不定方程

不定方程【知识精要】形如x+y=4，x+y+z=3，yx11=1的方程叫做不定方程，其中前两个方程又叫做一次不定方程．这些方程的解是不确定的，我们通常研究（1）不定方程是否有解？（2）不定方程有多少个解？（3）求不定方程的整数解或正整数解．对于二元一次不定方程问题，我们有以下两个定理：定理1．二元一次不定方程ax+by=c，（1）若其中（a，b）c，则原方程无整数解；（2）若（a，b）=1，则原方程有整数解；（3）若（a，b）｜c，则可以在方程两边同时除以（a，b），从而使原方程的一次项系数互质，从而转化为（2）的情形．如：方程2x+4y=5没有整数解；2x+3y=5有整数解．定理2．若不定方程ax+by=1有整数解00yyxx，则方程ax+by=c有整数解00cyycxx，此解称为特解．方程方程ax+by=c的所有解（即通解）为akcyybkcxx00（k为整数）．对于非二元一次不定方程问题，常用求解方法有：（1）恒等变形．通过因式分解、配方、换元等方法将方程变形，使之易于求解；（2）构造法．先利用恒等式构造一些特解，再进一步证明不定方程有无穷多组解；（3）估算法．先缩小方程中某些未知数的取值范围，然后再求解．【例题精讲】一二元一次不定方程例1．求方程4x+5y=21的整数解．解：因为方程4x+5y=1有一组解11yx，所以方程4x+5y=21有一组解2121yx．又因为方程4x+5y=0的所有整数解为kykx45（k为整数），所以方程4x+5y=21的所有整数解为kykx421521（k为整数）．说明：本题也可直接观察得到方程4x+5y=21的一组特解51yx，从而得到4x+5y=21的通解kykx4551（k为整数）．练习1．求方程5x+3y=22的所有正整数解．解：方程5x+3y=1有一组解为21yx所以方程5x+3y=22有一组解为4422yx又因为5x+3y=0的所有整数解为kykx53，k为整数所以方程5x+3y=22的所有整数解为445223kykx，k为整数由04450223kk解得544322kk，所以k=8，原方程的正整数解为42yx．说明：由此题可见，求不定方程的正整数解的方法是先求不定方程的所有整数解（通解），然后再求其中的正整数解．这通常需要解不等式组求出通解中k的取值范围．若一次不定方程的特解不易观察得出，我们可以用辗转相除法求特解．下面通过例题说明这种方法．例2．求方程63x+8y=－23的整数解．解：（1）用x、y中系数较大者除以较小者．63=8×7+7．（2）用上一步的除数除以上一步的余数．8=7×1+1（3）重复第二步，直到余数为1为此．（4）逆序写出1的分解式．1=8－7×1=8－（63－8×7）×1=8－63+8×7=8×8－63．（5）写出原方程的特解和通解．所以方程63x+8y=1有一组特解81yx，方程63x+8y=－23有一组特解23823yx，所以原方程的所有整数解为kykx63238823，k为整数．练习2．求方程37x+107y=25的整数解．解：107=2×37+3337=1×33+433=4×8+1所以1=33－4×8=33－（37－1×33）×8=37×（－8）+33×9=37×（－8）+（107－2×37）×9=107×9+37×（－26）所以方程37x+107y=1有一组整数解为926yx，原方程的所有整数解为kykx372591072526，k为整数．二多元一次不定方程（组）的整数解多元一次不定方程的整数解问题可转化为二元一次不定方程来求解．下面通过例题进行说明．例3．求方程12x+8y+36z=100的所有整数解．解：原方程可化为3x+2y+9z=25．将①分为25923zttyx②的一组解为tytx，所以②的所有整数解为1132ktyktxk1为整数．③的一组解为27zt，所以③的所有整数解为22297kzktk2为整数．将⑥代入④⑤，消去t得，212122397297kzkkykkx（k1，k2为整数）．练习3．一个布袋中装有红、黄、蓝三种颜色的大小相同的小球，红球上标有数字1，黄球上标有数字2，蓝球上标有数字3．小明从布袋中摸出10个球，它们上面所标数字之和等于21，则小明摸出的球中红球个数最多为几个？解：设红、黄、蓝球各摸出x、y、z个，则213210zyxzyx)2()1(②③④⑤⑥⑦（2）－（1）消去x得y+2z=11（3）（3）的通解为kzky521，k为整数．所以x=10－y－z=4－k，当k=0时，x最大，此时y=1，z=5．所以小明摸出的球中红球个数最多为4个．三其他不定方程例4．求不定方程2111yx的正整数解．解：原式变形为2x+2y=xy，即（x－2）（y－2）=4所以2222yx或1242yx或4212yx解得44yx或36yx或63yx．练习4．求方程x2－y2=105的正整数解．解：（x+y）（x－y）=105=3×5×7所以1105yxyx或335yxyx或521yxyx或715yxyx解得5253yx或1619yx或813yx或411yx．例5．求方程y2+3x2y2=30x2+517的所有正整数解解：原方程可变形为y2+3x2y2－30x2－10=517，即：（y2－10）（3x2+1）=3×13×13．由于3（3x2+1），所以3｜（y2－10）．又因为3x2+11，所以y2－100，经实验可知y2－10=39，3x2+1=13．所以x=2，y=7．说明：本题虽然简单，但也综合运用了恒等变形、估算等多种方法．练习5．求证方程x3+113=y3没有正整数解．解：假设方程有正整数解，则由x3+113=y3得（y－x）（y2+xy+x2）=113．由于yx，y11，所以y2+xy+x2112，于是y－x=1，y2+xy+x2=113．所以（x+1）2+x（x+1）+x2=3x2+3x+1=113=1331，即3（x2+x）=1330．这与31330矛盾，所以原方程没有正整数解．例6．求方程x+y=x2－xy+y2的全部整数解．解：将原方程看成关于x的一元二次方程：x2－（y+1）x+（y2－y）=0．若此方程有解，则△=（y+1）2－4（y2－y）≥0，即3y2－6y－1≤0．解得：1－3321332y，所以y=0，1或2．将y的值代入原方程可解得：00yx，01yx，10yx，12yx，21yx，22yx．练习6．求方程x2+y2=2x+2y+xy的所有正整数解．解：将原方程看成关于x的一元二次方程x2－（y+2）x+（y2－2y）=0．若此方程有整数解，则△=（y+2）2－4（y2－2y）为完全平方数．又因为△=－3（y－2）2+16[0，16]，所以△=0，1，4，9或16．解得y=2或4．代入原方程解得24yx，42yx或44yx．例7．求方程x6+3x3+1=y4的整数解．解：（1）当x0时，x6+2x3+1y4x6+4x3+4，即（x3+1）2y4（x3+2）2所以x3+1y2x3+2，而x3+1与x3+2为两个相邻整数，中间不可能有其他整数，这说明x0不成立．（2）当x=0时，y4=1，y=±1．（3）当x=－1时，y4=－1，y无实数解．（4）当x≤－2时，x3+20，所以x6+4x3+4y4x6+4x3+1，即（x3+2）2y4（x3+1）2所以－（x3+2）y2－（x3+1），与（1）类似可证x≤－2不成立．综上所述，10yx或10yx．说明：本题先将原方程变形，利用不等式缩小x的取值范围，再进行求解．练习7．求方程x2+x=y4+y3+y2+y的整数解．解：原方程可变形为4x2+4x+1=4y4+4y3+4y2+4y+1．∴（2x+1）2=（2y2+y）2+3y2+4y+1=（2y2+y）2+2×（2y2+y）+1+（－y2+2y）=（2y2+y+1）2+（－y2+2y）（1）当02014322yyyy，即当y－1或y2时，（2y2+y）2（2x+1）2（2y2+y+1）2而2y2+y与2y2+y+1为两相邻整数，所以此时原方程没有整数解．（2）当y=－1时，x2+x=0，所以x=0或－1．（3）当y=0时，x2+x=0，所以x=0或－1．（4）当y=1时，x2+x=4，此时x无整数解．（5）当y=2时，x2+x=30，所以x=－6或5．综上所述：10yx，11yx，00yx，01yx，26yx，25yx．说明：本题与例7的解法基本思想相同，但各种条件更隐蔽，需要较高的洞察力．