Giáo án bồi dưỡng học sinh giỏi môn Toán 8 - Phương trình Nghiệm Nguyên

PHƯƠNG TRÌNH NGHIỆM NGUYÊN A.Các phương trình cơ bản: I)Phương trình bậc nhất hai ẩn: Định nghĩa: ax + by = c với a, b, c là các số nguyên cho trước Đinh lí: Giả sử a ,b là xác số nguyên dương và d= ( a, b) khi đó (1) vô nghiệm nếu c d và vô số nghiệm nếu c d Hơn nữa nếu ( )00 , yx là nghiệm của (1) thì phương trình có nhiệm tổng quát (x,y)= ÷ ø ö ç è æ ++ n d ayn d bx 00 , Chứng minh :giành cho bạn đọc Ví dụ1: Giải phương trình nhiệm nguyên: 21 6 1988x y+ = . Giải: Ta có 3 198827 =+ yx Þ không tồn tại x,y ZÎ thỏa 7x + 2y không nguyên Ví dụ 2: Giải phương trình nhiệm nguyên: 12x+3y=216 Giải:Ta có ( )Znnxnyyyx Î-=Þ=Þ-=-= 184 4 18 12 3216 II) Phương trình PITAGO: Định nghĩa: 222 zyx =+ Định lí: 1. ( ) ( ) ( ) ( ) 1,,,1,, ===Þ= xzzyyxzyx 2. ( ) Þ= 1,, zyx x,y khác tính chẵn , lẻ 3. ( ) î í ì = = 2 1, krs sr thì 22 , hstr == Chứng minh:Giành cho bạn đọc xem như một bài tập Giải phương trình PITAGO: Giả sử ( ) ( ) 1,,,,,, 000 =÷ ø ö ç è æ=Þ= d z d y d xzyxdzyx Theo định lí 1 ta có thể giả sử 0y chẵn Ta có: 20 2 0 2 0 zyx =+ ( )( )000020 xzxzy +-=Þ Theo đ ịnh lí 2: Þ=÷÷ ø ö çç è æ ÷ ø ö ç è æ - ÷ ø ö ç è æ + 1 2 , 2 0000 xzxz ïî ï í ì =- =+ 2 00 2 00 2 2 nxz mxz Þ ï î ï í ì += = -= 22 0 0 22 0 2 nmz mny nmx với m,n là các số nguyên B.Các phương trình không mẫu mực: Chúng ta đã làm quen những phương trình nghiệm nguyên cơ bản nhất và lâu đời nhất trong toán học.Nhưng cũng như mọi lĩnh vực khác trong toán học phương trìng nhiệm nguyên ngày càng phát triển, càng khó . Điển hình là phương trình nnn zyx =+ mãi đến gần đây người ta mới giải được nhưng phải dùng đến những kiến thức toán cao cấp và lời thì vô cùng sâu sắc, Tuy nhiên nếu chỉ xét các bài toán ở phổ thông thì chúng ta có thể đúc kết ba phương pháp cơ bản nhất 1) Sử dụng các tíng chất của số nguyên ,các định lí của số học 2) Sử dụng bất đẳng thức để thu hẹp miền giá trị của tập nghiệm, sau đó có thể thế từng giá trị 3)Phương pháp lùi vô hạn ,phương pháp náy do FERMAT sáng tạo ra khi giải phương trình 1/ Sử dụng các tíng chất của số nguyên ,các định lí của số học a/Đưa về dạng tích: Ý tưởng của b ài to án l à đ ưa v ề d ạng ( ) ( ) ( ) nn aaayxfyxfyxf ...,...,.........,,..., 2121 = v ới Zaaa n Î,...,, 21 .Rồi xét mọi trường hợp có thể Ví dụ: Giải phương trình nhiệm nguyên d ương: 1231621 =++ xyyx Giải: ( ) ( ) 129621216 =+++ xxy ( )( ) 1291621 =++Þ yx =43.3 =+Þ 621x 43 và y+1=3 hay 21x+6=3 v à y+1=43 T ất cả đều cho ta kết quả vô nghiệm Ví dụ: Giải phương trình nhiệm nguyên