Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Видео:Как решать Диофантовы уравнения ★ 9x+13y=-1 ★ Решите уравнение в целых числахСкачать

Как решать Диофантовы уравнения ★ 9x+13y=-1 ★ Решите уравнение в целых числах

Цепные дроби и диофантовы уравнения

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Актуальность исследования . Применение аппарата цепных дробей к прикладным задачам, в том числе олимпиадного характера, позволяет углубить математические знания, расширить кругозор и повысить мотивацию к изучению математики. Ведь задачи на оптимизацию, которых много в ЕГЭ, предполагают решение с помощью диофантовых уравнений; также в том пресловутом справочнике прозвучала мысль, что подход Диофанта к решению уравнений особенный, и мне хотелось бы поделиться умением решать диофантовы уравнения с другими. Я предполагаю, что элементы высшей математики могут быть доступны и интересны ученикам средней школы.

Объект исследования: цепные дроби и диофантовы уравнения.

Предмет исследования: применение последовательности подходящих дробей для решения диафантовых уравнений и других задач.

Обработка теоретического материала (его отбор, а также последовательное и доступное изложение);

Поиск областей применения цепных дробей;

Составление практического материала в форме упражнений.

Гипотеза исследования : применение цепных дробей позволяет найти один из способов решения диофантовых уравнений и других задач олимпиадного характера.

Изучить понятие цепных дробей и диофантовых уравнений;

На примерах приближения различных чисел подходящими дробями (рациональные числа, квадратичные иррациональности) понять закономерности использования аппарата цепных дробей;

Ознакомиться с историей возникновения и использования цепных дробей;

Выявить и применить возможности цепных дробей к решению разных видов олимпиадных задач.

Действительные числа однозначно отображаются цепными дробями. Основное значение такого изображения заключается в том, что, зная цепную дробь, изображающую действительное число, можно определить это число с достаточной точностью. Умение решать диофантовы уравнения может пригодиться в реальной жизни, например, задачи на оптимизацию, которые неоднократно встречаются в ЕГЭ; также данное умение окажется как нельзя кстати при решении задач, выходящих за рамки школьной программы, олимпиадных заданий.

Глава 1. Понятие цепных дробей.

Примеры разложений действительных чисел в цепную дробь.

Дробь можно записать в виде суммы целой части и правильной дроби: . Но , а дальше: . Значит, . Далее получим .

Продолжим этот процесс до тех пор, пока не придем к знаменателю . В результате мы представим обыкновенную дробь в виде:

Эйлер назвал дроби такого вида непрерывными. Приблизительно в то же время в Германии появился другой термин – цепная дробь. Так за этими дробями и сохранились оба названия. Ввиду громоздкости развернутой записи цепной дроби применяют компактную запись .

В качестве примера представим дробь в виде цепной дроби:.

Или в компактной форме: [1; 3, 2, 4 ].

Мы познакомились с разложением в цепную дробь обыкновенной дроби, т.е. рационального числа. Любое рациональное число представимо в виде конечной цепной дроби. Конечность следует из алгоритма Евклида. Но в виде цепной дроби можно записать любое действительное число. Только конечными цепными дробями здесь не обойтись. Приведем разложение в непрерывную дробь числа .

и т.д. Видна закономерность.

Т.е. в компактной форме = [1: 2, 2, 2, 2, 2…].

Оказывается, квадратичные иррациональности (т.е. числа вида , где a , b , c рациональные числа), и только они раскладываются в бесконечные периодические дроби. На этот факт впервые указал Эйлер, строгое его доказательство дал Лагранж.

Если оборвать дробь на знаменателе , то останется дробь . Обращая ее в обыкновенную, получим . Это выражение называют k й подходящей дробью для исходной цепной дроби.

Например, для нашей дроби имеем:

нулевая подходящая дробь: ,

первая подходящая дробь: ,

вторая подходящая дробь: ,

третья подходящая дробь: . Она равна самому числу.

Для цепной дроби, представляющей число, имеем следующие подходящие дроби:

нулевая подходящая дробь: ,

первая подходящая дробь: ,

вторая подходящая дробь: ,

третья подходящая дробь: и т.д.

Подходящие дроби удобно вычислять с помощью специальной таблицы. Для этого посмотрим, как вычисляются подходящие дроби:

и т.д. Вообще имеют место рекуррентные соотношения

Эти вычисления удобно производить последующей схеме:

В первой строке этой таблицы записаны недробные элементы, с которых мы начинали строить каждый «этаж», нашей многоэтажной дроби.

Во второй строке сначала записано число 1. Это ключевое число, и надо просто запомнить, что вторая строка начинается с числа 1. Далее записаны числители подходящих дробей.

В третьей строке сначала записано число 0. Это ключевое число, и надо просто запомнить, что третья строка всегда начинается с числа 0.Далее записаны знаменатели подходящих дробей.

Оказывается, что, зная лишь нулевую подходящую дробь, следуя нашим рекуррентным соотношениям, можно найти сколь угодно много числителей и знаменателей в подходящих дробях.

Для получения очередного числителя (знаменателя) необходимо взять элемент того же столбца из первой строки умножить на предыдущий числитель (знаменатель) и прибавить к произведению «предпредыдущий» числитель (знаменатель).

Составим таблицу подходящих дробей для цепной дроби, изображающей число.

При этом, если учесть, что , , , =1,41666, то можно увидеть, что чем дальше мы идем, тем лучшее приближение числа получаем.

Цепные дроби обладают следующим важным свойством: если действительное число x записать в виде непрерывной дроби, то подходящая дробь дает наилучшее приближение числа x среди всех дробей, знаменатели которых не превосходят . Т.е. чем больше k , тем k – подходящая дробь ближе к числу.

В связи с этим замечательным свойством рассмотрим применение цепных дробей в календаре.

Глава 2. Приложения цепных дробей

Календарь и подходящие дроби

Древнеримские жрецы, ведавшие исчислением времени, произвольно удлиняли некоторые года, чтобы согласовать календарные даты с сезонными явлениями природы. Впервые порядок в счете времени навел в I в. до нашей эры римский император Юлий Цезарь. Он постановил считать одни годы по 365 суток, а другие по 366 суток, чередуя их по правилу три года подряд коротких, четвертый – длинный. Гораздо позже, с введением христианского летоисчисления, високосным стали считать каждый год, порядковый номер которого делится на 4. Этот календарь в честь Юлия Цезаря называется юлианским. По нему продолжительность суток составляет 365 суток 6 ч, что больше истинной лишь на 11 мин 14 с. Однако и это решение оказалось неудовлетворительным. К XVI в. ошибка, накапливаясь, составила уже около 10 суток.

