13
имеет вид
где — угловой коэффициент прямой.
Таким образом, координаты точки будут удовлетворять системе уравнения
Решим эту систему относительно и . Подставляя значение из второго уравнения в первое уравнение системы, получим
или
Если удовлетворяет последнему уравнению, то является абсциссой точки пересечения прямой с окружностью , т. е. либо , либо . Из теоремы Виета следует, что
откуда
Поскольку точка лежит на прямой ,
Посление две формулы каждой числу ставят в соответствие точку
лежащую на окружности . Обратно, каждой точке , лежащей на окружности , соответствует одно и только одно значение углового коэффициента :
Заметим здесь, что если — рациональное число, то точка определяем формулой (6), имеет рациональные координаты, и обратно, если и рациональные, то в силу формулы (7) рациональное. Таким образом,
между точками с рациональными координатами окружности единного радиуса (за исключением точки ) и рациональными точками вещественного прямой установлен взаимно однозначное соответствие.
Заставляя величины пробегать все рациональные значения интервала от до , мы переберем все точки с рациональными координатами на окружности единного радиуса (за исключением точки ) и тем самым найдем все примитивные решения задачи Пифогора.
Приведем соответствующие формулы. Пусть , НОД . Тогда из формулы (6) следует, что
Мы вновь получили, по существу, формулы (*)! Чтобы получить тот же результат в точности, осталось немного повозиться с четырьмя.
В случае разной четности и формула () соответствует примитивной пифогородной тройке . Если же и одновременно нечетные, то, переходя к новым переменным , НОД , получим . После сокращения на 2 в () получим
Заметим, что формула (8) отличается от формула () перестановкой и . Если оказется, что и оба нечетны, то перейдем к переменным , НОД и т. д. В итоге получим либо формулу типа (), либо формулу типа (8), в которых и имеют разную четность, НОД . Таким образом, примитивное решение, соответствующее рациональной точке , задается либо формулу типа (), либо формулу типа (8), в которых и — взаимно однозначного соответствия между примитивными решениями уравнения Пифогора и рациональных точками окружности (исключая точку ) из формула () и (8) следует утверждение (*).
14
Рациональная параметризация конечных секений
Для нахождения рациональных точек, лежащих на окружности с уравнением , мы выведили формулу (6). Она устанавливает взаимно однозначное соответствие между параметром , принимающим всевозможные действительные значения, и точками окружности (за исключением точки ), причем координаты точек, лежащих на окружности, являются рациональными функциями от . Возникает вопрос: можно ли аналогичным образом задавать точки, лежащие на других кривых, скажем на эллипсе, параболе или гиперболе? (Эллипс, парабола и гипербола являются конечными секениями; отсюда называется этого раздела.)
Для ответа на этот вопрос рассмотрим кривую на плоскости, заданную уравнением , где — квадратный многочлен от и от . Точки, лежащие на параболе, эллипсе и гиперболе, как раз удовлетворяют такого рода соответствию. Пусть — какая-нибудь фиксированная точка такой кривой. Проведем через эту точку прямую с угловым коэффициентом, равным (рис. 3). Будем искать точки пересечения кривой и прямой. координаты этих точки удовлетворяют системе уравнения
Решая эту систему относительно так же, как мы это делали раньше для окружности, выразим координаты второй точки пересечения
прямой с кривой через параметр . Легко проверить, что получится выражение вида
где — многочлены степени не выше 2 от параметра . Эта формула задает рациональную параметризацию кривой , т. е. выражает координаты точки на кривой через рациональные функции от одного параметра .
Формула (*), как и формула (), позволяет нахождение целые точки на кривой . Однако сейчас нас интересует другое — совсем неожиданное — применение этой формулы, к которой мы переходим.
Применение к вычислению интегралов
Оказывается, что такие безнадежные с виду интегралы, как
берутся, если воспользоваться рациональным параметризацию подходящие выбранной кривой. Именно, если в данной случае взять кривой
заметить, что точка лежит на кривой
и рассмотреть всевозможные прямые
то получится следующая параметризация (проделяйте выкладки самостоятельно!):
Тогда , и поэтому (после сокращения) получим
Послений интеграл уже легко вычислить: