二元一次不定方程的整数解


先来看看一个典型的二元一次不定方程:
a x + b y − c = 0 a , b , c ∈ z x , y ∈ z ax+by-c=0\\ a,b,c\in\mathbb{z}\\x,y\in\mathbb{z} ax+byc=0a,b,czx,yz
为了方便不妨限定 c ⩾ 0 c\geqslant0 c0.
下面给出一个是否有解的定理:
t h e o r e m : g c d ( a , b ) ∣ c    ⟺    不 定 方 程 a x + b y = c 有 无 数 个 整 数 解 . {theorem:}\\ gcd(a,b)|c\iff不定方程ax+by=c有无数个整数解. theorem:gcd(a,b)cax+by=c.
下面用之前提到的裴蜀等式(或者裴蜀定理,叫什么都好)证明
p r o o f : ∵ ∃ s , t ∈ z , s a + t b = g c d ( a , b ) , ∴ w h e n   g c d ( a , b ) ∣ c , T h e   s o l u t i o n   i s   [ s ∗ ( c / g c d ( a , b ) ) , t ∗ ( c / g c d ( a , b ) ) ]   Q . E . D {proof:}\\ \because \exists s,t\in\mathbb{z},\\ sa+tb=gcd(a,b),\\ \therefore when\ gcd(a,b)|c,\\ The\ solution\ is\ [s*(c/gcd(a,b)),t*(c/gcd(a,b))]\\ \ Q.E.D proof:s,tz,sa+tb=gcd(a,b),when gcd(a,b)c,The solution is [s(c/gcd(a,b)),t(c/gcd(a,b))] Q.E.D
既然有解,那解是什么就成了下一个问题.
下面是结论:
对 于 特 解   x 0 , y 0 其 他 的 解 为 { x = x 0 ± t ∗ b g c d ( a , b ) y = y 0 ∓ t ∗ a g c d ( a , b ) 对于特解\ x_0,y_0\\ 其他的解为\\ \left\{ \begin{aligned} x=x_0\pm \frac{t*b}{gcd(a,b)}\qquad \\ y=y_0\mp \frac{t*a}{gcd(a,b)}\qquad \\ \end{aligned} \right.  x0,y0x=x0±gcd(a,b)tby=y0gcd(a,b)ta
下面是不太数学化的证明XD
已经通过各种黑科技得到特解 x 0 x_0 x0, y 0 y_0 y0,那么就形成了一种"平衡状态",要得到其他的整数解必须要基于这个状态进行"无害化"修改.那么就只能像这样:
a x 0 + b y 0 = c →   a x 0 ± m + b y 0 ∓ m = c → a ( x 0 ± m / a ) + b ( y 0 ∓ m / b ) = c ax_0+by_0=c\rightarrow\ ax_0\pm m+by_0\mp m=c\\ \rightarrow a(x_0\pm m/a)+b(y_0\mp m/b)=c ax0+by0=c ax0±m+by0m=ca(x0±m/a)+b(y0m/b)=c
当且仅当 a ∣ m ∧ b ∣ m a|m \land b|m ambm,有新的整数解.此时m为a,b的公倍数.
根据定理, [ a , b ] ∣ m [a,b]|m [a,b]m, m = [ a , b ] ∗ t m=[a,b]*t m=[a,b]t
又因为 [ a , b ] = a ∗ b g c d ( a , b ) [a,b]=\frac{a*b}{gcd(a,b)}\qquad [a,b]=gcd(a,b)ab
带入得证.

这只是不定方程中最简单的一种情况,至于更复杂的多元高次不定方程,那就是另一回事了.

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