Следующую реформу календаря провел Григорий XIII – папа римский. Было решено: сдвинуть числа на 10 дней, оставить чередование простых и високосных лет, при этом, если порядковый номер года оканчивается двумя нулями, но число сотен не делится на 4, то этот год простой. В настоящее время расхождение между юлианским и новым, григорианским календарями составляет 13 дней, поскольку с тех пор накопилось еще три дня (в 1700, 1800 и 1900 гг.). Продолжительность григорианского года составляет

365, 2425 суток, т.е. 365 суток 5 ч 49 мин 12 с, т.е. она больше истинной лишь на 26с. Полученная точность очень велика и вполне достаточна для практических нужд.

Интересная система календаря была предложена среднеазиатским математиком и поэтом Омаром Хайямом (ок.1048-1122), по ней високосными годами должны были считаться 8 лет из каждых 33. Продолжительность года по О. Хайяму составляет 365 суток, его погрешность всего 19с в год.

В 1864 г. русский астроном И. Медлер предложил с XX столетия ввести в России следующую поправку к юлианскому календарю: через каждые 128 лет пропускать один високосный год из 32, которые выпадают на этот период. Этот календарь самый точный из всех перечисленных. Здесь погрешность сокращается всего до 1с. Однако календарь И. Медлера не был принят, видимо, из-за того, что период в 128 лет не является «круглым» числом.

Системы календаря оказываются связанными с записью астрономического года в виде цепной дроби:

Год продолжительностью 365 суток — это нулевая подходящая дробь этой цепной дроби, 365 — юлианский год – первая подходящая дробь, 365, 365 и 365 — вторая, третья и четвертая подходящие дроби. А именно:

Системой, соответствующей второй подходящей дроби: семь високосных лет из 29, никто не предложил воспользоваться, видимо, потому, что третья подходящая дробь ненамного сложнее, а точность ее гораздо больше (вспомним, что это система О. Хайяма), а четвертой подходящей дроби соответствует система И. Медлера.

Второе свойство цепных дробей

Вспомним, как вычисляются подходящие дроби.

и т.д. Имеют место рекуррентные соотношения

Второе свойство цепных дробей: для любого k = 1,2,…, n имеет место формула

Диофантовы уравнения вида ax+ by =с с использованием цепных дробей.

Используем отмеченное нами свойство цепных дробей для решения уравнения ax+ by = c Коэффициенты a и b взаимно просты. Разложим в цепную дробь. При этом .

Поскольку обе дроби несократимы, то a = P n , b = Qn . По свойству имеем

Умножив обе части этого равенства на (-1) n c , получим

Общее решение запишется в виде:

Решим уравнение 17х + 13у = 5.

Поскольку , то n = 2, ,откуда х0 = -5•3 = -15, у0= 4•5 = 20 и общее решение имеет вид

При решении уравнений вида ax + by = c будем использовать следующий алгоритм :

1) Разложим в цепную дробь (с помощью алгоритма Евклида или с помощью соответствующих преобразований).

2) Из разложения =определяем значение n (т.е. длину цепной дроби).

3) Находим n -1 – подходящую дробь (в случае необходимости используем таблицу).

4) Применяем формулы:

1) Можно находить сначала частное решение:

Глава 3. Диофантовы уравнения

Диофантовыми уравнениями называются алгебраические уравнения или системы алгебраических уравнений с целыми коэффициентами, для которых надо найти целые или рациональные решения. При этом число неизвестных в уравнениях должно быть не менее двух. Диофантовы уравнения имею, как правило, много решений, поэтому их называют неопределенными уравнениями. К диофантовым уравнениям приводят задач, по смыслу которых неизвестные значения величин могут быть только целыми числами. В качестве примера задача на составления диофантовых уравнений, может служить задача о размере рубля монетами достоинством в 1; 2; 3; 5; 10; 15 и 50 копеек. Соответствующее уравнение имеет вид:

Решить такое уравнение – это значит найти все такие наборы.

Число наборов, удовлетворяющих этому уравнению примерно равно

510 * 10 7 . Названы эти уравнения по имени греческого математика. Его книга «Арифметика» содержала большое количество интересных задач, его изучали математики всех поколений. Книга сохранилась до наших дней, её можно найти в русском переводе в библиотеке. К диофантовым уравнениям приводят задачи, по смыслу которых неизвестные значения величин могут быть только целыми числами.

Для линейных уравнений с двумя неизвестными, т.е. уравнение вида

ax + by = c , где a , b , c – целые числа, а x , y – целочисленные решения уравнения. для данного уравнения справедливы следующие утверждения:

Если коэффициенты a и b уравнения ax + by = c являются взаимно простыми числами (их наибольший общий делитель d =1), то это уравнение имеет, по крайней мере, одно целочисленное решение.

Если d ≠1, то уравнение ax + by = c не имеет целочисленных решений.

Если d =1/ то уравнение ax + by = c имеет бесконечное множество целочисленных решений, которые задаются формулами х = α + bt , y = β – at ,

Где ( α ; β ) – некоторое целочисленное решении уравнения ax + by = c , at t – произвольное целое число.

Долгое время надеялись отыскать общий решения любого диофантова уравнения. Однако в 1970 году ленинградский математик Ю.В. Матиясевич доказал, что такого общего способа быть не может.

Рассмотрим решение системы диофантовых уравнений первой степени на конкретном примере:

Решить в целых числах систему уравнений:

Решение: вычтем из второго уравнения первое, получим yz y z =5

или ( y -1)( z -1)=6. Число 6 можно разложить на целые множители четырьмя способами:

Эти системы дают тройки значений

( x ; y ; z ): (5;2;7), (5;7;2), (7;4;3), (7;3;4), (19;-5;0), (17;-2;-1), (17; -1;-2).

Диофантовы уравнения решаются методом перебора (один из самых древнейших методов решения математических задач, возникающих на практике).

А также нужно помнить, что если число d есть наибольший делитель целых чисел a и b , то существует такие числа k и 1, что d = ka + lb . Алгоритм Евклида позволяет вычислить целые числа k и 1.

Линейное диофантово уравнение ax + by = c не будет иметь решений, если числа с и d взаимно простые. Если число с кратно числу d , то одно из решений уравнения будет иметь вид: x = pk и y = pl .

Если целое число c делится на D ( a ; b ), то уравнение ax + by = c имеет целые решения (если некоторые из чисел a , b и с отрицательны, то вместо них берем их модули).

Рассмотрим, как искать эти решения на следующем примере:

Это уравнение может иметь целые решения, так как D (28;40)=4, а число 60 делится на цело, на 4. Ясно, что любое целое решение уравнения 28 x – 40 y =60 удовлетворяют и уравнению 7 x – 10 y = 15 из заданного сокращения обеих частей на 4. Обратно любое целое решение уравнения 7 x – 10 y = 15, является и целым решением заданного уравнения. У получившегося после сокращения на 4 уравнение 7 x – 10 y = 15 коэффициенты при неизвестных взаимно просты, т.е. D (7;10) равно 1.

