19
Пары чисел и действия с ними
Кандидат физико-математических наук
Н. В. ВАСИЛЬЕВ,
кандидат физико-математических наук
В. Л. ГУТЕНМАХЕР
Содержание этой статьи в основном доступно ученкам сельмого класса. Однако мы рекомендуем ее также и старшеклассика. В статье речь идет о решениях уравнения с двумя переменными в целых числах. В связи с этим рассматриваются различные правила умножения пар чисел, в том числе и умножение комплексных чисел.
- Уравнение
в целых числах
Рассмотрим уравнение
На примере этого уравнения мы продемонстрируем метод решения в целых числах линейных уравнений вида с целыми и .
Поскольку , пара чисел является решением исходного уравнения. Это решение мы нашли простым подбором.
Покажем теперь, как, имея одно решение, можно записать все остальные решения (их бесконечного много). Вычитая из уравнения равенство , получаем , или . Из последнего равенства видно, что число будет целым тогда и только тогда, когда делится на 8, то есть , где — какое-нибудь целое число. Подставляя в числитель дроби и сокращая ее на 8, получаем .
Тем самым, все целые решения исходного уравнения можно записать в таком виде:
или ;
здеся — любое целое число.
Второй вид записи будет подробно объяснен в следующем пункте, а сейчас часетим, что тем же методом по-лучается формула для всех целых решений любого уравнения (где и — взаимно простые числа):
где — какое-нибудь одно его целое решение.
Для решения предложенных ниже задач надо иметь виду следующие остояльства. Если целые числа и имеют общие делители (кроме 1 и —1), то надо разделить все целые уравнения на их наиболее общий делитель. В случае, когда не делится на него, уравнение, очевидно, не имеет целых решений, а в случае, когда делится, такие решения существует — надо только подобрать одно какое-нибудь решение и записать по формуле (*) все остальные.
Для любых чисел и имеет общий метод нахождения одного решения уравнения: этот метод основан на алгоритме Евклида (см. [1] и [5]).
Задание и
- Имеют ли следующие уравнения решения в целых числах: a) ; b) ; b) ; г) ?
Если уравнение имеет решения, то указывает одно из них и записите по общей формуле все его решения.
- Сколько решений в натуральных (целых положительных) числах имеет уравнения: a) ; b) ?
3*. Автомат делает на ленте длиной 2 м синине пометки от ее начала через каждые 7 см и красные пометки тоже от ее начала через каждые 5 см. Сколько раз сияя и красная пометки оказутся на расстоянии 1 см друг от друга?
- Пары чисел
Если уравнения с одним переменным представляют собой отдельные числа, то уравнение с двумя переменными и — это уже пары чисел. В предыдущем пункте мы показали, как из одного целого решения уравнения получать все остальные решения: надо к одному его решение — паре чисел — прибавить пару чисел , умноженную на какое-нибудь целое число. Сейчас мы придам точный смысл сложению пар чисел и умножению их на числа.
Для большей нагладности нам удобно пары чисел записывать в виде столбик ; а сами числа и будут называть соответственно первой и второй компонентами данной пары (столбика). (Не надо путь столбик с дробью !)
20
Два столька считаются равными тогда и только тогда, когда равны их компоненты:
только если
Сложить два столька — это значит сложить их компоненты:
пусть
тогда .
Так как от перемены мест слагаемых сумма чисел не меняется: , то же самое можно сказать и про стольки: . Для стольков верно также правило .
Умножить стольк на число — это значит умножить на обе его компоненты:
если то .
Особую роль, подобную той, которую для чисел играет число 0, для стольков играет нулевой стольк . Если это не приводит к путанице, то его обозначают тоже через «0». Для всякого столька верно равенство .
Казалось бы, стол же естественно ввести умножение стольк:
Для такого умножения выполнения все те же свойства, что и для умножения чисел: 1) , 2) , 3) . Роль «единицы» играет стольк .
Но в отличие от чисел, здесь не всегда возможность деление на нулевой стольк. Например, если , то не существует столька такого, что .
В конце статьи мы познакомимся с другими, как оказывается, тоже естественным и более содержательным правлом умножения пар чисел:
Это правило заменительно тем, что для него обратная операция — деление на нулевой стольк — всегда возможна.
Пара чисел , записанная не в виде столька, а в виде строчки, используется обычно для обозначения координат точки на координатной плоскости . Метод координат поэлеметрует связать алгебру с геометrienей. Так, например, уравнение соответствует прямой на координатной плоскости, а целые решения этого уравнения — точкам с целыми координатами (рис. 1). С помощью правил сложения пар чисел и умножения их на число можно записывать формулы для координат точки на прямой, например, если — две точки, то точка
— середина отрезка .
Задание и
4. Данные стольки
Найдите стольки: a) ; b) ; b) .
- Найдите числа и , удовлетворяющие равенству
Сравните результаты с 4 в).
-
a) Пусть данные точки и . Найдите координаты такой точки , что — середина отрезка . 6) Найдите координаты точки и , которые делят отрезок на три равные части.
-
Уравнение в целых числах
В первом пункте мы показали, как, исходя из одного решения уравнения , получать и записывать бесконечную серию его решения. Подобный результат мы получим и для уравнения , где — натуральное число, не являющееся полным квадратом. Но для этого потребуется свой, более сложный метод. Мы продемонстрируем его на примере уравнения
Это уравнение имеет очень решения (1; 0) и (-1; 0). Ясно, что если — решение уравнения, то и — тоже решения. Поэтому можно ограничиться поиском только положительных (натуральных) решений. Вот два таких решений: (3; 2), (17; 12) — дальней в их
21
Понсках продвинутся трудно.
Неожиданную помощь здесь оказалась играющей играционнойное число . Пользователь тождеством разложим левую часть уравнения на множители
и подставим сюда наше первое решение в натуральных числах :
Оказывается, что второе решение можно получить, если, пользователь тождеством , возвсти в квадрат число (или ):
Пара (17; 12) является вторым решение. Проверим это следующим образом. Возведем обе части верного равенства (2) в квадрат:
и получим
, или
Следующое новое решение можно получить, возвремя число в куб:
Совершенно аналогично получим . Поскольку , имеем , то есть — тоже решение уравнения
Теперь, наверное, уже ясен способ получения новых решений — надо и дальше возводить в степень, то есть если
где и — натуральные числа, то пара является решением уравнения . Можно доказать, что этот способ дает все его решения в натуральных числах.
Рассмотрим теперь более общие уравнения такого вида:
где — натуральное число, не являющееся полным квадратом.
Оказывается, что все его решения в натуральных числах получаются таким же методом. Надугадать самое меньше его решение и возводить число в степень :
(Смым меньшим решением называется такое решение , что для любого другого решения выполняется неравенство .)
Для любых чисел имеет общий метод нахождения наименьшего натурального решения, основанный на разложении чисел в целые дроби (см. [1] и [2]).
Задание 1.
7*. Найдите четые решения в натуральных числах уравнения: a) ; b) ; b) .
8 *. Докажите, что
целые числа, удовлетворяющие уравнению , a) для для любого натурального .
- Найдите все целые решения уравнения .
10*. Докажите, что уравнение не имеет решения в целых числах.
- Числа вида
Обратим внимание на то интересное обстоятельство, что числа вида с разнональными и можно естественно сопоставить пару чисел . При этом равенство двух чисел имеет место в том и только в том случае, когда .
В самом деле, пусть и ; тогда получится, что равеняемую числу , а это неверно. Следовательно, должно выполнять равенство ; но тогда из равенства сразу получаем, что .
22
Правило сложения чисел и такое же, как для стольников:
Тепер переменная числа и :
В результате мы приходим к числу такого же вида и получаем новое правило умножения для стольков с рациональными комплексами :
(3)
Если следовать такому правилу, то можно записать решение умножения так:
(возвеси стольник раз на себя).
Для правила (3) выполнен общие свойства умножения; роль единцы здесь играет стольник , так как он соответствует числу .
Оперировать с числами очень помогает интересная симметрия в множестве таких чисел: каждому числу соответствует число , которое называется сопряженным к . (Для стольников переход к сопряжному ознакомает просто изменение знака второй компоненты.)
Для операции сопряжения выполнены такие свойства:
Но самое важное — это то, что произведение сопряженных чисел уже не содержит ; — рациональное число. Это позволяет делить числа вида друг на друга, получая при этом число такого же вида. Чтобы разделить на , достаточно умножить на и разделить результат на .
Мы уже пользовались параметрами сопряженных чисел при решении умножения . Левую часть мы представили как произведение двух сопряженных чисел
Возьем теперь два числа и и сопряженные к ним и . Расмотрим произведение . Произведение вычисления в определенном порядке — сначала , потом и затем — получаем:
(4)
Если вычисление того же произведение произвести в другом порядке, то мы получим
(5)
Из равенств (4) и (5) получаем также
Из этого тоже соответствует интересная связь между целыми решениями умножения более общего вида .
Если для пары целых чисел выполнен равенство , а для пары целых чисел выполнен равенство , то пара целых чисел является решением умножения .
Все сказанное про числа вида верно и для чисел вида , где — простое число (или натуральное, не делится на квадрат). В частности, оно верно и при ; получающейся при этом тожество будет игреть центральную роль в следующем пункте.
Задачи
11. Переножьте числа .
- Разделите числа, изображенные от irrationalности в знаменателе
a) ; b) .
13*. Докажите, что произведение чисел вида , где и — целые числа, есть снова число того же вида. Найдите все такие числа меньше 100.
- Замечательное тожество и композиция Виета
Любые две пары чисел и связаны таким тожеством, известным еще Диофанту:
Оно получается из тожества (8) при и часто используется в алгебре и теории чисел. Мы рассекем здесь о другом его применении: интересном способе, позволяющим получить из двух прямоугольных треугольников новый прямоугольный треугольник с гипотенузой, равной произведению их гипотенузи.
Возьем один прямоугольный треугольник с квадратами и гипотенузой и другой — с квадратами и гипотенузой . Поскольку по теореме Пифагора
и
то жество (9) можно записать так:
23
Из этого равенства видно, что существует прямогольный треугольник с квадратами , и гипотенузой . По-видимому, это впервые заметил в XVI века французский математик Франсуа Виет (см. [7]), поэтому назовем такой способ получения из двух прямогольных треугольников нового прямогольного треугольника «композицией Виета».
Рассмотрим два одинаковых прямогольных треугольника с квадратами и положим в точдестве (9) , . Получим
Мы видим, что композиция Виета дает новый прямогольный треугольник с квадратами , и гипотенузой . Интересно, что все прямогольные треугольники с целыми (взаимно простыми) сторонами , — так называемые «пифагорвы тройки» — могут быть получены по этим формулам
где и — (взаимно простые) натуральные числа разной четности, .
Самое же необходимое заключается в том, что при композиции Виета двух прямогольных треугольников получается новый прямогольный треугольник (рис. 2), у которого угол против квадрата равен сумме углов и исходных треугольников против квадратов и (если ; если , то этот угол равен ). Таким образом, композицию Виета можно задать число геометрической. Композиция Виета двух прямогольных треугольников является прямогольный треугольник с гипотенузой . По-видимому, это впервые заметил в XVI века французский математик Франсуа Виет (см. [7]), поэтому назовем такой способ получения из двух прямогольных треугольников нового прямогольного треугольника «композицией Виета».
Рассмотрим два одинаковых прямогольных треугольника с квадратами и положим в точдестве (9) , . Получим
Мы видим, что композиция Виета дает новый прямогольный треугольник с квадратами , и гипотенузой . Интересно, что все прямогольные треугольники с целыми (взаимно простыми) сторонами , — так называемые «пифагорвы тройки» — могут быть получены по этим формулам
где и — (взаимно простые) натуральные числа разной четности, .
Самое же необходимое заключается в том, что при композиции Виета двух прямогольных треугольников получается новый прямогольный треугольник (рис. 2), у которого угол против квадрата равен сумме углов и исходных треугольников против квадратов и (если ; если , то этот угол равен ). Таким образом, композицию Виета можно задать число геометрической. Композиция Виета двух прямогольных треугольников получается newest straight line of the triangle with vertices .
Задание
- На клипописной таблице, изображенной в древнем Вавилоне примерно 1500 лет до н. э., среди других пифагоровых треугольников указан такой: 4961, 6480, 8161. Каким и в формулах (10) он соответствует?
15*. Найдите cos , используя композицию Виета для двух прямогольных треугольников с углами и .
- В пифагорных треугольках со стороны 5, 12, 13 и 7, 24, 25 гипотенуза на 1 большие одного из катетов.
a) Найдите еще два таких пифагоровых треугольника.
b) Найдите общую формулу для сторона таких треугольников.
b) Укажите среди них треугольники, у которых гипотенуза есть полный квадрат (как у треугольника 7, 24, 25=5²).
- Комплексные числа
В предыдущих пунктах мы с помощью чисел видна пришли к точдеству (8), которое оказывается верным при любом . Затем мы положили в этом точдеству ; при этом сами выражения потеряли смысл, так как среди чисел нет — ведь квадрат любого числа является неотрицательным числом. Тем не менее оказывается целесообразным в употребление новое «минимое» число, квадрат которого равен -1. Его обозначают буквой (от латинского слова imaginary — миный, воображаемый).
Выражение вида , где и — общчные числа, называют компплексными числами. Два компплексных числа, по определению, равны тогда и только тогда, когда равны их комппONENTы:
24
, только если и .
Сложение и умножение комплексных чисел производится аналогично тому, как они производились для чисел вида с разциональными и . Однако здесь и могут быть любыми числами, а . В результате этих операций мы снова получаем выражение вида :
Мы видим теперь, откуда взялось умножение (1) стольков, которое мы указали в пункте 2. Это умножение по существу уже обсуждалось в предыдущем пункте — как композиция Виета двух прямоугольных треугольников с катетами и .
Особую роль играют нулевое комплексное число , единица и миная единица . Заметим, что если какая-нибудь компонента или комплексного числа равна нулю, то соответствующее часть комплексного числа при записи опускают.
В мире комплексных чисел можно делить на любое число, отличное от нуля . Вычисляя частное двух чисел, удобно умножить оба эти числа на сопряжение число к делению :
Комплексные числа возникли впервые в алгебре, в задачах о решении алгебраических уравнений треугольей и более высокой степени. Однако применения комплексных чисел охватывают едва ли не все основные области математики и физики — геометрию, теории чисел, математической анализ и теории вероятностей, расчет электрических целей, гидродинамику и квантовую механику.
Мы получили комплексные числа как пары действительных чисел, определяв для них умножение правилом (1), удовлетворяющее естественным условиям — коммутативности, ассоциативности, дистрибутивности. Для математики интересна задача классификации всех таких пары. Оказывается, все они укладываются в общую схему: пары записываются в виде «обобщенных комплексных чисел» и в вычислениях заменяется на — фиксированные числа, см. задачу 19); здесь возможно три существенного различных слугая (которым можно свести остальные):
(к этому типу относится подробно изученное нами правило ); (2) (любопытно, что соответствующее правило умножения, записанное для столбков):
— это перевернуть правило сложения дробей
и, наконец, (3) — настоящие комплексные числа.
Задание и
-
Будем изобразать комплексное число точкой на координатной плоскости. Пусть , . Найдите a) ; 6) ; b) ; г) и изобразите все эти числа на координатной плоскости.
-
Пусть , . Найдите a) ; 6) .
19*. Пусть и — два фиксированных числа. Зададим умножение на парах чисел (все, а не только рациональных) формулой
(Это правило соответствует умножению «обобщенных комплексных чисел» , где .) a) Проверьте, что для этого умножения выполнен основные свойства 1) — 3) из пункта 2. b) Какая пара играет роль единицы? b) При каких и для любой пары , отличной от , существует такое , что ? r) При каких и существует такая пара , что ? 20. Зададим умножение пар чисел так: каждой пар чисел соответствует линейная функция , а произведение на соответствует композиция функции и , то есть подстановка первого во вторую , или
Какие из следующих законов выполнен для этого умножения: , , , ?
Список дополнительной литературы
- Гельфонд А. О. Решение уравнений в целых числах. М.: Наука, 1983. — (Популярные лекции по математике, вып. 8).
- Нестеренко Ю. В., Никшин Е. М. Очерк о целых дробях. Квант, 1983, № 5, 6.
- Вагутен Н. Сопряженные числа. Квант, 1980, № 2.
- Ашманов С. Числа и многочлены. Квант, 1980, № 2.
- Заочные математические алгебры. М.: Наука, 1981.
- Понтрягин Л. С. Комплексные числа. Квант, 1982, № 4.
- Башмакова И. Г. Становление алгебры. М.: Знание, 1979.