
以上图片摘抄于潘承洞先生与潘承彪先生的《初等数论》第二版第101页
(普遍性)高指异指不定方程:
X^a+Y^b=Z^c (a,b,c为正整数)求X,Y,Z的整数解?
当a=b=2,c=4时,则就是上面图中不定方程:
X^2+Y^2=Z^4 ------(1)
如果我们仅仅局限于满足条件(x,y)=1,则将丢失x,y,z不互素的最精简的整数解。
其实很容易找到x,y不互素的一组解:
(5*13)^2+(12*13)^2=13^4
则令:
X=5*13
Y=12*13
Z=13
虽然x,y,z有公共因子“13^2”,但是所对应的指数不同,则不能再约分了。如果等式两边同时约掉“13^2”,则z就成了无理数 ,与所求的整数解不符合,所以“X=5*13,Y=12*13,Z=13”理应是“X^2+Y^2=Z^4”一组最精简的整数解。
要求方程(1)具体步聚如下:
先重新构建一个等价方程如下:
m^2+n^2=k^4(m,n,k是整数)----(2)
则k= =
将k代入(2)式中,方程形变为:
m^2+n^2=( )^4------(3)
再在等式两边同时乘以 这个数的指数最小公倍速数的倍数,则是:( )^4k=( )^4。这里的4k是指数的最小公倍数,k是引入的参量,主要的作用是把等式右边的无理数变成有理数,也就是等右边有理化。相当于在指数上的进行辗转相除。
举另外一例:X^3+Y^5=Z^7,这样的不定方程会复杂点,要做到等式的右边有理化,将会在指数上进行辗转相除,需用到指数的最小公倍数的倍数(105k=3*5*7k):( )^105k=( )^7,从而求出k的值.再进行方程的相关形变,需要注意的是:相关的解会很大,解的形式需用指数的形式表达。
对(3)式进行形变:
(m^2+n^2)*( )^4=( )^4*( )^4
右边指数合并后,变成以下方程:
(m^2+n^2)*( )^4=( )^4
当 k=3, 为最小正整数解时,上式方程左右边则可以同时有理化,继续形变如下:
(m^2+n^2)*(m^2+n^2)^3=(m^2+n^2)^4
备注:上式等价于(m^2+n^2)^4=(m^2+n^2)^4,当令z=m^2+n^2时,再对左边进行形变,就可以得到文章前面图中的解。其本质来源于恒等结构。至少目前的书本中好像没有看到“z=m^2+n^2”是如何来的。
接下来只需要考查方程左边的成立条件:
当m^2+n^2=t^2时,等式左边的因子(m^2+n^2)^3=t^6,等式右边则变成t^8
方程形变成如下:
(m^2+n^2)*t^6=t^8 ---(4)
(这里左边的因子(m^2+n^2)为什么不替换掉,主要是用来拆分成两个平方数的)
再对等式(4)进行拆分,则方程变为:
(m^2+n^2)*t^2=t^4 ---(5)
上式整理得后,建立联立方程:
m^2+n^2=t^2 ----(6)
(mt)^2+(nt)^2=(t)^4---(7)
备注:(7)等价于m^2(m^2+n^2)+n^2(m^2+n^2)=((m^2+n^2))^2
左右两边都是恒等的结构,右边的((m^2+n^2))^2=(t)^4,理解为平方数的平方,属于强行升指。
一:如果m,n,t是(6)式勾股中的三元数组,则X^2+Y^2=Z^4方程中解为:
X=mt
Y=nt
Z=t
举一个数的特例,是方便理解的。
3^2+4^2=5^2 (相当于联立方程中的 m^2+n^2=t^2 )
左右乘以5^2,则变成:
15^2+20^2=5^4 (相当于联立方程中的(mt)^2+(nt)^2=(t)^4)
X=15
Y=20
Z=5
,二:如果m,n,t是(6)勾股的三元数组的派生数,则需引入一个量“1/λ”作为消除方程左边的t中2平方因子和右边的t中4次方因子.如果方程(7)的t中没有指数最小公倍数因子,则λ=1。
实际上是要消除掉x,y,z指数的最小公倍数的所有因子(此题中x,y,z指数的最小公倍数为4)。不同的方程中引入量λ对应的指数是不同的。
X=mt/λ^2
Y=nt/λ^2Z=t/λ
用勾股三元数组的派生数,举一实例。
(3*3)^2+(3*4)^2=(3*5)^2
左右乘以(3*5)^2,则变成:
(3^2*15)^2+(3^2*20)^2=(3*5)^4
X=mt/λ=3^2*15/3^2=15
Y=nt/λ=3^2*20/3^2=20
Z=t/λ=3*5/3=5
消掉的常量λ,在x,y,z中需保持一致。此例中仅举一个3^2做为派生。
以上就是“X^2+Y^2=Z^4--(1)”中x,y,z不互素的最精简通解形式。
初等数论的书本上有讲X,Y互素的情况,所以这里省略。
在高指异指不定方程中,其实也有类似于勾股中的三元数组,只不过x,y有互素的,也有不互素的罢了。
可见高指异指不定方程:理应有x,y,互素之通解形式与x,y不互素的精简通解形式。
(备注:现在主流思想中只注重互素的问题,这种思维惯性延伸到高指异指不定方程中,却对不互素的最精简通解情况视而不见,必将会导致有些解的丢失。互素的解题是美的,不互素的最精简的解题也是美的。)
对于XY不互素来讲“X^2+Y^2=Z^4”属于一个特例中的特例,以上仅个人学习中的理解与分析,仅供参考。
对 未知的领域 而言,实感惶恐,仅能窥其一端,如有不当之处,敬请斧正,不胜感谢!
来自于指数上的辗转相除,做一题,出一题,留给自己。
X^3+Y^5=Z^7 (XYZ≠0 )
X,Y,Z不互素时,X,Y,Z有整数的最精简通解吗?
(最精简通解:高指异指不定方程中,其实也有类似于勾股中的三元数组,x,y有不互素时的最小整数通解。由于X,Y,Z取数的随意性,则需要引入一个量“1/λ”去消除当方程中X,Y,Z的含有指数的最小公倍数因子。)
至于为什么要加上条件:“XYZ≠0 ”,只因为个人不喜欢“瞪眼法”而已,也不希望浪费自己的时间去搞几个限制在0与1之间的特解。
备注:要做到等式的右边有理化,将会在指数上进行辗转相除,需用到指数的最小公倍数的倍数(105k=3*5*7k)去乘等式左右两边:( )^105k=( )^7,从而求出k的值.再进行方程相关的形变,需要注意的是:相关的解会很大,解的形式需用指数的形式表达。
寄语思考:
行走在苍茫的荒原,举目远瞭路漫漫,唯有那高低深浅的脚印伴我前行!