РефератыМатематикаЛиЛинейные диофантовые уравнения

Линейные диофантовые уравнения

Введение


Линейным диофантовым уравнением называется уравнение с несколькими неизвестными вида а1
х1
+ ... + а
n
х
n
= с,
где (известные) коэффициенты а1
,..., а
n
и с
— целые числа, а неизвестные х1
, …
xn
также являются целыми числами. К решению подобных уравнений сводятся разнообразные текстовые задачи, в которых неизвестные величины выражают количество предметов того или иного рода и потому являются натуральными (или неотрицательными целыми) числами.


Теория решения подобных уравнений является классическим разделом элементарной математики. В ней не приходится писать сложные и громоздкие формулы, а необходимо проводить аккурат­ные рассуждения, базирующиеся на определенных понятиях теории чисел и связанные в стройную логическую конструкцию. В рамках этой теории можно дать исчерпывающее решение рассматриваемого класса задач с четко описанным алгоритмом получения ответа.


Конкретные задачи такого рода были решены еще в Древнем Вавилоне около 4 тысяч лет тому назад. Древнегреческий мысли­тель Диофант, который жил около 2 тысяч лет тому назад, в своей книге «Арифметика» решил большое число таких и более сложных уравнений в целых числах и в сущности описал общие методы их решения.


В школьных учебниках эта тема затрагивается вскользь, да и то лишь в 8-м классе, в то время как задачи, где требуется решать уравнения описанного типа, относительно часто предлагаются на вступительных экзаменах.


В настоящей брошюре на примерах решения конкретных экза­менационных задач МГУ им. М.И. Ломоносова мы расскажем об основных результатах и методах теории линейных диофантовых уравнений. Поскольку, за редким исключением, на экзаменах предлагаются уравнения с двумя неизвестными, мы ограничим­ся этим случаем, то есть будем рассматривать уравнения вида


ах + Ьу = с. Это позволит упростить теоретические рассмотрения, не ограничивая, в сущности, общности описываемых методов (мы продемонстрируем это в задаче 13 на примере конкретного уравне­ния вида ах + Ьу + сz = d.


Следует отметить, что каждая конкретная задача в целых числах может решаться с помощью раз­ных методов. Целью нашей работы является демонстрация возможностей теории линейных диофан­товых уравнений.


Однородные уравнения


Прежде всего, мы рассмотрим однородные линейные уравнения, то есть уравнения вида


ах +
by
=
0, все члены которых являются одночленами первой степени.


Если коэффициенты а и Ь
имеют общий делитель d
,
то обе части уравнения ах +
by
=
0 можно сократить на d
.
Поэтому, не нарушая общности, можно считать, что числа а
и b
— взаимно про­стые.


Рассмотрим, например, уравнение 80х + 126y = 0.


Разложим коэффициенты а = 80 и b=126 на простые множители: а =
24
• 5, b
= 2 • З2
• 7. Наибольший общий делитель чисел а =
80 и b
=
126 равен 2, и после сокращения на 2 мы получим уравнение


40x + 63y = 0, (1)


в котором коэффициенты а
= 40 = 23
• 5 и b
= 63 = З2
• 7 являются взаимно простыми целыми чис­лами.


Разложение на простые множители коэффициентов уравнения, которое мы использовали для сокраще­ния на наибольший общий делитель, можно использовать и для завершения решения. Пере­пишем уравнение (1) в виде:


23
•5
•х = -32
•7
•у.
(2)


Левая часть уравнения (2) делится на 23
• 5. Поэтому и правая часть, которая равна левой, должна делиться на 23
• 5, а это возможно тогда и только тогда, когда неизвестная у
делится на 23
• 5:


у
= 23
• 5 • u
=
40u,(3)


где и
— некоторое целое число.


Аналогичные рассуждения применимы и к правой части урав­нения (2). Правая часть делится на


З2
• 7. Поэтому и левая часть, которая равна правой, должна делиться на З2
• 7, а это возможно тогда и только тогда, когда неизвестная х
делится на З2
• 7:


x =
З 2
• 7 • v =
63v,(4)


где v
— некоторое целое число.


Равенства (3) и (4) фактически вводят новые целочисленные неизвестные u
,
v
вместо основных неизвестных х, у.
Для новых неизвестных уравнение (2) примет вид: u
= -
v
.
Множество решений этого уравнения состоит из бесконечного количества пар:


(-3; 3), (-2; 2), (-1; 1), (0; 0), (1; -1), (2; -2), (3; -3), ...


Иначе говоря, этому уравнению удовлетворяют все пары (-u; u)
вида (-n; n),
где n
— произволь­ное целое число, и только они. Пе­ременная n
в этих формулах является своеобразным «номером» решения.


Возвращаясь к основным неизвестным х
и у,
мы получим, что множество решений уравнения (2) можно записать в виде: хп
= 63n, у = -
40n, где n
— произвольное целое число.


Как ясно из приведенного решения (2), оно совершенно не привя­зано к точным значениям коэффициен­тов а
и b
и не изменится, если вместо чисел а
= 40, b
=
63 рассмотреть произвольные взаимно про­стые числа. Таким образом, справедлива следующая теорема, которая дает полное решение диофантовых уравнений вида ах
+ by
=
0.


Теорема 1.

Если числа а и

b

— взаимно простые, то уравне­ние ах +

by

= 0 имеет бесконечно много решений в целых чис­лах, которые находятся во взаимно однозначном соответствии с множест­вом целых чисел

Z

(то есть могут быть занумерованы целыми числами) и описываются формулой: хп
=

bn

,

yn

= -

an

,

где

n

Z

— «номер» решения.


Эта теорема часто встречается при решении разнообразных за­дач на целые числа, и мы рекомен­дуем абитуриентам запомнить ее формулировку.


В качестве простого примера применения теоремы 1 рассмотрим следующую задачу.


Задача 1
. Найти все целочисленные решения уравне­ния


х2
+ 5
y
2
+
34z2
+ 2ху - 10
xz
- 22у
z
- 0.


Решение.
Рассмотрим уравнение


х2
+ 5у2
+
34z2
+ 2ху - 10
xz
- 22
yz
=
0


как квадратное уравнение относительно одной неизвестной х:


х2
+ 2х(у
- 5г) + by
2
+
34z2
- 22
yz
=
0.


Тогда


= (
y
-5
z
)2
-(5
y
2
+34
z
2
-22
yz
)=-(2
y
-3
z
)2
.


Если это уравнение имеет решение, то дискриминант должен быть неотрицательным, что воз­можно только в случае 2у
- 3z = 0. Тогда дискриминант равен нулю, и уравнение имеет единствен­ное решение х =
5z- у.


Итак, исходное уравнение равносильно системе



Общее решение первого уравнения в целых числах дается форму­лами у =
Зn, z
= 2n, где nZ
.
Из второго уравнения теперь можно найти х
(причем х
автоматически будет целым числом): х =
In
.


Таким образом, исходное уравнение имеет бесконечно много целочисленных решений, которые могут быть описаны формулой (х; у;
z
) —
(7n; Зn; 2n), n
Z
.


Ответ: (х; у,
z
)
= (7n; Зn; 2
n),
n
eZ
.


Общие линейные уравнения


В этом разделе мы будем рассматривать диофантовы уравнения вида ах +
by
= с.


Прежде всего отметим, что, вообще говоря, такое уравнение может и не иметь целочисленных реше­ний.


Действительно, допустим, что уравнение ах +
by
= с
имеет реше­ние. Если коэффициенты а
и b
имеют общий делитель d
>
1, то число ах +
by
,
которое стоит в левой части, можно без остатка разде­лить на d
.
Поэтому и правую часть уравнения, то есть свободный член с,
можно без остатка разделить на d
.
Иначе говоря, справедлива следующая теорема.


Теорема 2.

Если наибольший общий делитель

d

коэффициентов а и

b

больше 1, а свободный член с не делится на

d

,

то уравнение ах +

by

= с

не имеет решений в целых числах.