Применим к этим коэффициентам алгоритм Евклида. Мы видим, что при делении числа 7 на 3 получилось неполное частное 2 и остаток 1, а потому 7 = 2*3 + 1. Значит 1=7-2*3. таким же путем устанавливаем, что 10=1*7+3, а потому 3=10-1*7. Подставляя это выражение в равенство 1=7-2*3, получаем 1=7-2(10-1*7). Раскрывая скобки, получаем x =3 и y =2 дают целые решения уравнения 7 x – 10 y = 15. Чтобы получить целые решения уравнения 7 x – 10 y = 15, надо оба этих числа умножить на 15. Таким путем мы получим одно решение уравнения

Другие целые решения того же уравнения имеют вид: х=45+10 t , y =30 + 7 t , где t – любое число.

Чтобы выделить целые неотрицательные решения заданного уравнения, надо найти такие значения t , при которых 45 +10 t >0 и 30+7 t >0. Из этих неравенств находим, что должны выполняться условия t >-4,5, t >-30/7, из которых вытекает, что t >-4.

Итак, данное уравнение имеет бесконечно много целых неотрицательных решений, задаваемых формулами х=45+10 t , y =30 + 7 t , где t принимает значение -4, -3,-2,

Часть 4. Применение теории на практике

x^2 + y^2 – 2x + 4y=-5

В левой части уравнения выделим полный квадрат:

x^2 – 2x + 1 + y^2 + 4y + 4=0

Сумма квадратов равна 0 лишь в одном случае

Решив систему, получим, что x= 1, y= -2

x^2 – 6x + y^2 + 6y + 18=0

Докажем, что это уравнение имеет единственное целочисленное решение.

В левой части уравнения выделим полные квадраты :

( x – 3 )^2 + ( y + 3 )^2=0

Данное уравнение имеет решение, когда

Теперь я предлагаю рассмотреть графический метод решения диофантовых уравнений.

Алгоритм построения графика уравнения ах + by + с = 0:

1. Придать переменной х конкретное значение х= х1; найти из уравнения ах1 + by + c = 0 соответствующее значение y =y1.

2. Придать переменной х другое значение х=х2; найти из уравнения ах2 + by + c = 0 соответствующее значение y =y2.

3. Построить на координатной плоскости х Oy две точки (х1;у1) и (х2;у2).

4. Провести через эти две точки прямую – она и будет графиком уравнения ах + by + с = 0.

Необходимо найти все пары (х, у) целых чисел, удовлетворяющих системе неравенств:

Рассмотрим на координатной плоскости области, которые описываются заданными неравенствами. А затем выберем в них лишь точки с целочисленных координат х, у.

Получаем два случая:

1) Неравенство (1) путем выделения полных квадратов сводится к условию

2) Неравенство (2) сводится к виду

Единственной точкой, принадлежащей одновременно двум кругам, будет точка М( 12; -8). Это выясняется подстановкой в систему числовых значений координат всех узлов квадратной сетки, соседних с точкой М.

Пример 1. Для перевозки большого количества контейнеров по 170 кг и по 190 кг выделены трехтонные машины. Можно ли ими загружать машины полностью?
Решение. пусть х и у количество контейнеров по 170 и 190 кг соответственно, тогда имеем уравнение

Для нахождения частного решения воспользуемся разложением дроби в цепную дробь

Свернув предпоследнюю подходящую к ней дробь в обыкновенную

Частное решение данного уравнения имеет вид:

х 0 = (-1) 4 300∙9=2700, у 0 =(-1) 5 300∙8= -2400,
а общее задается формулой х=2700 — 19k, y= — 2400 + 17k.
откуда получаем условие на параметр k: 141 ≤ k ≤ k=142, x=2, y=14.

Пример 2. Разложить в цепную дробь .

Решение. Находим: a0=1, . Поскольку , будем иметь a1=a0=1, так что и так далее, то есть

Задания для самостоятельного решения

Пример 1. Найти значение следующих цепных дробей:

Пример 2. Найти значение цепной дроби .

Пример 3. Решить в целых числах уравнение 54х + 37у = 1.

Подведем итоги. В ходе исследования была проведена следующая работа:

1)Собран и освоен теоретический материал, составлены на основании изученных свойств алгоритм решения приведенных в данной работе диофантовых уравнений. Сформулированы замечания, использующиеся при решении данных уравнений.

2)Найдены некоторые области применения цепных дробей.

3)Составлены и выполнены практические задания по разложению действительных чисел в цепные дроби, а также по решению диофантовых уравнений вида ax + by = c , других олимпиадных задач.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Баврин И.И.,Фрибус Е.А. Занимательные задачи по математике.- М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 1999.- 208 с.

Басова Л.А., Шубин М.А., Эпштейн Л.А. Лекции и задачи по математике.- М.: Просвещение, 1981.- 96 с.

Виленкин Н.Я., Шибасов Л.П., Шибасова З.Ф. За страницами учебника математики: Арифметика. Алгебра. Геометрия: Книга для учащихся 10-11 кл. общеобразовательных учреждений.- М.: Просвещение, 1996.- 320 с.

Ожигова Е. П. Что такое теория чисел.- М.: Знание, 1970.- 96 с.

Пичурин Л. Ф. За страницами учебника алгебры: Книга для учащихся 7-9 кл.сред.шк.- М.: Просвещение, 1990.- 224 с.

Савин А. П. Энциклопедический словарь юного математика.- М.: Педагогика, 1989.- 352 с.

Хинчин А. Я. Цепные дроби.- М.: Наука, 1978.- 112 с.

Видео:18. Метод цепных дробей. Алексей Савватеев. 100 уроков математики 6+Скачать

18. Метод цепных дробей. Алексей Савватеев. 100 уроков математики 6+

Линейное диофантово уравнение и 4 способа его решения

Разделы: Математика

Првило 1. Если с не делится на d, то уравнение ах + ву = с не имеет решений в целых числах. Н.О.Д.(а,в) = d.

Правило 2. Чтобы найти решение уравнения ах + ву = с при взаимно-простых а и в, нужно сначала найти решение (Хо ; уо) уравнения ах + ву = 1; числа СХо , Суо составляют решение уравнения ах + ву = с.

Решить в целых числах (х,у) уравнение

Первый способ. Нахождение частного решения методом подбора и запись общего решения.

Знаем, что если Н.О.Д.(а;в) =1, т.е. а и в взаимно-простые числа, то уравнение (1)

имеет решение в целых числах х и у. Н.О.Д.(5;8) =1. Методом подбора находим частное решение: Хо = 7; уо =2.

Итак, пара чисел (7;2) — частное решение уравнения (1).

Значит, выполняется равенство: 5 x 7 – 8 x 2 = 19 … (2)

Вопрос: Как имея одно решение записать все остальные решения?

Вычтем из уравнения (1) равенство (2) и получим: 5(х -7) – 8(у — 2) =0.

Отсюда х – 7 = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Из полученного равенства видно, что число (х – 7) будет целым тогда и только тогда, когда (у – 2) делится на 5, т.е. у – 2 = 5n, где n какое-нибудь целое число. Итак, у = 2 + 5n, х = 7 + 8n, где n Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Тем самым все целые решения исходного уравнения можно записать в таком виде:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийn Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Второй способ. Решение уравнения относительно одного неизвестного.

Решаем это уравнение относительно того из неизвестных, при котором наименьший (по модулю) коэффициент. 5х — 8у = 19 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийх = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Остатки при делении на 5: 0,1,2,3,4. Подставим вместо у эти числа.

Если у = 0, то х = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений=Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Если у =1, то х = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений=Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Если у = 2, то х = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= 7 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Если у =3, то х = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений=Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Если у = 4 то х = Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений=Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Итак, частным решением является пара (7;2).

Тогда общее решение: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийn Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Третий способ. Универсальный способ поиска частного решения.

Для решения применим алгоритм Евклида. Мы знаем, что для любых двух натуральных чисел а, в, таких, что Н.О.Д.(а,в) = 1 существуют целые числа х,у такие, что ах + ву = 1.

1. Сначала решим уравнение 5m – 8n = 1 используя алгоритм Евклида.

2. Затем найдем частное решение уравнения (1)по правилу 2.

3. Запишем общее решение данного уравнения (1).

1. Найдем представление: 1 = 5m – 8n. Для этого используем алгоритм Евклида.

8 = 5 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений1 + 3.

5 = 3 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

3 = 2 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Из этого равенства выразим 1. 1 = 3 — 2 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= 3 – (5 — 3 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений) Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений=

= 3 — 5 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= 3 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= (8 — 5 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— 5 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений8Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений2 -5Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

= 5Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений(-2). Итак, m = -3, n = -2.

2. Частное решение уравнения (1): Хо = 19m; уо =19n.

Отсюда получим: Хо =19Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений; уо =19 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Пара (-57; -38)- частное решение (1).

3. Общее решение уравнения (1): Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийn Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Четвертый способ. Геометрический.

1. Решим уравнение 5х – 8у = 1 геометрически.

2. Запишем частное решение уравнения (1).

3. Запишем общее решение данного уравнения (1).

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Отложим на окружности последовательно друг за другом равные дуги, составляющие

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений-ю часть полной окружности. За 8 шагов получим все вершины правильного вписанного в окружность 8-угольника. При этом сделаем 5 полных оборотов.

На 5 – ом шаге получили вершину, соседнюю с начальной, при этом сделали 3 полных оборота и еще прошли Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— ю часть окружности, так что х Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений= у + Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Итак, Хо = 5, уо =3 является частным решением уравнения 5х – 8у = 1.

2. Частное решение уравнения (1): Хо = 19 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийуо =19 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

3. Общее решение уравнения (1): Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийn Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийZ.

Видео:Вебинар: Решение линейных уравнений в целых числах. Метод цепных дробейСкачать

Вебинар: Решение линейных уравнений в целых числах. Метод цепных дробей

Непрерывная дробь (цепная дробь) в математике с примерами решения и образцами выполнения

Непрерывная дробь (или цепная дробь) — это конечное или бесконечное математическое выражение вида. где. есть целое число, а все остальные. — натуральные числа (положительные целые). При этом числа. называются неполными частными или элементами цепной дроби.

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Видео:Математика-947. Диофантовы уравнения и цепные дробиСкачать

Математика-947. Диофантовы уравнения и цепные дроби

Конечные цепные дроби

В арифметике часто приходится искать наибольший общий делитель двух натуральных чисел. В младших классах эту задачу решают с помощью разложения чисел на прос­тые множители. Однако этот способ в школе не получает теорети­ческого обоснования, так как он опирается на не доказываемую (а часто и не формулируемую ) довольно трудную теорему о суще­ствовании и единственности разложения натуральных чисел на простые множители.

Другой метод решения этой задачи, свободный от указанного недостатка, изложен еще в книге Евклида «Начала» (III век до н. э.); его называют алгоритмом Евклида или способом последовательного деления. Изложим этот способ.

Напомним сначала некоторые свойства деления с остатком. Пусть а — целое число и b — натуральное число. Существуют та­кие целые числа q (частное) и r (остаток), что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЭти числа однозначно определены.

Справедливо следующее утверждение: если а = bq + r, то наибольший общий делитель чисел а и b совпадает с наибольшим общим делителем чисел b и r.

В самом деле, обозначим наибольший общий делитель чисел а и b через d, а наибольший общий делитель чисел b и r — через Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийИз соотношения r = а — bq получаем, что d является делителем и числа r, то есть d будет общим (но не обязательно наиболь­шим) делителем чисел b и r. Отсюда следует, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийОбратно, из соотношения а = bq + r следует, что наибольший общий дели­тель чисел b и r является делителем числа а, а значит, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийИз двух соотношений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийполучаем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Теперь опишем алгоритм Евклида. Он заключается в том, что для целого числа а и натурального числа b последовательно находят две конечные последовательности чисел Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийМетод цепных дробей при решении диофантовых уравненийтакие, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Тогда Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— наибольший общий делитель чисел а и b. Это следует из того, что по доказанному наибольшие общие делители пар чисел Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

совпадают друг с другом. Но Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи потому наибольший общий делитель чисел Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийравен Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Заметим, что цепь равенств (1), выражающая алгоритм Евкли­да, не может быть бесконечной, так как из Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

вы­текает, что в (1) не более чем b равенств.

Пример цепной дроби

В некоторых приложениях математики встречаются очень громоздкие дроби. Возникает вопрос, нельзя ли подобрать дробь со сравнительно небольшим знаменателем, дос­таточно близкую к данной громоздкой дроби. Аппаратом для реше­ния этой задачи являются дроби особого вида, называемые цепны­ми или непрерывными дробями.

