11.4 序列线性组合定理

11.4 序列线性组合定理

若a和b是不定方程ax=by±1的两个系数,a,b是正整数,a不小于b。由可解条件,a与b互素。于是,互素整数对所求出的自然余数与调节余数,均为1。

现在,我们单独讨论序列线性组合定理,不采用商数损一调节举措。

序列线性组合定理[5]

其中,

证明 我们把序列组合用余数表示,再用归纳法进行证明。

(1)当k=1时,(*)式为Q1a-P1b=(-1)0r1=r1

由初始值Q1=1,P1=q1,有a-q1b=r1,即第一步除法a=q1b+r1,(*)式成立。

(2)当k=2时,由初始值P0=1,P1=q1和Q0=0,Q1=1,有Pk=qkPk-1+Pk-2成为P2=q2P1+P0=q2q1+1,Qk=qkQk-1+Qk-2成为Q2=q2Q1+Q0=q2×1+0。

代入(*)式,有

Q2a-P2b=(q2×1+0)a-(q2q1+1)b=q2a-(q2q1+1)b=aq2-b-bq1q2

=q2(a-bq1)-b=q2r1-b=-r2=(-1)2-1r2

其中,第五个等号利用第一次除法r1=a-q1b,第六个等号利用第二次除法r2=b-q2r1

下面应用归纳法。

假定式(*)和(**)对k>2的正整数k成立,考察k-1,k,k+1三种情况:

对k-1,式(*)有Qk-1a-Pk-1b=(-1)k-1-1rk-1=(-1)k-2rk-1,即(-1)k-2·(Qk-1a-Pk-1b)=rk-1

对k,式(*)有Qka-Pkb=(-1)k-1rk,即(-1)k-1(Qka-Pkb)=rk

对k+1,式(**)有Pk+1=qk+1Pk+Pk-1和Qk+1=qk+1Qk+Qk-1

现需证Qk+1a-Pk+1b=(-1)k-1+1rk+1

对k+1,把辗转相除第k步

rk-1=rkqk+1+rk+1

移项,再两边乘(-1)k,有

(-1)krk+1=(-1)k(rk-1-qk+1rk)

=(-1)k[(-1)k-2(Qk-1a-Pk-1b)-qk+1(-1)k-1(Qka-Pkb)]

=(-1)2k-2(Qk-1a-Pk-1b)-qk+1(-1)2k-1(Qka-Pkb)

=(Qk-1a-Pk-1b)+(-1)(-1)qk+1(Qka-Pkb)

=(Qk-1a-Pk-1b)+qk+1(Qka-Pkb)

=(qk+1Qk+Qk-1)a-(qk+1Pk+Pk-1)b

=Qk+1a-Pk+1b。

其中,第二步的代入,根据两个归纳假定。第三步演算(-1)2k-2=1,第四步演算(-1)2=1。最后一步,依据Pk+1=qk+1Pk+Pk-1和Qk+1=qk+1Qk+Qk-1

由归纳法,定理成立。

采用了商数损一调节举措的辗转相除过程,有如下规定(表11.4):

表11.4 商数损一调节举措

表11.4中,调节余数分支中的自然余数为1,就是自然余数分支中的自然余数为1。