Это простое утверждение часто используется, например, для доказательства иррациональности чисел, записанных с помощью радикалов.


Задача 2
.Дока­зать, что число не является рациональным числом.


Решение.
Допустим противное, что — число рациональное.


Тогда существуют натуральные т, п
такие, что .


Избавляясь от радикала и дроби, получим:


2
n
3
= т3
(5)


Разложим числа т
иn
на
простые множители (мы явно указы­ваем только простой множитель 2):


т = 2х
•...


n = 2y
•...


где х, у
— неотрицательные целые числа (отсутствие простого мно­жителя 2 в разложении озна­чает, что соответствующий показатель степени равен нулю).


Тогда равенство (5) примет вид:


23
y
+
1
•... = 23х
•...


В силу единственности разложения натурального числа на про­стые множители


Зу +
1 = 3x3(х
- у) =
1.


Последнее уравнение является линейным диофантовым уравнени­ем вида ах + Ьу = с,
причем коэффи­циенты а =
3, b
= -3 делятся на 3, в то время как свободный член с
= 1 — нет. Значит, это уравнение не имеет целочисленных решений, что означает ложность исходного предположения о рациональности числа.


.Будем теперь рассматривать только такие уравнения вида ах +
by
= с, в которых свободный член с
делится на d
= НОД(а; b
).
После деления обеих частей уравнения на d
мы получим уравнение того же вида, но уже со взаимно простыми коэффициентами при неизвестных. Только такие уравнения мы будем рассматривать ниже в этом разделе.


В этом случае со стороны теоремы 2 нет препятствий к тому, что­бы уравнение имело целочислен­ные решения. Но отсюда, конечно, не следует, что решения обязаны быть.


На самом деле ответ на этот вопрос положительный.


Теорема 3
. Любое уравнение ах +

by

= с,

где НОД(а;
b

)

= 1, имеет хотя бы одно решение в целых числах.


Доказательство.
Уравнение ах +
by
= с
имеет решение тогда и только тогда, когда число с
входит в область значений М

функции f
(
x
; у) = ах
+ by
от двух целочисленных аргументов х, у.
Поэтому наша теорема фактически утверждает, что М =

Z

.
Именно этот факт мы и будем доказывать.


Прежде всего отметим, что множество М
содержит бесконечно мно­го чисел, например, 0= f
(0; 0), а =
f
(1; 0), -а =
f
(-1; 0), а +
b
=
f
(1; 1) и т.д. Поскольку f
(-
x
; -у) = -
f
(
x
; у),
это множество имеет вид:


{..., -и2
, -п1,
0, n
1
,
n
2
,
...},


где n
1
<
n
2
<
... — натуральные числа.


Рассмотрим наименьшее положительное число из М,
то есть n
1
и докажем, что оно равно 1. Для этого разделим число |а|
на n
1
с остатком, то есть найдем такие целые числа q
(неполное частное) и r (остаток), что |а| =
n
1
q
+ r, причем 0 rп .
Поскольку число n
1
принадлежит множеству М,
для некоторых целых х0
и у0
верно равенство n
]
= ах0
+ b
у0
.
Кроме того,


| а
| = sgn (a) • а,


где sgn(а) = +1, если а >
О, и sgn(а) = -1, если а <
0.


Тогда


г = | а
| - n1
g = sgn (а) •а - (ах0
+ by
0
) -
q
=
ax
+
by
,


где x: = sgn(а) - x
0
q
, у
= -y0
q — некоторые целые числа. Поэтому неотрицательное целое число г также принадлежит множеству М. Если бы число г было положительным, то условие 0 < r < n
, кото­рому удовлетворяет г как остаток от деления на л,, означало бы, что в множестве М
есть положительное число, меньшее, чем n
1
чего быть не может. Значит, r = 0, то есть | а|
(а вместе с ним и а)
делится без остатка на n1
.


Аналогичные рассуждения показывают, что и b
делится без остатка на n
1
.
Следовательно, n
1
— общий делитель чисел а
и b
,
a поскольку эти числа взаимно простые, число n
1
равно 1.