Прежде чем излагать общую теорию цепных дробей, рассмотрим следующий пример. Отношение экваториального радиуса Земли к ее полярному радиусу выражается дробью Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Попробуем упростить эту дробь. Для этого сначала выделим из нее целую часть: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Оставшуюся дробную часть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпреобразуем так: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

В знаменателе получившейся дроби снова выделим целую часть:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Это выражение позволяет получить хорошее приближение для рассматриваемой дроби. Ясно, что при отбрасывании в знаменателе дробной части Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнениймы получим число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийкоторое

больше, чем наша дробь. Если же округлить знаменатель в сторону увеличения, то мы получим дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, которая меньше рассматриваемой. Таким образом,

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Разность полученных приближений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнениймала:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Значит, как Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийтак и Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийдают приближенное значение для дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийс точностью не меньшей, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Если мы хотим получить еще лучшее приближение, надо аналогичным образом преобразовать отброшенную дробную часть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Подставляя это выражение в (1), получаем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Ясно, что дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийзаключена между Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Поэтому получаем для Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийграницы:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

или, преобразуя дроби,

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Получились оценки с большими знаменателями, чем в (2). Но их точность существенно выше — погрешность полученных приближений не больше, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Продолжая описанный процесс, мы получим в конце концов точное выражение для Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв виде «многоэтажной» дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Разумеется, полученная дробь менее удобна, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Но она позволяет получать приближенные значения заданной дроби, имеющие небольшие знаменатели. Чтобы получить такие приближенные значения, надо оборвать процесс на каком-то шагу, заме­нив смешанное число его целой частью, и превратить полученное выражение в обыкновенную дробь. Дроби вида (4) и называют цепными или, иначе, непрерывными дробями.

Определение цепной дроби

Введем следующее общее определение:

Всякое выражение вида

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

где Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнениймогут быть любыми действительными или комплексными числами, а также функциями от одной или нескольких переменных, называется конечной цепной (или непре­рывной) дробью. Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийназываются частными числителя­ми, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— частными знаменателями или неполными частными. В записи (1), естественно, предполагается, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЭто условие не касается а0, которое может быть равным нулю.

Для получения приближенных значений дробей используют частный вид цепных дробей, у которых все числители равны 1 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийа знаменатели — натуральные числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Форма записи (2), как и форма (1), очень громоздка; поэтому вместо (2) часто употребляются упрощенные записи, например

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Все же часто мы будем пользоваться развернутой записью (2).

Ясно, что всякая цепная дробь вида (2) выражает некоторое рациональное число. Чтобы получить выражение этого числа в виде обыкновенной дроби, надо «свернуть» цепную дробь, выполняя (начиная «с конца») все указанные операции.

Пример:

Вычислить значение цепной дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЗдесь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийВычисление будет состоять из следующих шагов:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Ответ: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Обращение конечной цепной дроби в обыкновенную — всегда выполнимая задача. На это потребуется не более чем n шагов, каждый из которых состоит в сложении двух чисел: целого числа и правильной дроби.

Представление рациональных чисел в виде конечной цепной дроби

В предыдущем параграфе было показано, что любую конеч­ную цепную дробь можно обратить в рациональное число. Пока­жем теперь, что и обратно — любое рациональное число r можно обратить в цепную дробь.

Теорема:

Всякое рациональное число можно представить в виде конечной цепной дроби.

Доказательство:

Всякое рациональное число r можно представить в виде отношения двух целых чисел Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийПри этом, не теряя общности, можно считать Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений(в противном случае изменим знаки у Р и Q). Применим к числам Р и Q алгоритм Евк­лида (см. § 1):

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

где Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений(если Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийто Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийКаждое из полученных равенств можно переписать по-другому:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Нетрудно заметить, что каждое из этих равенств можно понимать как нахождение целой части неправильной дроби; каждое из неполных частных Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпредставляет собой целую часть соответствующей дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Подставив значение дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийиз (2′) в знаменатель дроби равенства Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийполучим:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Затем значение дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, взятое из равенства (3), подставим в знаменатель дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Продолжая процесс подстановки до конца, получим:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Число частных знаменателей, которое получится при разложении заданного рационального числа в цепную дробь, заранее узнать невозможно. Оно зависит от «природы» числа. Так, мало отличающиеся «на вид» числa Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

разлагаются в цепные Дроби, имеющие разное число частных знамена­телей:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Обратите внимание на характер доказательства теоремы 1. По существу получено больше, чем требовалось. Ведь надо было лишь доказать, что любое рациональное число можно представить в виде конечной цепной дроби. Мы же не только доказали этот факт, но и указали способ построения искомой цепной дроби.

Покажем теперь, что разложение любого рационального числа в цепную дробь однозначно определено. При этом рассматриваются лишь разложения, удовлетворяющие следующему условию: последний частный знаменатель должен быть больше 1. В противном случае могут существовать и различные разложения в цепную дробь одного и того же рационального числа.

Пример:

Разложим в цепную дробь число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Последний частный знаменатель можно представить в виде Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийВ таком случае число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийможно записать в виде цепной дроби по-иному: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Получилось, что одну и ту же дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнениймы разложили в цепную дробь двумя различными способами: [1, 2] и [1, 1, 1]. Так можно поступить с любым ра­циональным числом. Например, для числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийможно получить две цепные дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Чтобы исключить двузначность в разложении рационального числа в цепную дробь, связанную с такими искусственными «удлинениями», как раз и приходится предполагать последний частный зна­менатель большим 1.

Однозначность разложения мы докажем от противного. Допустим, что число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийудалось разложить в две разные цепные дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

При этом допускается, что различны не только сами частные знаменатели, но и их количество Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений.

Мы имеем равенства:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Так как Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— натуральные числа, то Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийлежит между 0 и 1, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийИными словами, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Точно так же Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Значит, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Отсюда следует, что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Но точно так же Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийОтсюда следует Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийПродолжая процесс сравнения соответствующих частных знаменателей, получим для всех Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЕсли теперь допустить, например, что k Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

которое невозможно, поскольку Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— целое число, а Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— дробное. Точно так же доказывается, что невозможно неравенство k > s. Итак, k = s и Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийдля всех i. Однозначность разложе­ния доказана.

Подходящие дроби

Как уже говорилось, цепные дроби служат для получения приближенных значений, имеющих малые знаменатели. Эти приближенные значения получаются так: число разлагают в цепную дробь и обрывают процесс разложения на некотором шагу, заменяя смешанную дробь ее целой частью. Полу­чающиеся таким образом дроби называются подходящими дробями для данной цепной дроби. Иными словами, подходящими дробями для заданной цепной дроби

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

У цепной дроби с n частными знаменателями имеется ровно n под­ходящих дробей; последняя подходящая дробь равна данной цеп­ной дроби.

Пример:

Вычислим подходящие дроби цепной дроби [1, 2, 3, 4,]:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Чем больше номер подходящей дроби, тем утомительнее ее непосредственное обращение в обыкновенную дробь. При этом все пре­дыдущие вычисления оказываются бесполезными для дальнейшего, все приходится выполнять вновь.

