Квант

38

Этому виду задач более 1600 лет

Б. А. Кордемский

Менялась фабула и форма записи задачи, накапливались способы решения, но суть оставалась неизменной: найти целые (чаще натуральные) xx и yy, удовлемворюшение уравнения
ax+by=cax + by = c
(1)
с. заданных целыми коэффициентами aa, bb и cc.

Может быть, cc — это 1001 сказка Шехерезды, а нас интересует, сколько ночей потребуется Шехерезде, чтобы рассказыть все свои сказки, если xx ночей она будет рассказывать по 5 сказок, а остальные сказки по 3 за yy ночей.

Сказочные, очевидно, потребуется x+yx+y ночей, где xx и yy — натуральные корни уравнения 5x+3y=10015x+3y=1001.

А может быть, cc — это 10 pp. 01 κ\kappa., которые некоют израсходовал на xx поездок автовусом (по 5 копеек за рейс) и yy поездок трамваем (3 копейки за рейс). Ответ на вопрос, сколько совершено поездок, заложен в том же уравнения 5x+3y=10015x+3y=1001.

Корни этого уравнения рассказывают также и о тех точках на прямой

Рис. 1.

5x+3y=10015x+3y=1001 (см. рисунок), обе координаты которых — натуральные числа (или целые — в какой-нибудь другой задаче).

Уравнения, в которых из множества решений выделены только целочисленные значения неизвестных, часто называют диофантовым в честь значенного математика II—III веков и э. Диофанта из Александрии.

Вопросы теории, связанные с условиям существования целочисленных, в частности, натуральных решений уравнения вида ax+by=cax+by=c, рассмотрены в статье В. Н. Вагутена «Алгоритм Евклида и основная теория арифметики» («Квант» № 6, 1972). Мы этой теорией занимаемся не будем, а присутствим к решению конкретного уравнения 5x+3y=10015x+3y=1001, чтобы показать на этом примере разнообразные приемы, помогающие отыскать целочисленные решения уравнения *).

Решение способом «изобретательного школьника»

Делим обе части уравнения 5x+3y=10015x+3y=1001 на меньший коэффициент: 53x+y=10013\frac{5}{3}x+y=\frac{1001}{3}; справа и следваем целые части:
x+23x+y=333+23;x+\frac{2}{3}x+y=333+\frac{2}{3};
x+y+2(x−1)3=333.x+y+\frac{2(x-1)}{3}=333. (2)

Так как xx и yy целые, то должно быть целым и x−13\frac{x-1}{3}; полагаем x−13=t\frac{x-1}{3}=t; тогда x=3t+1x=3t+1. Подставляя в (2), получаем
3t+1+y+2t=333;y=332−5t.3t+1+y+2t=333; y=332-5t.

В упомянутой статье В. Н. Вагутена доказывает, что полученные для xx и yy выражения являются «обшимми решениями», то есть содерж_

*) Напомним только, что существование целочисленных решений уравнения (1) гарантирует условия НОД (a,b)=1a,b)=1, так что уравнение 5x+3y=10015x+3y=1001 имеет решения в целых числах.

39

жат в себе все целочисленные решения данного уравнения.

Придавая параметру tt значения t=0,1,2,…,66t = 0, 1, 2, \dots, 66, найдем 67 пар возможных натуральных корней данного уравнения.

Тепер предположим дополнительно, что Шехерезада хотела бы распределить свою тысячу и одну сказку между как можно большем числом ночей *). Этому требованию удовлетворяет max (x+y)(x + y) — наиболее из сумм пар корней уравнения. Имеем x+y=333−2tx + y = 333 - 2t; очевидно, max (x+y)(x + y) достигается при t=0t = 0.

Итак, Шехерезада расскажет свои сказки самое большее за 333 ночи, если 332 ночи будет рассказывать по 3 сказки и только одну ночь — 5 сказок. Она может сократить срок своей «работы» и довести его до 201 ночи, если только 2 раза (при максимальной возможности изобретательного школьника), вы получили x+y+4y−13=77x + y + \frac{4y - 1}{3} = 77. Как теперь надо расчудать и действовать, чтобы подхождение образом выражить сначала yy, а затем xx через целое tt?

Решение способом «изобретательного математика» **)

Для уравнения ax+by=cax + by = c порядок действия таков: найти остаток mm от деления aa на bb (пусть a>ba > b) и остаток nn от деления cc на bb; если n=0n = 0, то получаем сразу x=btx = bt, y=cb−aty = \frac{c}{b} - at, t=0,±1,±2,…t = 0, \pm 1, \pm 2, \dots;

*) Разумеется, при условии, что каждую ночь она рассказывает либо три, либо пять сказок.
**) Изобретатель способа Taylor L. F., «Numbers», London, 1970 не дал ему названия.

если n≠0n \neq 0, то умножить mm последовательно на 1, 2, …, (b−1)(b - 1) и выписать последовательность остатков от деления этих произведений на bb. В полученной последовательности будет число nn (если его не будет, то и целочисленные решения уравнения не будет). Номер места, занимаемого числом nn в последовательности остатков, и есть одно из возможных значений xx.

Приименим этот способ к уравнению 5x+3y=10015x + 3y = 1001. Имеем: m=2m = 2, n=2n = 2, умножаем m=2m = 2 на каждый член последовательности {1; 2}, получаем {2; 4}; делим на 3 и выписываем остатки: {2; 1}. Замечаем, что число n=2n = 2 занимает в этой последовательности остатков первого места, следовательно, x=1x = 1. Этим определяется и соответствующее значение y=332y = 332.

Легкий и вполне общий способ решения в целях числа линейных неопределенных уравнений с двумя неизвестными!

Но «способ изобретательного математика», в отличие от предыдущого приема, дал нам всего лишь одну пару корней: (1; 332). Дефект способа? Отнюдь нет. Расмотите формулы «общего решения» задачи, полученные «способом школьника»: x=1+3tx = 1 + 3t, y=332−5ty = 332 - 5t.

《Частные решения》 x0=1,y0=332x_0 = 1, y_0 = 332 одинаковы в общих способах, а коэффициенты при tt (3 и 5) определяются коэффициентами решения уравнения: 3=b;−5=−a3 = b; -5 = -a. И это не случайное совпадение, а закономерность: если (x0,y0)(x_0, y_0) — какое-либо целое решение уравнения ax+by=cax + by = c, причем aa и bb взаимно просты, то все его целые решения определяются формулами: x=x0+btx = x_0 + bt, y=y0−aty = y_0 - at, t=0,±1,±2,…t = 0, \pm 1, \pm 2, \dots.

Решение «способом сравнения по модлю»

Это приятный и часто самый быстрое способ отискания целочисленных решения уравнения ax+by=cax + by = c.

Для нашей целого достаточно напомнить, что утверждение a≡ba \equiv b (mod mm)

40

эквивалентно тому, что a−ba-b делится на mm, или a=b+kma=b+km (a,ba, b и kk — целые, mm — натуральное).

Далее, если a≡ba \equiv b (mod mm), то верно, что a≡b+kma \equiv b+km (mod mm), где kk — любое целое число ∗^*). Пусть, например, 3x≡23x \equiv 2 (mod 5), тогда 3x≡2+2⋅53x \equiv 2+2\cdot 5 (mod 5), 3x≡123x \equiv 12 (mod 5) и x≡4x \equiv 4 (mod 5).

Заметим, что деление обеих частей сравнения по modulo mm на общий множитель qq допустимо лишь в том случае, когда qq и mm — взаимно простые числа.

Предварительно пример. Пусть требуется решить сравнение 11x≡211x \equiv 2 (mod 23). Непрактично прибавлять к правой части по 23 до получения числа, кратного 11. Надо искать более низший путь. Пригоден, например, такой: написать, что 22x≡422x \equiv 4 (mod 23), затем из левой части вычесть 23x23x; получим −x≡4-x \equiv 4 (mod 23), x≡−4x \equiv -4 (mod 23) и, наконец, x≡19x \equiv 19 (mod 23).

Для решения уравнения 5x+3y=10015x+3y=1001 «способом сравнения по modulo» действовать надо так: 3y=1001−5x;3y=10013y=1001-5x; 3y=1001 (mod 5). Так как 1001=200⋅5+11001=200\cdot 5+1, то 3y≡13y \equiv 1 (mod 5), или 3y≡63y \equiv 6 (mod 5); y≡2y \equiv 2 (mod 5), следовательно, y=2+5ky=2+5k (k=0,±1,±2,…k=0, \pm 1, \pm 2, \dots). Легко видеть, что это решение эквивалентно раннее получению

y=332−5t (t=0,±1,±2,… ).y=332-5t \ (t=0, \pm 1, \pm 2, \dots).

Решение «способом сравнения по modulo» действовать надо так: 3y=1001−5x;3y=10013y=1001-5x; 3y=1001 (mod 5). Так как 1001=200⋅5+11001=200\cdot 5+1, то 3y≡13y \equiv 1 (mod 5), или 3y≡63y \equiv 6 (mod 5); y≡2y \equiv 2 (mod 5), следовательно, y=2+5ky=2+5k (k=0,±1,±2,…k=0, \pm 1, \pm 2, \dots). Легко видеть, что это решение эквивалентно раннее получению

y=332−5t (t=0,±1,±2,… ).y=332-5t \ (t=0, \pm 1, \pm 2, \dots).

*) Много полезных сведений о сравнения целых чисел по modulo приведено в статьях А. А. Егорова «Сравнение по modulo и арифметике остатков» («Квант» № 5, 1970), М. И. Башмакова «Нравится ли вам возить с целыми числами» («Квант» № 3, 1971) и уполмунуто выше статьев В. Н. Вагутена.

уравнения, в «целину»:

ab=[a0;a1,a2,…,an],\frac{a}{b} = [a_0; a_1, a_2, \dots, a_n],

вычислить числитель и знаменатель предпоследней «подходящей» дроби Pn−1Qn−1\frac{P_{n-1}}{Q_{n-1}} непосредственно или пользову рекуррентными формулами

Pk+1=Pk⋅ak+1+Pk−1;P_{k+1} = P_k \cdot a_{k+1} + P_{k-1};

Qk+1=Qk⋅ak+1+Qk−1,Q_{k+1} = Q_k \cdot a_{k+1} + Q_{k-1},

где P0=a0P_0=a_0, Q0=1Q_0=1 и P1=a0⋅a1+1P_1=a_0 \cdot a_1+1 и Q1=a1Q_1=a_1, k=0,1,2,…k=0, 1, 2, \dots.

Решение задачи завершается применением готовых формул*), представляющих общее решение данного уравнения

{x=(−1)n−1⋅c⋅Qn−1+b⋅t,y=(−1)n⋅c⋅Pn−1−a⋅t,t=0;±1;±2,… .\begin{cases} x = (-1)^{n-1} \cdot c \cdot Q_{n-1} + b \cdot t, \\ y = (-1)^{n} \cdot c \cdot P_{n-1} - a \cdot t, \\ t = 0; \pm 1; \pm 2, \dots. \end{cases}

Обратимся к уравнению 5x+3y=10015x+3y=1001 в последний раз. Проделаем подробно превращение числа 53\frac{5}{3} в цепную дробь:

−53∣31∣…a0=1,\frac{-5}{3} \left| \frac{3}{1} \right| \dots a_0=1,

−32∣21∣…a1=1,\frac{-3}{2} \left| \frac{2}{1} \right| \dots a_1=1,

22∣12∣…a2=2,\frac{2}{2} \left| \frac{1}{2} \right| \dots a_2=2,

откуда 53=[1;1,2]\frac{5}{3} = [1; 1, 2]. Составим «подходящей» дроби

P0Q0=a01=1;P1Q1=a0+1a1=21;\frac{P_0}{Q_0} = \frac{a_0}{1} = 1; \quad \frac{P_1}{Q_1} = a_0 + \frac{1}{a_1} = \frac{2}{1};

P2Q2=a0+1a1+1a2=53\frac{P_2}{Q_2} = a_0 + \frac{1}{a_1 + \frac{1}{a_2}} = \frac{5}{3}

(последняя подходящая дробь не нужна, кроме того, она всегда равна дан-

*) Вывод этих формул можно найти в специальных пособиях, или, например, в книге «Энциклопедия элементарной математики», книга первая, 1951 (статья А. Я. Хинчина «Элементы теории чисел»). О цепных дробях расссказано также в статье Н. М. Бескина «Цепные дроби» («Квант» № 1, 1970).

41

ной дроби; мы выполнили вычисление только для наполнения способа неопределенного составления «подходящих» дробей).

Так как здесь n=2n = 2, то числитель Pn−1P_{n-1} и знаменатель Qn−1Q_{n-1} предпоследней «подходящей» дроби равны соответственно

Pn−1=P1=2;Qn−1=Q1=1.P_{n-1} = P_1 = 2; \quad Q_{n-1} = Q_1 = 1.

Все готово к применению формул (3): x=−1⋅1001⋅1+3t,y=1⋅1001⋅2−5t,t=0,±1,±2,…x = -1 \cdot 1001 \cdot 1 + 3t, y = 1 \cdot 1001 \cdot 2 - 5t, t = 0, \pm 1, \pm 2, \dots.

Окончательно, x=−1001+3t,y=2002−5t,t=0,±1,±2,…x = -1001 + 3t, y = 2002 - 5t, t = 0, \pm 1, \pm 2, \dots.

По виду решения как будто опять получился иной результат, не сохранив с предыдущими, но легко обнаружить его эквивалентность всем предыдущим записям общего решения рассматриваемого уравнения. Так, x=1x = 1 и y=332y = 332 получаются отсюда при t=334t = 334. Тепер решим еще одну задачу.

После корабlekрушения

Пять моряков высадились на остров и к вечеру собрали кучу кокосовых орехов. Дележ отложили на утро. Один из них, проснулись ночь, пересчитал добцыч, угостил одним орехом мартышку, а из остальных орехов взял себе точно 15\frac{1}{5} часть, после чего вновь лег спать и быстро уснул. За ночь так же поступили один за другим и остальные моряки; при этом каждый не знал о действиях своих предшественников. Наутро они поделили оставшиеся орехи поровну, но для мартышки в этот раз лишнего ореха не осталось. Сколько орехов собрали моряки?

Решение. Обозначим искомое число орехов через xx. Выражая последовательные действия моряков уравнениями, получаем x=5a+1;4a=5b+1;4b=5c+1;4c=5d+1;4d=25y+1x = 5a + 1; 4a = 5b + 1; 4b = 5c + 1; 4c = 5d + 1; 4d = 25y + 1 (обдумайте смысл предлагаемых уравнений).

Эта система сводится к одному неопределенному уравнению

256x=2101+15625y.256x = 2101 + 15625y.

Выстрое решение в целых числах этого громоздкого уравнения будет приятной наградой за терпельное ознакомление с предложенными четырьмя способами — можно выбрать из них наиболее эффективный для данной задачи. Ответ в этой задаче таков: x=3121x = 3121 — наиболее из возможных натуральных значений xx.

Заметание. В книге М. Гарднера «Математические головоломки и развлечения» («Мир», 1971), в котором есть эта задача, написано, что она «принадлежит к числу наиболее часто решаемых, но наиболее поддающихся решению диофантовых головоломок» (стр. 234). Когда эта задача в 1926 году появилась в одной газете (без решения и ответа), то 20 лет после этого не прекрашался поток писем в газету либо с просьбой сообщить ответ, либо с вариантом собственных решений.

Уражения

  1. Найти целые решения уравнения 10x+21y=2310x + 21y = 23 каждим из описанных способов.
  2. Найти двузначное число, у которого увоссмереенное число единиц на 13 меньше утроенного числа десятиков.
  3. Некоторые числа экскурсантов, размещенных поровну в 5 автобусах (каждый автовосвяает не более 54 человек), были доставлены на вокзал. Там к ним присоединились еще 7 человек, и все экскурсанты распределились поровну в 14 варонах. Сколько всего было экскурсантов?
  4. Имеются ли на пример 13x−5y+96=013x - 5y + 96 = 0 точки с целыми координатами, не превосходящими по абсолотной величины число 10?
  5. Пусть nn — натуральное число. Найти целые решения уравнения

nx+(n+1)y=2n+1.nx + (n + 1)y = 2n + 1.

  1. Надо разлить 15 л жидкости в бутылки emкостью в 0,5 л и 0,8 л так, чтобы все использованные бутылки были полными. Сколько потребуется бутылей той и другой emкости?
  2. Доказать, что при любом нечетном xx выполняется сравнение x2≡1x^2 \equiv 1 (mod 8), то есть квадрат любого нечетного целого числа при делении на восемь дает в остатке единицу.