Функция f
(
x
;
y
) =
ax
+
by
обладает свойством: f
(
kx
;
ky
) =
k

f
(
x
; у).
Поэтому если некоторое число с
М,
то и число kc
M
.
Как мы установили, 1 М.
Значит, и любое целое число k
входит в М,
то есть М =
Z
.
Это и означает справедливость нашей теоремы.


Имея в виду более сложные задачи, мы в качестве простого следствия из доказанной теоремы 3 получим еще одну важную теорему.


Теорема 4. Если числа а и

b

— целые, то множество значений функции

f

(

x

;

y

) =

ax

+

by

от двух целочис­ленных аргументов х и у совпадает с множеством чисел, кратных

d

=

НОД(а;

b

),

то есть с множеством {..., —2d, —

d

,

0,

d

, 2

d

,

...}.


Доказательство.
Так как d
=
НОД(а; b
),
числа а и
b
можно запи­сать в виде: а
= da
',
b
=
db
',
причем числа а',
b
'
— взаимно простые. Тогда f
(
x
; у) =
d
•(а'х
+ b
у).
В силу теоремы 3, любое целое число n
можно представить в виде а'х +
b
'у.
Поэтому множество чисел, которые могут быть записаны в виде ах +
by
,
есть {..., -2d, -
d
,
0, d
, 2
d
, ...}.


Приведенное доказательство теоремы 3 дает удобный метод нахождения частного (то есть конкрет­ного) решения при решении конкретных уравнений вида ах +
by
= с
(если а
и b
взаимно простые целые числа):


1) нужно образовать две последовательности чисел:


-..., -2а, -а,
О, а, 2а,
... и -..., -2
b
, -
b
,
О, b
, 2
b
,
...


(обычно достаточно выписать по несколько членов в обе стороны), и расположить их друг под другом так, чтобы положительные члены одной стояли под отрицательными членами другой;


2) затем в уме находить всевозможные суммы пар членов этих последовательностей, пока не най­дем пару, дающую в сумме с.


Рассмотрим, например, уравнение 2х
- b
у
=1. Выпишем ряды чисел, кратных коэффициентам а = 2
и b
= -5:



Из этой таблицы ясно, что второе число из первой строки (то есть -4), которое соответствует х =
-2, и третье число из второй строки (то есть 5), которое соответствует у
= -1, и дают в сумме 1. Та­ким образом, уравнение 2х-
b
у
= 1 имеет частное решение х0
= -2, у0
= -1. Конечно, эту пару можно найти и проще, просто подставляя в исходное урав­нение в уме небольшие числа с тем, чтобы полу­чить верное равенст­во. Для несложных уравнений обычно поступают именно так.


В ряде случаев приходится выписывать довольно много (несколь­ко десятков) членов последовательно­стей ах
и by
.
Тогда, конечно, описанный прием не очень удобен, так как требует больших затрат времени. В этой ситуации обычно рекомендуют использовать ал­горитм Евклида для нахождения наибольшего общего делителя коэффициентов а
и b
(само доказательство замечатель­ной теоремы 3 также может быть получено с помощью алгоритма Евклида). Мы продемонст­рируем этот алгоритм при решении задачи 6.


На примере следующей задачи мы продемонстрируем, как с по­мощью частного решения уравне­ния ах +
by
= с
м

ожно свести дело к решению соответствующего однородного уравнения ах +
by
= 0 и, применяя теорему 1, получить полное решение.


Задача 3.
Остаток от деления некоторого натурального числа n на 6 равен 4, остаток от деления n
на 15 равен 7. Чему равен остаток от деления n
на 30?


Решение.
Тот факт, что остаток от деления числа n
на 6 равен 4, означает, что существует неотри­цательное целое х
такое, что n
= 6х +
4. Аналогично, существует неотрицательное целое y
такое, что n
= 15у
+ 7. Исключая из этих равенств число n, для х и у
получим уравнение


2х-бу-1.
(6)


Чтобы решить это уравнение, прежде всего, найдем какое-нибудь частное решение в целых (не обязательно неотрицательных) числах. Мы это уже сделали выше, когда разбирали пример, иллюстрирую­щий метод поиска частных решений линейных диофантовых урав­нений; в нашем случае в качестве такого частного решения можно взять, например, х0
=-
2, y
0
=
-1, так что верно равенство


2• (-2)-5• (-1)=1.
(7)


Вычитая из уравнения (в) равенство (7), получим:


2(х +
2) = 5(
y
+ 1).


Общее решение этого уравнения в целых числах имеет вид:


х + 2 =
5
k
, у + 1 = 2
k
,


где k
— произвольное целое число. Чтобы числа х и у
были неотри­цательными, параметр k
должен быть натуральным числом. Теперь для числа n
имеем:


n
= 6х + 4 = 6(5
k
- 2) + 4 = 30
k
- 8 = 30(
k
- 1) + 22.


Поскольку целое число (k
— 1
) неотрицательно, это равенство означает, что остаток от деления n
на 30 равен 22.


Ответ:
22.


Задача 4.
Фирма продавала чай в центре города по 7 руб., а кофе по 10 руб. за стакан; на вокзале — по 4 руб. и 9 руб. соответственно. Всего было продано за час 20 стаканов чая и 20 стаканов кофе, при этом выручка в центре и на вокзале оказалась одинаковой. Сколько стаканов кофе было продано в центре?


Решение.
Пусть n
и т
соответственно — количество стаканов чая и кофе, проданных в центре города. Тогда количество стаканов чая и кофе, проданных на вокзале, будет равно 20 - n
и 20 — т
соответ­ственно. По смыслу задачи переменные n
и т
— неотрицательные целые числа, не превосходящие 20: n, т
= 0,1,..., 20.


Общая выручка в центре равна 7n + 10m руб., а на вокзале равна 4(20 — n
) +
9(20 — т)
руб. По условию задачи эти величины равны:


7
n
+ 10
m
= 4(20 -
n
)
+ 9(20 - т)
11
n
+ 19
m
= 260.


Решим уравнение 11n + 19m = 260:


1. Найдем частное решение; им будет, например, n
0
= 15, т0
=
5.


2. Вычитая из равенства 11n + 19m = 260равенство 11 •
15 +19 • 5= 260, мы получим однородное уравнение: 11(n- 15) = 19(5 - m).


3. Общее решение этого однородного уравнения в целых числах имеет вид:


n-15=19k, 5-m=11k,


где k
Z. Соответственно, общее решение исходного уравнения в целых числах имеет вид:


n = 15 + 19k, т
= 5 –
11k,


где kZ.


Поскольку n
, т ≥
0, параметр k может быть равен только нулю. Поэтому найденное частное решение будет единственным решени­ем исходного уравнения в неотрицательных целых числах: n
= 15, т =
5. Так как это решение, кроме того, удовлетворяет условию n, m≤ 20, найденное значение m = 5 и будет ответом задачи.


Ответ:
5 стаканов.


Практически дословное повторение рассуждений, проведенных при решении задач 3 и 4, позволяет доказать, что общее решение уравнения ах +
b
у = с
представляет собой сумму частного решения (х0
; у0
)
этого уравнения и общего решения соответствующего одно­родного уравнения ах
+ by
= 0. Отсюда, в свою очередь, вытекает следующая важная общая теорема.


Теорема 5. Если числа а и

b

— взаимно простые, то уравнение ах +

by

= с имеет бесконечно много решений в целых числах, которые находятся во взаимно однозначном соответствии с мно­жеством целых чисел

Z

(то есть могут быть занумерованы целыми числами) и описываются формулой: х

n

= х0
+

bn

,

yn

=

y

0

-

an

, где

n

Z

— «номер» решения, а х0
, у0
— частное решение (которое существует в силу теоремы 3).


Важно подчеркнуть, что в рассмотренном методе решения урав­нений вида ах
+ by
= с
частное решение мы ищем только для того, чтобы свести дело к однородному уравнению. Иногда, как, напри­мер, в следующей задаче, этого можно добиться и проще.


Задача 5.
Найти все наборы натуральных чисел х,
у,
z
,
удовлетворяющие следующим условиям:



Решение.
Исключим г
из второго уравнения системы: г
= у
+ 7. Тогда первое уравнение примет вид:


11х - 6у =
y
+ 7
11
x
– 7
y
= 7


Если перенести свободный член 7 из правой части и сгруппиро­вать члены 7у
и 7, то мы получим уравнение


11x-7(y + 1) = 0,


которое является однородным относительно хи«в
у+ 1. В силу теоремы 1 его общее решение в целых числах имеет вид: х
= 7n, у +
1 = 11n, где n
— произвольное целое число. Соответственно, (x; у) = (7
n
;
11n -1), n
Z. Чтобы x и у были натуральными, долж­ны быть выполнены условия 7
n
>
0 и 11n -1 > 0, что равносильно тому, что n
— натуральное число. Если у
— натуральное число, то z
=
y
+ 7 автоматически будет натуральным.


Итак, общее решение системы из двух первых уравнений в на­туральных числах имеет вид: (х; у;
z
)
= (7n; 11n - 1; 11n + 6), где n — произвольное натуральное число.


Дополнительное условие, что х ≤
20, означает, что параметр n < 2. Итак, для n
есть всего два возможных значения: 1 и 2. Им соответ­ствует два набора неизвестных (х; у;
z
):
(7; 10; 17) и (14; 21; 28).


Ответ:
(7; 10; 17), (14; 21; 28)


Теперь решим более трудные задачи.


Задача 6.
Тёма сделал несколько мелких покупок в супермарке­те, имея при себе 100 рублей. Давая сдачу с этой суммы, кассир ошиблась, перепутав местами цифры, и выплатила рублями то, что должна была вернуть копейками, и, наоборот, копейками то, что полагалось вернуть рублями. Купив в аптеке набор пипеток за 1 руб. 40 коп., Тема обнаружил ошибку кассира и, пересчитав деньги, нашел, что оставшаяся у него сумма втрое превышает ту, которую ему должны были вернуть в супермаркете. Какова стоимость всех покупок Темы?


Решение.
Пусть правильная сдача равна n
руб. и т
коп., то есть (100n+ т)
коп. Реально кассирша выплатила сумму т
руб. и n
коп., то есть (100m + n
)
коп. После покупки пипеток у Темы останется (100т
+ n
—140) коп. По условию эта сумма в три раза больше, чем 100n + т.
Это дает следующее уравнение для неизвестных n
и т:


100т +
n
-
140 - 3 •
(100n + т)
97m– 299m - 140. (8)


Поскольку число копеек не может быть больше, чем 99, справед­ливо двойное неравенство: 1 ≤
n
,
m
≤ 99
. Оно, в частности, влечет, что сдача не превышает первоначальную сумму в 100 рублей, которая была у Темы.


Хотя уравнение (8) является стандартным уравнением в целых числах вида ах +
by
=
с, найти его частное решение (чтобы свести дело к однородному уравнению) простым подбором весьма непро­сто. На этом примере мы продемонстрируем общий метод поиска частного решения (алгоритм Евклида), который автоматически приводит к успеху.


Рассмотрим коэффициенты при неизвестных (а
= 97 и b
= 299) и разделим больший коэффициент на меньший. В результате получим неполное частное 3 и остаток 8. Иначе говоря, справедливо равен­ство 299 = 3•
97 + 8, или, что то же самое, 8 = 299 -3•
97.


Теперь заменим больший коэффициент (то есть 299) на остаток (то есть 8) и проделаем с парой 97, 8 ту же процедуру: разделим 97 на 8. В результате мы получим неполное частное 12 и остаток 1. Иначе говоря, справедливо равенство 97 = 12•
8 + 1, или, что то же самое, 1 = 97 — 12•
8. Заменим в этом равенстве число 8 выражением 299 – 3 • 97, найденным в предыдущем абзаце:


1 = 97-12•
(299 – 3 • 97) = 37 • 97 – 12 • 299.


Итак, мы представили число 1 (это наибольший общий делитель чисел 97 и 299) в виде линейной комбинации чисел 97 и 299. Ум­ножая последнее равенство на 140, мы получим искомое частное решение уравнения (8): т0
= 37 • 140 = 5180, п0
= 12 • 140 = 1680.


Это частное решение обычным образом приводит к следующему общему решению уравнения (8) в целых числах:



Условия 1 <
n
, т ≤99
однозначно определяют значение пара­метра k
:
k
= -17, что приводит к следующим значениям основных неизвестных n и m=31, m=97.


Поэтому стоимость всех покупок Темы (в рублях) равна


100-31,97+1,40 = 69,43.


Проблему с поиском частного решения можно обойти с помощью следующего способа решения уравнения (8) (этот метод работает длялюбого уравнения вида ах+
by

и всущности является вариантом алгоритма Евклида).


Выразим неизвестную с меньшим коэффициентом (в нашем случае — это т)
через другую неизвестную:



И выделим целую часть из дробей , ,



Введем новую неизвестную т1
(вместо т)
по формуле т1
= т - З
n
-1. Для нее последнее равенство примет вид:


97m1
= 8n + 43.


Это уравнение имеет тот же вид, что и исходное. Применим к нему процедуру, описанную в предыдущем абзаце: выразим неиз­вестную с меньшим коэффициентом (в нашем случае — это n
)
через другую неизвестную:



и выделим целую часть из дробей ,


Введем новую переменную n
1
(вместо n) по формуле n
1
= n
1
- 12т1
+
5. Для нее последнее равенство примет вид:


8
n
1
= т1
-3.


Поскольку коэффициент при т1
равен 1, общее решение этого уравнения в целых числах есть:


.


Возвращаясь к основным неизвестным /гит, мы получим общее решение в целых числах уравнения (8)



При l
=
k
+17
мы получим общее решение уравнения (8), най­денное ранее.


Описанный метод решения линейных диофантовых уравнений был известен уже математикам Древней Индии; они называли его «метод рассеивания».


Ответ:
69 руб. 43 коп.


Задача 7.
Длина дороги, соединяющей пункты А
и В
, равна 2 км. По этой дороге курсируют два автобуса. Достигнув пункта А или пункта В, каждый из автобусов немедленно разворачивается и следует без остановок к другому пункту. Первый автобус движется со скоростью 51 км/ч, а второй — со скоростью 42 км/ч. Сколько раз за 8 часов движения автобусы


а) встретятся в пункте В;


б) окажутся в одном месте строго между пунктами А и В,


если известно» что первый стартует из пункта А, а второй — из пункта В?


Решение.
Примем момент старта автобусов в качестве начального


и обозначим через t
'
n
,
t

n
моменты времени, когда первый и второй автобусы в n-й раз окажутся в пункте В.


Поскольку первый автобус стартует из пункта А, к моменту n-говизита в В он пройдет путь s
п
= 2 + 4(n -1) = 4
n
- 2 (последователь­ность s

n
образует арифметическую прогрессию с разностью 4).


Поэтому t

n
=
.


Второй автобус к моменту n-визита в пункт В пройдет путь s’n
= 4(n-1) = 4n-4 (последовательность s

n
также будет арифметической прогрессией с разностью 4). Поэтому t’n
=.


Встреча автобусов в пункте В означает, что для некоторых нату­ральных n
и т
верно равенство


T

n
=
T

m
14
n
-17
m
=-10


Рассмотрим его как уравнение относительно п
и т
и решим его.


В качестве частного решения можно взять, например, n
0
= 9,
m0
= 8:


14

9-17

8
= -10.


Вычитая это равенство из уравнения 14n — 17m = -10, мы полу­чим однородное уравнение:


14(n-9) = 17(m-8).