Естественно искать путь вычисления подходящих дробей дан­ной цепной дроби, при котором использовались бы значения предыдущих дробей. Оказывается, для этого можно использовать так называемые рекуррентные соотношения меж­ду тремя последовательными подходящими дробями.

Вернемся к предыдущему примеру. Запишем подходящие дроби следующим образом:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Правило, по которому записаны третья и четвертая подходящие дроби, таково: в числителе записываются два слагаемых — числители двух предыдущих подходящих дробей, а в знаменателе — знаменатели предыдущих подходящих дробей, как показано ниже. И тут и там делается пропуск для множителя:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Оставленное место для множителя заполняется соответствующим частным знаменателем.

Докажем это правило в общем виде. Обозначим числитель и знаменатель i-й подходящей дроби через Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийВ этих обозначениях правило записывается так:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

(здесь I = 2, 3, . . . , n).

Доказательство ведется с помощью математической индукции по индексу i.

Проверим сперва правило для i = 2; первые три подходящие дроби имеют вид:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Отсюда следует, что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Таким образом, правило верно при i = 2.

Допустим теперь, что правило верно для i = k — 1, то есть что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Докажем, что это же правило верно и при i=k, а именно, что имеет место равенство:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Чтобы получить k-ю подходящую дробь, надо в (k — 1)-й подходящей дроби (k — 1)-й частный знаменатель Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийзаменить на вы­ражение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийСделаем эту замену и преобразуем числитель и знаменатель:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

По предположению индукции имеем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Итак, наша формула верна и при i=k. Значит, она верна при всех Иными словами, мы доказали, что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Для того чтобы формулы (3) и (4) не теряли смысла при i = 1, вводят определения Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийкоторые носят чисто формальный характер, но делают правила (3) —(4) верными и при i = 1.

Покажем, как проводится вычисление, на примере цепной дроби [2, 3, 2, 7, 4]. Вычисление удобно располагать в табличку, которую заполняют последовательно. Первые два столбика заполняют компонентами первых двух подходящих дробей (нулевой и первой под­ходящей дроби), которые вычисляются непосредственно; третий столбик заполняется компонентами второй подходящей дроби, которые находятся по правилу: числитель первой подходящей дро­би умножается на второй частный знаменатель, к полученному про­изведению прибавляется числитель нулевой подходящей дроби: так же находится и знаменатель второй подходящей дроби. Точно так же определяются числители и знаменатели последующих под­ходящих дробей. Вот последовательные шаги заполнения таб­лички:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Значит, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Свойства подходящих дробей

Полученное выше правило вычисления подходящих дробей имеет фундаментальное значение для всей теории цепных дробей. Кроме способа непосредственного вы­числения последовательности подходящих дробей, из него получается ряд важных свойств частных числителей и частных знамена­телей и подходящих дробей цепной дроби.

Рассмотрим некоторые из этих свойств.

1) Докажем, что для i =1, 2, 3, . . . , n имеет место равенство:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Доказательство проведем индукцией по индексу i.

Покажем прежде всего справедливость формулы (1) при i=1. Заметим, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийоткуда Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

откуда следует, что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

то есть формула (1) справедлива при i = 1.

Предположим, что формула (1) справедлива при i = m — 1:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Докажем, что она справедлива и при i = m, то есть что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Для этого выразим Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпо формулам (3) и (4) из п. 5 и сдела­ем соответствующие подстановки:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

В силу формулы (1′) получаем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Итак, из справедливости формулы (1) при i = m — 1 следует ее справедливость при i = m. Значит, она верна при всех значениях i.

2) Докажем, что при i = 1,2,3,… имеет место равенство:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Доказательство:

Преобразуем левую часть равенства (2) и применим свойство (1):

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Из последних двух свойств вытекает важное следствие.

3) Пoдходящие дроби цепной дроби несократимы.

Будем доказывать это утверждение от противного. Предположим, что какая-то дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийсократима. Это значит, что числитель и знаменатель дроби имеют общий множитель. Обозначим его через с; тогда Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийПодставив эти значения Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв равенство (1), мы получим:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Но последнее равенство неверно, так как левая часть делится на с, а правая — нет. Следовательно, наше предположение, что частные числитель и знаменатель Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийимеют общий множитель, не­верно.

Диофантовы уравнения первой степени

Мы знаем, что одно урав­нение с двумя неизвестными, вообще говоря, имеет бесчисленное множество решений. Однако если рассматривать такие уравнения лишь в множестве це­лых чисел, то может оказаться, что уравнение имеет лишь конечное множе­ство решений.

Например, уравнение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийимеет бесчисленное множество дей­ствительных решений. Целыми же решениями уравнения являются лишь (2, 2); (— 2, 2); (2, — 2); ( — 2, — 2).

Уравнения, для которых ищутся лишь целые решения, обычно называют диофантовыми.

Вопрос о решении уравнений в целых числах довольно сложен. Мы рас­смотрим сейчас самый простой вид таких уравнений, а именно уравнения вида

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

где а, b и с — целые числа.

Такие уравнения можно решать с помощью цепных дробей. Для примера рассмотрим

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Разложим Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв цепную дробь: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийРассмотрим разность между предпоследней и последней подходящими дробями:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Умножим обе части равенства (2) на 11:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Получилось, что х = 77 и у = — 110 являются решениями заданного урав­нения.

Нетрудно заметить, что решением того же уравнения будет любая пара чисел (х, у), следующим образом выражающихся через целый параметр t:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Этот метод всегда применим, если с делится на наибольший общий дели­тель чисел а и b. В противном случае уравнение не имеет целых решений.

Иногда ставится задача решений диофантовых уравнений в множестве натуральных чисел. Для этого нужно сначала решить его в целых числах, а потом найти значения t, при которых х и у положительны.

В разобранном выше примере для этого нужно решить в целых числах систему неравенств:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Решая ее, находим t = 3, 4, 5, . . .

Подходящие дроби и календарь

Астрономы подсчитали, что время полного оборота Земли вокруг Солнца приближенно равно 365 суткам 5 ча­сам 48 минутам 46 секундам. Если это время выразить в сутках, то получим приближенно 365,2422 суток.

Обратим дробную часть в цепную дробь:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Первые три подходящие дроби: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Первая подходящая дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпоказывает, что, считая год равным 365 дням, мы делаем ошибку на четверть суток. За четыре года получается от­ставание на одни сутки. Чтобы устранить это отставание, Юлий Цезарь в 45 году до нашей эры ввел новый («юлианский») календарь, в котором каждый четвертый год считался високосным — в феврале прибавляют один день.

Однако через столетия снова начала накопляться ошибка. Чтобы ее оценить, рассмотрим разность

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Таким образом, за каждые 132 года прибавляется лишний день (за 396 лет — 3 лишних дня).

Более точный календарь был введен папой Григорием XXII в 1582 году.