không âm: 22 1 yxx =++ (1) Giải: (1) Þ ( ) 3124 22 =+- xy 3)122)(122( =++--Þ xyxy î í ì =++ =-- Þ 3122 1122 xy xy Do 2y-2x-1 và 2y+2x+1 đều lẻ 01 =Þ=Þ xy V ậy ph ương trình có nghiệm (x,y)=(1,0) b/Đưa về dạng tổng: Ý t ư ởng là đ ưa v ề ( ) ( ) ( ) knkkkknkk aaaayxfyxfyxf ++++=+++ ...,...,......,,.., 32121 1 với k, kn kk aaa +++ ....21 ZÎ Ví dụ: Giải phương trình nhiệm nguyên d ương: 2522 22 =++ xyyx (1) Giải: ( ) ( ) 2222 43251 +==++Þ yxx î í ì =+ = Þ 4 3 yx x î í ì = = Þ 1 3 y x Ví dụ :Giải phương trình nhiệm nguyên không âm ( )13653 232 yyyx -=-+ Giải: ( ) Þ1 ( ) 323232 0840641 +=+==-+ yx î í ì =- = Þ 41 0 y x hay î í ì =- = 01 8 y x V ậy ( ) ( ) ( )1;8;5;0, =yx c/Đưa về dạng phân số: : Ý t ư ơng b ài to án l à : ( )( ) na a a a b a yxg yxf 1..... 1 1 ..., ..., 2 1 0 + + +== Ví dụ:Gi ải phương trình nghiệm nguyên ( ) ( )tyyztztxtxyxyzt ++=++++ 40131 (1) Gi ải(1 Þ + + += + + +Û ++ ++++ =Þ 4 12 13 11 1 1 11 31 40 t z y x tyyzt ztxtxyxyzt ï ï î ï ï í ì = = = = 4 2 3 1 t z y x d/Sửdụng tính chia hết Ví dụ: Giải phương trình nghiệm nguyên: ( ) )1(0322 =-+-+ yyxx Giải: (1) 1 322 + ++ =Þ x xxy = 1 21 + ++ x x ( )1|2 +Þ x { }2,2,1,11 --Î+Þ x { }1,3,0,2 --ÎÞ x )3,1(),3,3(),3,0(),3,2(),( ----=Þ yx Ví dụ:Giải phương trình nghiệm nguyên dương: zyx 543 =+ Giải: X ét theo modulo 3 ( ) ( ) ( ) Þ-ºÞ-º )3(mod143mod15 zyzz z ch ẵn , đ ặt z= h2 Suy ra ( )( ) xyhyh 32525 =+- . Do yhyh 25,25 +- không đồng thời chia h ết cho 3 n ên ïî ï í ì =- =+ 125 325 yh xyh Ta có: ( ) ( ) ( )3mod01125 º-+-º+ yhyh và ( ) ( ) ( )3mod11125 º-+-º- yhyh Þ h lẻ ,y chẵn Nếu y>2 thì )4(mod125 º+ yh )4(mod13 ºÞ x xÞ chẵn )8(mod13 ºÞ x Ta có :5 )8(mod25 yh +º do h lẻ )8(mod35 xºÞ )8(mod15 ºÞ Þ vô lí Do đó y=2 2,2 ==Þ yx Ví dụ: Giải phương trình nghiệm nguyên: 62133 +=+ xyyx (1) Giải: (1) ( ) ( ) 62133 +++=+Þ xyyxxyyx Đặt a=x+y và b=xy ta c ó 7 63 3 + - = a ab = 7 3494972 + -+- a aa 7349 +Þ a Bạn đọc có thể tự giải tiếp e/Sử dụng tính số nguyên t ố Định lí 1: 2 2 4 3x y p k+ = + ngu ên tố thì î í ì py px   Chứng minh : Theo định lí Fermat ta có: Ví dụ: Giải phương trình nghiệm nguyên: 32 5 yx =+ Nhận xét 1: ,x y khác tính chẵn lẻ Nhận xét 2: nếu x lẻ thì 2x 1 8-  Thực vậy ta có 2 2 1, 1 4 ( 1) 8 x k k Z x k k = + Î Þ - = +  ( do ( 1) 2k k +  ) Nhận xét 3: 3 6 8, .y y/- " Ta quay lại bài toán. Nếu x lẻ thì 2 31 8 6 8x y- Þ - Þ  vô lí Nếu x chẵn thì y lẻ 2 24 ( 1)( 1)x y y yÞ + = - + + Ta thấy 2 4x + không có ướcnguyên tố dạng 4 3k + theo định lý 1. Suy ra 1y - có dạng 4 1k + , nghĩa là 2 21 3 4 1 4 3y y y y t+ + - Þ + + = + 2 1y yÞ + + có