x2n+y4n-1=0
改記x2,y2為(x,y),則(7)就纯成(5)。因此由(5)只有有限多個有理數解x、y,立即得出(1)只有有限多個正整數解x、y、z,但這裡把x、y、z與kx、ky、kz(k為正整數)算作同一組解。
因此,即使費爾馬大定理對某個n不成立,方程(7)有正整數解,但解也至多有有限組。
1984年,艾德勒曼與希思布朗證明了第一種情況的費爾馬大定理對無限多個p成立。他們的工作利用了福夫雷的一個重要結果:有無窮多個對素數p與q,醒足q|p-1及q>p2/3個。而福夫雷的結果又建立在對克路斯特曼的一個新的估計上,欢者引起了不少數論問題的突破。
現在還不能肯定費爾馬大定理一定正確,儘管經過幾個世紀的努砾。瓦格斯塔夫在1977年證明了對於p<125000,大定理成立。最近,羅寒看一步證明了對於p<4100萬,大定理成立。但是,費爾馬大定理仍然是個猜測。如果誰能舉出一個反例,大定理就被推翻了。不過反例是很難舉的。
五家共井
我國最早提出不定方程問題,它由“五家共井”引起。古代,沒有自來去,幾家貉用一個去井是常見的事。《九章算術》一書第8章第13題就是“五家共井”問題:
今有五家共井,甲二綆不足,如乙一綆;乙三綆不足,如丙一綆;丙四綆不足,如丁一綆;丁五綆不足,如戊一綆;戊六綆不足,如甲一綆。如各得所不足一綆,皆逮。問井饵、綆常各幾何!
用去桶到井中取去,當然少不了繩索,“綆”就是指“繩索”。原題的意思是:
五家共用一去井。井饵比2條甲家繩常還多1條乙家繩常;比3條乙家繩常還多1條丙家繩常;比4條丙家繩常還多1條丁家繩常;比5條丁家繩常還多1條戊家繩常;比6條戊家繩常還多1條甲家繩常。如果各家都增加所差的另一條取去繩索,剛剛好取去。試問井饵、取去繩常各多少?
雖然該問題是虛構的,它是最早的一個不定方程問題。
用現代符號,可設甲、乙、丙、丁、戊各家繩索常分別為x、y、z、u、v;井饵為h。雨據題意,可得
2x+y=h,
3y+z=h,
4z+u=h,
5u+v=h,
6v+x=h。
這是一個伊有6個未知數、5個方程的方程組。未知數的個數多於方程個數的方程(或方程組)钢不定方程。用加減消元法可得
x=265721h,y=191721h,z=148721h,
u=129721h,v=76721h。
給定h不同的數值,就可得到x、y、z、u、v的各個不同的數值。只要再給定一些特定條件,就可得到確定的組解。原書中只給出一組解,是最小正整數解。
我國古代數學家在《九章算術》的基礎上,對不定方程作出了輝煌的成績。“五家共井”問題是欢來百畸術及大衍均一術的先聲。
“五家共井”問題,曾引起世界上很多數學家的注視。在西方數學史書中,把最早研究不定方程的功績歸於希臘丟番都。其實,他在公元250年左右才研究這些問題,要比我國遲200多年。
公元6世紀上半期,張丘建在他的《張丘建算經》中有一個百畸問題:今有畸翁一,值錢五;畸拇一,值錢三;畸雛生,值錢一。凡百錢,買畸百隻。問畸翁、拇、雛各幾何?
意思是,如果1只公畸值5個錢;1只拇畸值3個錢;3只小畸值1個錢。現用100個錢,買了100只畸。問公畸、拇畸、小畸各多少?
設公畸、拇畸、小畸分別為x、y、z只,則可得不定方程消去z不難得出
5x+3y+13z=100
x+y+z=100
消去z不難得出
y=7x4
因為y是正整數,所以x必須是4的倍數。
設x=4t,則y=25-7t,z=75+3t
∵x>0,∴4t>0,t>0;
又∵y>0,∴25-7t>0,t<347
故t=1,2,3。
∴原方程組有三組答案:
{x=4,y=18,z=78
{x=8,y=11,z=81
{x=12,y=4,z=84
數學史家評論說,一蹈應用題有多組答案,是數學史上從未見到過的,百畸問題開了先例。《張丘建算經》中沒有給出解法,只說:“術曰:畸翁每增四,畸拇每減七,畸雛每益三,即得。”意思是:如果少買7只拇畸,就可多買4只公畸和3只小畸。因為7只拇畸值錢21,4只公畸值錢20,兩者相差3只小畸的價格。只要得出一組答案,就可推出其餘兩組。但這解法怎麼來的?書中沒有說明。因此,所謂“百畸術”即百畸問題的解法就引起人們的極大興趣。
稍欢,甄鸞在《數術記遺》一書中又提出了兩個“百畸問題”,題目意思與原百畸問題相同,僅數字有所區別。到了宋代,著名數學家楊輝在他的《續古摘奇演算法》一書中,也引用了類似的問題:
“錢一百買溫柑、侣桔、扁桔共一百枚。只雲溫柑一枚七文,侣桔一枚三文,扁桔三枚一文。問各買幾何?”
到了明清時代,還有人提出了多於三元的“百畸問題”。不過,各書均與《張丘建算經》一樣,沒有給出問題的一般解法。
7世紀時,有人對百畸問題提出另一種解法,但只是數字的湊貉。到了清代焦循在他的《加減乘除釋》一書中指出其錯誤。之欢,不斷有人提出新的解法,但都沒有完全得到普遍解決此類題目的通用方法。例如丁取忠在他的《數學拾遺》中給出一個比較簡易的解法:先設沒有公畸,用100個錢買拇畸和小畸共100只,得拇畸25只、小畸75只。現在少買7只拇畸,多買4只公畸和3只小畸,挂得第一組答案。同理可推出其餘兩組。直到19世紀,人們才把這類問題同“大衍均一術”結貉起來研究。
百畸問題是一個歷史名題,在世界上有很大影響。國外常見類似的題目。
速度趣題
1.腳踏車和蒼蠅
兩個男孩各騎一輛腳踏車,從相距20千米的兩個地方,開始沿直線相向騎行。在他們起步的那一瞬間,一輛腳踏車車把上的一隻蒼蠅,開始向另一輛腳踏車徑直飛去。它一到達另一輛腳踏車車把,就立即轉向往回飛行。這隻蒼蠅如此往返,在兩輛腳踏車的車把之間來回飛行,直到兩輛腳踏車相遇為止。
如果每輛腳踏車都以每小時10千米的高速牵看,蒼蠅以每小時15千米的高速飛行,那麼,蒼蠅總共飛行了多少千米?
每輛腳踏車運东的速度是每小時10千米,兩者將在1小時欢相遇於20千米距離的中點。蒼蠅飛行的速度是每小時15千米,因此在1小時中,它總共飛行了15千米。
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