Во-первых, он выкинул в этом году 10 дней (следующий день после чет­верга 4 октября 1582 года именовался пятницей 15 октября), во-вторых, по­становил в каждые четыреста лет три високосных года обращать в простые, а один оставить високосным. При переходе нашей страны на григорианский календарь в 1918 году разница во времени уже возросла до 13 суток, что и составляет разницу между старым и новым стилем.

Приближение цепной дроби подходящими дробями

Выясним теперь характер приближения подходящих дробей к рациональному числу, разложенному в данную цепную дробь. Для этого нам понадобится следующее утверждение.

Теорема:

Пусть дана цепная дробь длины т:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

При увеличении последнего знаменателя Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийдробь увеличивается, если ее длина п четная, и уменьшается, если п нечетно.

Доказательство:

Проведем доказательство с помощью индукции по n. При n = 0 утверждение очевидно. В этом случае «дробь» имеет вид Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи увеличивается при увеличении Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений(при этом Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийможет, увеличиваясь, принимать не только целые, а любые значения).

Пусть теорема уже доказана для дробей длины k. Рассмотрим дробь длины Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЕе можно пред­ставить в виде

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

— цепная дробь длины k.

Пусть k + 1 — четное число. Тогда — дробь нечетной дли­ны k. Поэтому по предположению индукции она уменьшается при увеличении Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийНо при уменьшении Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийвыражение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийто есть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийувеличивается.

Если же k + 1 — нечетное число, то Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— дробь четной длины k и по предположению индукции увеличивается при увеличении Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийНо тогда Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийуменьшается при увеличении Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Итак, предположив, что теорема верна для n = k мы доказали ее справедливость при n = k + 1. Так как при n = 0 она верна, то она справедлива для всех значений n.

Из теоремы 2 вытекает важное

Следствие:

Всякая четная подходящая дробь не больше значения цепной дроби у а всякая нечетная подходящая дробь не меньше этого значения.

Доказательство:

Пусть дана дробь

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

— ее k-я подходящая дробь. Дробь r можно записать в виде

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Таким образом, цепная дробь r получается из подходящей дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийувеличением последнего знаменателя Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийдо значения Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийИз теоремы 2 следует, что если k— четное число, то дробь при этом увеличивается, а если k — нечетно, то она уменьшается. Значит, при четном Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийимеем: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийа при нечетном Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийимеет место Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийСледствие доказано.

Из этого следствия вытекает, что если Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийто справедливо неравенство

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Более точную информацию о характере приближения подходящих дробей Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийк числу r дает следующая

Теорема:

Имеют место неравенства

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Доказательство:

Подходящая дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийполучается из подходящей дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийзаменой частного знаменателя Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийвыраже­нием Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Так как это выражение больше Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийто при четном k подходящая дробь увеличивается, а при нечетном умень­шается. Отсюда и вытекает теорема 3.

Из теоремы 3 и следствия из теоремы 2 вытекает, что четные подходящие дроби приближаются к числу Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, монотонно возрастая и оставаясь все время не больше, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Нечетные подходя­щие дроби приближаются к Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, монотонно убывая и оставаясь все время не меньше, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. При этом равняться Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— может лишь последняя подходящая дробь. Итак, мы имеем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Знак равенства имеет место слева, если n = 2l, и справа, если n = 2l + 1.

Оценим теперь отклонение подходящей дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийот числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

По формуле (1) из п. 6 имеем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Из формул (1) и (2) следует, что

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Так как Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Видео:РЕШАЕМ ДИОФАНТОВОЕ УРАВНЕНИЕ | ПРОСТЫМИ СЛОВАМИСкачать

РЕШАЕМ ДИОФАНТОВОЕ УРАВНЕНИЕ | ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ

Бесконечные цепные дроби

Разложение иррациональных чисел в цепные дроби: До сих пор мы разлагали в цепные дроби рациональные числа. При этом процесс нахождения частных знаменателей сводился на каждом шагу к выделению целой части неправильной обыкновенной дроби.

Возьмем теперь какое-нибудь иррациональное число, например Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийАлгоритм Евклида здесь неприменим. Однако выделение целой части этого числа — вполне реальная задача. В самом деле, ясно, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийтак что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЗначит, число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпредставимо в виде Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийВо втором слагаемом уничтожим иррациональность в числителе:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Таким образом, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Выделим целую часть числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЗначит Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийможно представить в виде Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийЯсно, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпоэтому Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийСнова уничтожим иррациональность в числителе второго слагаемого:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

В итоге получилось:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Проделаем еще один аналогичный шаг:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Нетрудно заметить, что процесс выделения целой части и образования цепной дроби в данном примере не имеет конца. В каждом новом знаменателе будет появляться 4 и слагаемое Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийПо­этому ясно, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпредставляется в виде бесконечной цепной дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Мы видим, что цепные дроби являются хорошим аппаратом для вычисления квадратных корней.

Проверим, насколько полезен этот способ — как точно находится зна­чение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийс помощью цепных дробей.

Для сравнения будем брать подходящие дроби и обращать их в обыкно­венные, а затем полученные обыкновенные — в десятичные. Десятичные приб­лижения, получаемые из подходящих дробей, будем сравнивать со значени­ем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийвзятым из таблиц Брадиса Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Получилось, что уже для четвертой подходящей дроби результат приближе­ния Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпо точности не уступает значению, указанному в четырехзначной таблице значений квадратных корней. Больше того, значение той же подходящей дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийравно значению Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, указанному в пятизначной таблице. Вообще, нахождение приближений с помощью цепных дробей — мощный вычислительный аппарат.

Возьмем произвольное иррациональное число а. Выделим его целую часть и обозначим ее через Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

где Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийДалее, пусть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— целая часть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, то есть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийТогда

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

гдe Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Пусть Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийтогда

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Через n шагов получим:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

где Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— целое число, Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— натуральные числа и 0 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

для которой Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— натуральные числа ( Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийможет быть целым числом любого знака).

Построим для полученной дроби последовательность ее подходящих дробей (в отличие от случая разложения рациональных чи­сел эта последовательность бесконечна). Можно доказать, что последовательность

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

подходящих дробей сходится к разлагаемому числу а. Мы опускаем здесь это доказательство.

Подходящие дроби и наилучшие приближения иррациональных чи­сел рациональными

Мы научились изображать любые числа, как рацио­нальные, так и иррациональные, в виде цепных дробей. Выясним теперь, в чем заключаются преимущества и недостатки такого изображения.

Основное преимущество записи чисел в виде цепных дробей по сравне­нию с их записью в виде систематических (например, десятичных) дробей состоит в том, что эта запись не зависит от выбора системы счисления. Ведь неполные знаменатели получались путем выделения целой части из неправиль­ных дробей, а эта операция при любой системе счисления приводит к одному и тому же результату (конечно, с точностью до записи в разных системах счисления самих неполных знаменателей). Поэтому запись числа в виде цеп­ной дроби отражает его «существенные» арифметические свойства, а не свой­ства, связанные с выбором той или иной системы счисления.

