11.2.1 解法分类

11.2.1 解法分类

不定方程与同余式等价合称不定分析式。

介绍不定分析式解分类之前,先划分一下数的范畴和式的范畴。

1 数的范畴

整数对a,b,属于数的范畴。

整数对现象中,辗转相除各量错综,序列值计算繁杂,都属于整数范畴。

两个整数,前一除法的除数、余数,转换为后一除法的被除数、除数,形成迭代。

反复进行迭代,形成辗转相除。迭代是辗转相除法的灵魂。

随着辗转相除的进行,带余除法的商(q)的含义也会逐渐变化,从除数(b)的倍数、除数(b)个数的统计值,直到前除数(b)对后除数(r1)的近似折算率。

迭代过程中除数个数的累积统计值,称作序列。

序列的本原,是二除法的除数1。中国人称为天元一。

2 式的范畴

以整数对a,b作系数,添加上常数c,形成二元一次不定方程,相关的一次同余式,都属于式的范畴。

辗转相除过程中,被除数和除数,连同参与辗转相除的常数、所引入的新变量,可整理成一系列不定方程。系数随着辗转相除而逐步缩小,即系数不断下降,形成一系列降系数不定方程。

可以这样定义:迭代后形成的不定方程是迭代前不定方程的降系数不定方程。

这些降系数不定方程之间,常数前正负号交替,常数的绝对值不变。

3 解法分类

最有趣的解法是杜德利(Dudley,U.)《基础数论》中的原路折返解法。从辗转相除所得最大公约数出发,回过头来,直接用各个辗转相除的数据,一步步消去。最后,形成最大公约数,与原整数对x,y乘积之差。再与原最大公约数式子比较,就得到x值和y值。

求解法主要分成两大类。

第一大类,限定常数为1,利用两系数的序列值解法,再利用解的依赖性,扩展到一般不定分析式。

传统历法流行千年的大衍求乘率术,和1801年高斯的不定分析序列值解法,都属于序列值解法。

1247年的大衍求一术,直接限定常数为1。

第二大类,把两系数与常数一并考虑,分成三个阶段。

第一阶段,依靠辗转相除。第二阶段,到某个式子,我们称取解式,求出一个初步的解,称初解。第三阶段,把初解回代,得到原不定方程的解。

6世纪印度婆罗摩笈多的恒值粉碎机解法实行两次辗转相除,保证得到自然余数1。约定不定方程附加数的表达,利用余数1除法,构造取解式。所得附加数为1的不定方程的解,称恒值粉碎机。再利用依赖性,求出附加数非1的不定方程的解。

1208年开禧历“闰赢,却与闰缩、朔率、元闰,列号甲乙丙丁四位,除乘消减,谓之方程”,所列算图中,闰赢存在的理由就是帮助朔率在筹算板上占位,形成等式多行,以便让筹算板起到运算中的代换变量符号作用。因此,属于未知数代换的不定方程整数解法。

1624年,巴歇提出:求不定方程Ax=By+J的解,依赖于Ax=By+1的解,这里A和B是任何互素的整数。

原文第一句“[即,要解Ax=By+J],只要解出Ax=By+1就可以了”,就强调了解的依赖性。巴歇解法也分成三段。两系数辗转相除出现带余除法4=3×1+1时,巴歇设计了一个转换公式:“a=mb+1,那么ab+l-a是b的最小倍数,比a的倍数多1”,得到3×3=2×4+1。以此为基础,从辗转相除式中,反向消去余数3,4,7,要避免负数。因此,此题属于第二大类。见本书8.3“巴歇的转换公式解法”。

罗尔的解法:辗转相除过程中引入新变量,回代过程中,坚守作为整数的常数、数值及符号保持不变。罗尔的解法构思精巧,详见本书8.4“罗尔的常数不变解法”。

1770年欧拉的不定方程整数解法:利用未知数代换,得到一系列降系数不定方程。最后一个降系数不定方程依赖于余数为0的除法。取得初解后,回代得到通解。这个方法被当前中学教材所采纳,成为不定方程主流解法。

本书18.2.1“降系数不定方程来源”中,所介绍达生、辛格两位学者的降系数不定方程解法,实质上是从1770年欧拉的“形式分数的分母值取1”方案延伸而来的。因此,我们不列作单独的解法。