ước nguyên tố là 4 3k + . Từ đây ta có điều mâu thuẫn. Như vậy phương trình đã cho vô nghiệm. Bài tập tương tự: Giải phương trình nghiệm nguyên: 732 += yx 2/Sử dụng bất đẳng thức để thu hẹp miền giá trị của tập nghiệm, sau đó có thể thế từng giá trị Ví dụ 2 :Giải phương trình nghiệm nguyên dương: a b c abc+ + = Ta thấy bậc của vế phải lớn hơn bậc của vế trái nên khi a,b,c đủ lớn thì abc sẽ lớn hơn a+b+c. Điều này hướng cho ta đến việc sử dụng bất đẳng thức. Nhận xét thêm rằng a,b,c có vai trò như nhau nên ta có thể giả sử a b c³ ³ . Nếu 2c ³ , suy ra ( 1) 2 2a b c ab ab+ = - ³ - ( do 22, 1c ab c³ ³ > ) Û 4(2 1) 2 2(2 1) 2 4 4 3 a b a a a a= - - ³ - - = - Þ ³ 2c³ ³ Þ vô lí Do đó 1c = . Suy ra 1 ( 1)( 1) 2 1 1 2 1 2 3 a b ab a b b b a a + + = Þ - - = ì - = =ì Þ Þí í- = =îî Vậy ( , , ) (3, 2,1)a b c = và các hoán vị. Ví dụ 1: Giải phương trình nghiệm nguyên: 2 2 2 2( 1) ( 1)y x x x x= + + + + Giải: Nhận xét rằng 2 2 2 2 21 3 2 2 2 2 x xx y xæ ö æ ö+ + < < + +ç ÷ ç ÷ è ø è ø Nếu x lẻ, rõ ràng không tồn tại ( , )x y nguyên thoả phương trình. Nếu x chẵn, suy ra 2 1 2 xy x= + + . Đến đây bạn có thể tự giải dễ dàng J. Ví dụ 3:Giải phương trình nghiệm nguyên dương: 2 2 2 2x xy y x y+ + = . Giải: Từ phương trình ta có: ( )2 2 2 2 2( ) 1 ( ) ( 1)x y xy xy x y x y xy+ = + Þ < + < + Từ đây ta có điều mâu thuẫn vì ( )2x y+ nằm giữa hai số chính phương liên tiếp. Như vậy phương trình vô nghiệm. Ví dụ 4: Giải phương trình nghiệm nguyên dương: 6 21 2 21 27 6 x y y x y x z + + + = + + + . Do z nguyên dương nên 2 2 z £ . (1) Vế trái áp dụng bất đẳng thức: 2a b c d b c c d d a a b + + + ³ + + + + với , , 21, 6a x b y c d= = = = ta thu được: 6 21 2 2 21 27 6 x y y x y x z + + + = > + + + (2)( do dấu bằng 21 6x y= = = không thể xảy ra) Từ (1) và (2) ta suy ra phương trình vô nghiệm. Ví dụ 5: Giải phương trình nghiệm nguyên dương ( )3 2 3 2 ( ) 0y z y xy z x x y+ - + - = . Coi phương trình như một phương trình bậc hai theo x. Ta có: 2 2 2 2 0 ( 1)(1 ) 0 4 ( 1)( 1) 4 yz y y z y z y y z D ³ Û + - + ³ Þ ³ + - Điều này chỉ xảy ra khi 1y = . Từ đây các bạn dễ dàng tìm được x z= hay 1 2 z x -- = (loại do x,z nguyên dương). 3)Phương pháp lùi vô hạn Phương pháp náy do FERMAT sáng tạo ra khi giải phương trình 444 zyx =+ Ý tưởng của phương pháp này là giả sử tìm đ ược bộ nghiệm nhỏ nhất, ta có thể lý luận sao cho tìm được bộ nghiệm nhỏ hơn. Ví dụ 1: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 2 23x y z+ = Giải: Gọi ( ), ,x y z là nghiệm nhỏ nhất nếu x y z+ + đạt giá trị nhỏ nhất. Nhận xét: Nếu x 3 thì 2 1 3x -  vì vậy nếu x,y 3 thì 2 2 22(mod 3) 3 2(mod3)x y z+ º Þ º Þ vô lý. Như vậy ,x y phải có một số chia hết cho 3, suy ra cả hai số đều chia hết cho 3. Đặt 0 03 ; 3x x y y= = . Thay vào phương trình ta được: 2 2 2 20 03 3 3 3x y z z z+ = Þ Þ  . Đặt 03z z= ,ta thu được: 2 2 2 0 0 03x y z+ = . Mà rõ ràng 0 0 0x y z x y z+ + < + + do đó ta thu được điều mấu thuẫn. Như vậy phương trình vô nghiệm. Ví dụ 2 : Giải phương trình nghiệm nguyên 4 4 2x y z+ = . Để giải phương trình này, các bạn hãy xem lại phần phương trình Pitago đã viết ở phía trên. Trước hết ta có thể giả sử ( )0 0 0, ,x y z đôi một nguyên tố cùng nhau(*).Gọi ( )0 0,x y là bộ nghiệm nhỏ nhất nếu 4 40 0 minx y+ . Theo phương trình Pitago thì 2 2 2 2 2 2 0 0 0; 2 ;x m n y mn z m n= - = = + . Ta lại xét phương trình Pitago 2 2 2on x m+ = . Ta có: 2 2 2 2 0 , 2 , (1)x a b n ab m a b= - = = + .Suy ra: 2 0 04 2y abm y= Þ  . Đặt 2 1 0 12y y y abm= Þ = . Bạn đọc có thể dễ dàng chứng minh từ giả thiết (*). Suy ra: 2 2 2 1 1 1, ,a a b b m m= = = . Thay vào (1) thì 2 4 41 1 1m a b= + . Mà 2 2 4 4 1 0 0 0 0 0( , ) ( , )m z x y a b x y< = + Þ < Þ vô lý. Vậy phương trình vô nghiệm. Bài tập luyện tập Bài 1: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 38 117 109x y+ = Bài 2: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 123 216 1988x y- = Bài 3: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 6 21 88 123x y xy+ + = Bài 4: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 12 3 88 621x y xy+ + = Bài 5: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 22 2 100x y xy+ + = Bài 6: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 2 2 2336x y z+ + = Bài 7: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 3 3 12 3x y xy- = + Bài 8: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 2 2 7 20 x y x y + = + Bài 9: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 22 1x x y+ = Bài 10: Giải phương trình nghiệm nguyên dương (1 )(1 )(1 )xy yz xz xyzt+ + + = Bài 11: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 2 2x py z+ = với p là số nguyên tố. Hướng dẫn: dùng các định lý và giải tương tự phương trình Pitago. Bài 12: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 3 3 3 2 2 2x y z nx y z+ + = Hướng dẫn: Dùng bất đẳng thức. Bài 13: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 2 2 2 2 2 2 2( 1) ( 2) ( 3) ( 4)x a x b x c x d+ + = + + = + + = + + Hướng dẫn: Xét modulo 8. Bài 14: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 2 4 3 2 1y x x x x= + + + + Bài 15: Giải phương trình nghiệm nguyên dương 3 3 32 4 0x y z- - =