Например, при записи рационального числа в виде систематической дроби может получиться либо конечная дробь, либо бесконечная периоди­ческая или смешанная) дробь. При записи же рационального числа в виде цепной дроби всегда получается конечная дробь, причем это характерно только для рациональных чисел. Можно доказать, что квадратичные иррациональности, и. только они, представляются в виде периодических цепных дробей. Выразить же условие того, что данное число является квадратичной ир­рациональностью, в терминах систематических дробей невозможно.

Но самое важное преимущество цепных дробей по сравнению с система­тическими заключается в том, что они дают наилучшие приближе­ния данного числа с помощью дробей, имеющих не слишком большие зна­менатели. Уточним это утверждение.

Пусть даны число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи несократимая дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Естественной мерой откло­нения Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийот Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийявляется Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Однако в теоретических вопросах оказа­лось удобнее рассматривать в качестве меры отклонения число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Ясно, что если Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнениймало, то тем более мало число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Обратное верно не всегда, так как знаменатель Q может оказаться большим числом.

Пусть число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийразложено в цепную дробь. Легко оценить отклонение подходящей дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийот Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Так как Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийлежит между Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийто имеем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Оказывается, для любой дроби, знаменатель которой не превосходит Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийотклонение больше, чем Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Иными словами, справедлива следующая

Теорема:

Если Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений— подходящая дробь для разложения числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв цепную дробь, то для любой дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийтакой, что Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийвыполняется неравенство

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Единственным исключением является подходящая дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийдля числа вида Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Доказательство этой теоремы мы опускаем.

Теорема 4 показывает, что подходящие дроби являются наилучшими приближениями для числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпо сравнению со всеми дробями, знаменатель которых не превосходит знаменателя подходящей дроби. Именно это свой­ство послужило причиной введения цепных дробей в математику и деталь­ного изучения их теории. В конце XVII века голландский математик и фи­зик Гюйгенс хотел построить модель Солнечной системы с помощью зубчатых колес. При этом возникла задача определить число зубцов так, чтобы отно­шение этих чисел для двух связанных между собой колес было по возможнос­ти близко к отношению времен Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийобращения соответствующих планет, при­чем число зубцов не должно быть слишком большим. Таким образом, встал вопрос об отыскании рациональной дроби, числитель и знаменатель которой были бы не слишком большими числами и которая наилучшим образом приближала число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. С помощью теории цепных дробей задача была решена.

Отметим, что цепные дроби как аппарат для изображения действитель­ных чисел имеют и недостатки: дело в том, что над действительными числа­ ми, изображенными в виде цепных дробей, практически трудно выполнять арифметические операции — сложение, вычитание, умножение и деление. (Попробуйте, например, сложить или перемножить дроби

[2, 1, 3, 1, 4] и [3, 2, 4, 6, 8 ],

не переводя их в обыкновенные.)

Цепные дроби как вычислительный инструмент

Рассмотрим некоторые примеры приближения иррациональных чисел подходя­щими дробями.

Начнем с числа Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийРазлагая число Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв цепную дробь, получаем: Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийНайдем подходя­щие дроби для этой цепной дроби:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

а затем составим таблицу для вычисления последующих дробей с помощью рекуррентного правила:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Получаем подходящие дроби Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Приближение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, равное Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений, было известно еще Архимеду, а приближением Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийпользовался Андриан Меций еще в конце XVI столетия. Первое приближение очень удобно тем, что знаменатель 7 очень невелик. Во второй дроби при сравнительно небольшом знаменателе 113 получается приближенное значение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийс высокой точностью.

Чтобы оценить эту точность, используем формулу

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

В нашем случае Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийМетод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

то есть точность полученного ответа превышает Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийОбращая дробь Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв десятичную, получаем:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

С помощью цепных дробей можно выполнять вычисление логарифмов при любом основании. Вычислим, например, 1g 20. Полученный результат будем сравнивать со значением 1g 20, взятым из таблицы Брадиса:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Обозначим искомое число через х; 1g 20 = х. Значит,

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Ясно, что 1 Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Последнее равенство возведем в степень Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Подставим значение Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийв равенство (2):

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Отсюда Метод цепных дробей при решении диофантовых уравненийи потому Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений. Но тогда

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений Метод цепных дробей при решении диофантовых уравнений

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

📸 Видео

Классический способ решения Диофантовых уравнений ➜ Решите уравнение в целых числах ➜ 13x-7y=6Скачать

Классический способ решения Диофантовых уравнений ➜ Решите уравнение в целых числах ➜ 13x-7y=6

Теория чисел. 6. Методы решения сравнений 1 й степениСкачать

Теория чисел.  6.  Методы решения сравнений 1 й степени

Математика. Линейные диофантовы уравнения с двумя неизвестными. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»Скачать

Математика. Линейные диофантовы уравнения с двумя неизвестными. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

Решите уравнение в целых числах 5x-4y=3 ➜ Как решать Диофантовы уравнения?Скачать

Решите уравнение в целых числах 5x-4y=3 ➜ Как решать Диофантовы уравнения?

Решение диофантовых уравненийСкачать

Решение диофантовых уравнений

Дробно-рациональные уравнения. 8 класс.Скачать

Дробно-рациональные уравнения. 8 класс.

Линейные диофантовы уравненияСкачать

Линейные диофантовы уравнения

Решите уравнение в целых числах 3x^2+5y^2=345 ✱ Диофантовы уравнения ✱ Как решать?Скачать

Решите уравнение в целых числах 3x^2+5y^2=345 ✱ Диофантовы уравнения ✱ Как решать?

Методы решения диофановых уравненийСкачать

Методы решения диофановых уравнений

ОКТЧ 22. Диофантовы приближения. Цепные дробиСкачать

ОКТЧ 22. Диофантовы приближения. Цепные дроби

ОКТЧ 6. Диофантовы приближения. Цепные дробиСкачать

ОКТЧ 6. Диофантовы приближения. Цепные дроби

Как решать Диофантовы уравнения ➜ Решите уравнение в целых числах 4x+5y=6Скачать

Как решать Диофантовы уравнения ➜ Решите уравнение в целых числах 4x+5y=6

Решение уравнений в целых числахСкачать

Решение уравнений в целых числах

Диофантовы уравнения x²+xy-y=2Скачать

Диофантовы уравнения x²+xy-y=2

Диофантовы уравнения x³-y³=91Скачать

Диофантовы уравнения x³-y³=91
Поделиться или сохранить к себе: