией , поскольку использует геометрические способы доказательств.

Простейшее Диофантово уравнение ax+by=1,где a и b – цельные взаимопростые числа, имеет бесконечно много решений (если x0 и y0-решение, то числа x=x0+bn, y=y0-an, где n- любое целое , тоже будут решениями).

Другим примером Диофантовых уравнений является

 

x² + у² = z². (5)

 

Это Диофантово уравнение 2-й степени. Сейчас мы займёмся поиском его решений. Удобно записывать их в виде троек чисел (x,y,z). Они называются пифагоровыми тройками. Вообще говоря , уравнению (5) удовлетворяет бесконечное множество решений. Но нас будут интересовать только натуральные. Целые, положительные решения этого уравнения представляют длины катетов х, у и гипотенузы z прямоугольных треугольников с целочисленными длинами сторон и называются пифагоровыми числами. Наша задача состоит в том, чтобы найти все тройки пифагоровых чисел. Заметим, что если два числа из такой тройки имеют общий делитель, то на него делится и третье число. Поделив их все на общий делитель, вновь получим пифагороау тройку. Значит от любой пифагоровой тройки можно перейти к другой пифагоровой тройке, числа которой попарно взаимо просты. Такую тройку называют примитивной. Очевидно, для поставленной нами задачи достаточно найти общий вид примитивних пифагоровых троек. Ясно, что в примитивной пифагоровой тройке два числа не могут быть чётными, но в то же время все три числа не могут быть нечётными одновременно. Остаётся один вариант: два числа нечётные, а одно чётное. Покажем, что z не может быть чётным числом. Предположим противное: z=2m, тогда x и y-нечётные числа. x=2k+1, y=2t+1. В этом случае сумма xІ+yІ=4(kІ+k+tІ+t)+2 не делится на 4, в то время как zІ=4mІ делится на 4. Итак, чётным числом является либо x, либо y. Пусть x=2u, y и z- нечётные числа. Обозначим z+y=2v, z-y=2w . Числа v и w взаимно простые. На самом деле, если бы они имели общий делитель d>1, то он был бы делителем и для z=w+v, и для y=v-w, что противоречит взаимной простоте y и z. Кроме того , v и w разной чётности: иначе бы y и z были бы чётными. Из равенства xІ=(z+y)(z-y) следует, что uІ=vw. Поскольку v и w взаимно просты, а их произведение является квадратом , то каждый из множителей является квадратом . Значит найдутся такие натуральные числа p и q, что v=pІ, w= qІ . Очевидно, числа p и q взаимно просты и имеют разную чётность . Теперь имеем

z=pІ+qІ , y=pІ-qІ,

 

откуда

 

xІ=( pІ+qІ)І-( pІ-qІ)І=4 pІ qІ.

 

В результате мы доказали, что для любой примитивной пифагоровой тройки (x,y,z) найдутся взаимо простые натуральные числа p и q разной чётности , p>q , такие, что

 

х =2pq, у =pІ-qІ, z = p²+q².(6)

 

Все тройки взаимно простых пифагоровых чисел можно получить по формулам

 

х =2pq, у = pІ-qІ, z = p²+q²,

 

где m и n — целые взаимо простые числа. Все остальные его натуральные решения имеют вид:

 

x=2kpq,y=k(pІ-qІ),z=k(p²+q² ),

 

где k-произвольное натуральное число. Теперь рассмотрим следующую задачу: дано произвольное натуральное число m>2; существует ли пифагоров треугольник, одна из сторон которого равна m? Если потребовать , чтобы заданную длину m имел катет, то для любого m ответ положительный. Докажем это. Пусть сначала m-нечётное число. Положим p=m+1/2, q=m-1/2. Получаем пифагорову тройку

 

х =2pq=mІ-1/2,

у =pІ-qІ=m,

z = p²+q² = mІ+1/2.

 

В случае чётного m обозначим m=2t. В свою очередь t может быть чётным или нечётным. Для чётного t положим p=t, q=1, откуда соответствующий треугольник имеет стороны

 

х =2pq=2t=m,

у =pІ-qІ= tІ-1= mІ/4-1,

z = p²+q² = tІ+1= mІ/4+1.

 

Если же t-нечётное число, то возьмём p=t+1/2, q=t-1/2. Выпишем пифагорову тройку, отвечающую этим значениям p и q: 2pq= tІ-1/2, pІ-qІ=t=m/2, p²+q² = tІ+1= mІ/4+1. Чтобы получить стороны искомого треугольника , надо ещё умножить эти числа на 2: x= tІ-1= mІ/4-1, y=2t=m, z =tІ+1= mІ/4+1. В виду равноправности катетов полученная тройка та же , что и в случае чётного t.

Приведём примеры. Для m=7 имеем треугольник с катетами x=24,y=7 и гипотенузой z=25. В случае m=3 тройка (4,3,5) задаёт наименьший пифагоров треугольник. Этот треугольник называется египетским. Сложнее выяснить , для каких натуральных m существует пифагоров треугольник с гипотенузой m. Так как m в этом случае должно быть кратно числу z= p²+q² , где p и q имеют разную чётность , то необходимо найти вид чисел z>2, представляемых в виде суммы квадратов разной чётности. Обозначим p=2r, q=2s+1, тогда p²+qІ=4(rІ+sІ+s)+1. Значит число z имеет вид 4t+1. Однако не всякое число вида 4t+1 раскладывается на сумму двух квадратов . Наример, число 9=4*2+1 так разложить невозможно. Но если число 4t+1 простое . то оно представимо в виде суммы двух квадратов, причём единственным способом. Число вида 4t+1 можно записать в виде суммы двух квадратов лишь в двух случаях: когда оно является произведением числа того же вида на квадрат натурального и когда оно равно произведению простых чисел типа 4t+1 .

Итак, пифагоров треугольник с заданой гипотинузой m существует только при условии , что в каноническом разложении числа m встречается простой множитель вида 4t+1.

Рассмотрим примеры .

1. Пусть m =17 ( здесь 17=4Ч4+1). Из равенства 17=4І+1І находим p=4, q=1, x=2pq=8, y=pІ-qІ=15. Тройка (8,15,17) задаёт пифагоров треугольник.

2. В случае m=65 имеем 65=5Ч13=5(4Ч3+1). Так как 13=3І+2І, то p=3, q=2, 2pq=12, pІ-qІ=5, p²+qІ=13. Для отыскания нужной нам тройки умножим эти числа на 5 и получим (60,25,65). Число 65можно придставить иначе: 65=13(4Ч1+1), 5=2І+1І, откуда p=2, q=1, 2pq=4, pІ-qІ=3, p²+qІ=5. Имеем ещё один треугольник с гипотенузой 65. Это (52,39,65).

3. Числа 9 и 49 не могут выражать длину гипотенузы пифагорова треугольника. Хотя 9=4Ч2+1 и 49=4Ч12+1. Но их простые множители не представляются в вид 4t+1.

Диофант в сочинении «Арифметика» занимался разысканием рациональных (необязательно цельных) решений специальных видов уравнений . Общая теория решения Диофантовых уравнений 1-й степени была создана в 17 веке. К началу 19 века трудами П. Ферма , Дж. Виллса, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа и К. Гауса в основном было исследовано Диофантово уравнение вида

 

axІ+bxy+cyІ+dx+ey+f=0,

 

где а,b,c,d,e,f- целые числа, то есть общее неоднородное уравнение 2-й степени с двумя неизвестными.

Перейдем теперь к одной из самых знаменитых задач диофантова анализа, получившей название Великой теоремы Ферма. Начнем с истории возникновения этой теоремы. На полях «Арифметики» Диофанта против того места, где рассматривается уравнение х²+у²=zІ, П. Ферма (ок. 1630) написал: «Наоборот, невозможно разложить ни куб на два куба, ни биквадрат на два биквадрата и вообще никакую степень, большую квадрата, на две степени с тем же показателем. Я открыл" этому поистине чудесное доказательство, но эти поля для него слишком малы». Так родилась эта замечательная теорема. В ней утверждается, что

При n>2 уравнение

 

x+y=z (10)

 

не имеет решений.

Предоставляем читателям возможность доказать, что из этого утверждения вытекает отсутствие и рациональных решений уравнения (10) при n>2.

Несмотря на внешнюю простоту формулировки теоремы, до сих нор неизвестно, справедлива она или нет, хотя над ее доказательством трудились многие поколения математиков Полое грех столетий. Весьма вероятно, что и сам Ферма не нашел строгого доказательства этой теоремы. Предлагал же он доказать лишь частный случай этой теоремы для п = 4. А он следует из утверждения, выведенного Ферма на полях «Арифметики»: площадь пифагорова треугольника не может быть квадратом. Мы не будем приводить доказательства этого утверждения, но покажем, что из него действительно вытекает отсутствие натуральных решений уравнения

 

x⁴ +y⁴=z⁴ (11)

 

Если х и y — длины катетов пифагорова треугольника, то найдутся взаимно простые числа р и q разной четности (p>q), такие, что x = 2kpq, y = k(pІ—qІ) и s= 1/2xy = k²pq (р²— q²). Заметим, что множитель pІ—qІ взаимно прост с числами р и q. Поэтому число s=k²pq(p²—q²) является квадратом тогда и только тогда, когда каждый из множителей р, q и p²—q²— является квадратом: р = а², q = b², p² — q² = c², откуда

 

a⁴-b⁴=c².(12)

 

Но поскольку нет такого пифагорова треугольника, площадь которого выражается квадратом, то уравнение (12) не имеет натуральных решений. Тогда таких решений не имеет и уравнение (11). На самом деле если бы тройка (b, с, а) была натуральным решением (11), т.е. b⁴+ с⁴=а⁴, то а⁴ — b⁴=(с²)² и тройка (а, b, с²) была бы решением уравнения (12).

Арифметика колец цельных алгебраических чисел используется также в ряде других задач Диофантовых уравнений. Так, например , её методами подробно исследованы уравнения вида N (a1x1+…+anxn)=m, где N(a)- норма алгебраического числа a , и отыскиваются цельные рациональные числа x1,x2,…,xn, удовлетворяющие вышенаписанному уравнению.