Его общее решение в целых числах имеет вид: n
- 9 =
17k, т
- 8 = 14k, где k
Z
.
Отсюда


n = 9 + 17k, m = 8 + 14k. Поскольку нас интересует решение в натуральных числах, возможные значения целочислен­ного параметра k должны быть неотрицательными: k
Z
. Пере­менную k можно интерпретировать как номер встречи автобусов в пункте В
(имея в виду, что встречи нумеруются не с 1, а с 0). Моментk-й встречи можно подсчитать как t

n
при n
= 9 + 17k: tk
= .


Число встреч за 8 часов равно числу решений неравенства tk

8 на множестве k
Z
:



Таким образом, за 8 часов автобусы ровно 6 раз встретятся в пункте В.


Перейдем теперь ко второй части задачи («сколько раз за 8 часов автобусы окажутся в одном месте строго между пунктами А
и В? »). Прежде всего найдем, сколько раз за 8 часов автобусы встретятся в пункте А
— эта информация окажется позже нам полезной.


Как и в предыдущем исследовании, примем момент старта авто­бусов в качестве начального и обозначим через T

n
,
T
"
n
— моменты времени, когда первый и второй автобусы в n
-й раз окажутся в пункте-А (рис. 1).



Поскольку первый автобус стартует из пункта А, к моменту n
-
го
визита в А
он пройдет путь S

n
= 4(n-1) (последовательность S
'
n
образует арифметическую прогрессию с разностью 4).


Поэтому


T’n
=.


Второй автобус к моменту n
-го визита в А пройдет путьS”n
= 2 + 4(
n
-1) = 4
n
- 2 (последовательность S”n
также будет арифметической прогрессией с разностью 4). Поэтому T

n
=
.


Встреча автобусов в пункте А означает, что для некоторых нату­ральных n
и т
верно равенство


T

n
=
T

n
28
n
-34
m
=11


Левая часть этого уравнения — четное число, а правая — нет. Поэтому оно не имеет решений в целых числах. Следовательно, автобусы никогда не встретятся в пункте А.


Теперь перейдем непосредственно к решению второй части за­дачи. Для этого введем систему координат на дороге между А и В,
выбрав в качестве начала отсчета пункт А, в качестве положитель­ного направления — направление от А к В (рис. 2).



Пусть x
1
(
t
),
x
2
(
t
)
— координаты первого и второго автобусов соот­ветственно в момент t
.
Графики функций x
1
(
t
)
и x
2
(
t
)
— это ломаные линии, изображенные на рисунках 1 и 2 соответственно. Первая ломаная состоит из 102 пар звеньев с угловыми коэффициентами 51 и -51, а вторая — из 84 пар звеньев с угловыми коэффициентами 42 и -42 (на рисунках мы исказили масштаб). Точки А и В на оси ординат имеют координаты 0 и 2 соответственно и соответствуют прохождению через пункты А
и В.


Встреча автобусов в какой-то момент t
означает совпадение их координат в этот момент: x
1
(
t
) = x
2
(
t
),
то есть пересечение графиков функций x
1
(
t
)
и x
2
(
t
).


Каждое звено первой ломаной пересекает вторую ломаную ровно в одной точке. Поэтому всего будет 102 точки пересечения возрас­тающих звеньев первой ломаной со второй ломаной и 102 точки пе­ресечения убывающих звеньев первой ломаной со второй ломаной. Поскольку автобусы не встречаются в пункте А, ни одна из этих точек не будет лежать на оси абсцисс. С другой стороны, поскольку авто­бусы встречаются 6 раз в пункте В, ровно 6 точек пересечения будет лежать на горизонтальной прямой у =
2. Эти точки будут включены как в 102 точки пересечения возрастающих звеньев первой ломаной со второй ломаной, так и в 102 точки пересечения убывающих звеньев первой ломаной со второй ломаной. Поэтому число точек пересече­ния, лежащих внутри
полосы 0 < у <
2, равно


2•(102-6)=192


Ответ:
а) 6 раз; б) 192 раза.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Линейные диофантовые уравнения

Слов:5373
Символов:36814
Размер:71.90 Кб.