#数学趣题#
一次奇妙的数学之旅

丢番图方程(a^2+b^2)(c^2+d^2)=n^2求解
yuange

一、问题
丢番图方程(a^2+b^2)(c^2+d^2)=n^2 (1)的正整数解。
因为齐次,可以只考虑(a,b)*(c,d)=1。

(1)可以等效转化成(1+A^2)(1+B^2)=C^2 (2)的有理数解。

(2)再变化一下(1+A^2)^0.5/(1+B^2)^0.5=m

(1+a^2)^0.5/(1+b^2)^0.5=m (3)
a、b、m的有理数解。

(3)的形式想到了什么?

过原点位于第一象限斜率为a、b的两条直线,其角平分线斜率为k。做直线x=1,由角平分线得到:
(1+a^2)^0.5/(1+b^2)^0.5=m=(a-k)/(k-b)

k=b+(a-b)/(m+1)
k、m同为有理数或者无理数。巧妙的把根号去掉了,成了多项式了。

用三角函数得到:
tanx=a
tan(x+y)=k
tan(x+2y)=b
b>=k>=a>0

b=tan((x+y)+(x+y-x))
=(k+(k-a)/(1+ka))/(1-k*(k-a)/(1+ka))

b=(2k-a+ak^2)/(1+2ka-k^2) (4)

(a+b)k^2+(2-2ab)k-(a+b)=0

a=tan((x+y)+(x+y-(x+2y)))
a、b是对称的,(4)中a、b可以互换。

(3)和(4)等价,任意给定a、k就能确定b了。

(4)可以简单的看出,k=2a是一个a、b的正整数解,可以进一步得到其它正整数解。

a=A/X,(A,X)=1
k=K/Y,(K,Y)=1

b=(2k-a+ak^2)/(1+2ka-k^2)

=(2KXY-AY^2+AK^2)/(XY^2+2KAY-K^2X)

b=(A(K^2-Y^2)+2XKY)/(2AKY-X(K^2-Y^2))
=c/d

(A^2+X^2)((A(K^2-Y^2)+2XKY)^2+(2AKY-X(K^2-Y^2))^2)

(A^2+X^2)((A*(K^2-Y^2)+2X*K*Y)^2+(2A*K*Y-X*(K^2-Y^2))^2)
=(A^2+X^2)^2*(Y^2+K^2)^2

(A^2+X^2)*(c^2+d^2)*m^2=n^2
c^2+d^2=(a(K^2-Y^2)+2bKY)^2+(2aKY-b(K^2-Y^2))^2
A,X,K,Y,4个自由度。

二、有趣的正整数解
考虑(1+a^2)(1+b^2)=c^2 (2)的正整数解。

b=(2k-a+ak^2)/(1+2ka-k^2) (4)

(4)可以简单的看出,k=2a是一个a、b的正整数解,可以进一步得到其它正整数解。研究后发现有一个递推多项式都满足。

多项式数列f(n,x)
f(1,x)=x
f(2,x)=4x^3+3x
f(n+1,x)=(4x^2+2)*f(n,x)-f(n-1,x) (5)

f(3,x)=16x^5+20x^3+5x
f(4,x)=64x^7+112x^5+56x^3+7x
f(5,x)=256x^9+576x^7+432x^5+120x^3+9x

x为任意正整数,任意f(n,x)就是(2)中a、b的一个解。

相同项(k=a=b)或者相邻项可以得到a、b、k的正整数解。

f(n,a)
=1/2*((1+a^2)^0.5-a)*(2*a^2+1+2*a*(1+a^2)^0.5)^n
-1/2*((1+a^2)^0.5+a)*(2*a^2+1-2*a*(1+a^2)^0.5)^n (6)

=1/2*(1+a^2)^0.5*((2*a^2+1+2*a*(1+a^2)^0.5)^n-(2*a^2+1-2*a*(1+a^2)^0.5)^n)-1/2*a*((2*a^2+1+2*a*(1+a^2)^0.5)^n+(2*a^2+1-2*a*(1+a^2)^0.5)^n)

1,7,41,239,1393,8119,47321,275807,1607521,… 2,38,682,12238,219602,… 3,117,4443,168717,6406803,… 4,268,17684,1166876,… 5,515,52525,5457035,… 6,882,128766,18798954,… 7,1393,275807,54608393,…
上面分别是a=1-7的结果,一行里相邻两个数为斜率过原点的直线,角平分线斜率也为整数。
如果a是f(n,b)的一个值,其整个f(n,a)就是f(n,b)的一个子序列。

三、再扩展

(a^2+b^2)=n^2*m (7)
1+a^2=n^2*m (8)

m不是完全平方数,否则方程太平凡。

对于素数p,a^2+b^2=c^2*p (9)
费马定理,p=4k+3无解,否则有c=1的解。

(a^2+b^2)*p1*(c^2+d^2)*p2=((ac+bd)^2+(ad-bc)^2)*(p1*p2)

所以m有4k+3的的1次质因子(7)就无解,否则有解。

(8)是(7)的一个子集,看看有什么结果。

1+a^2=n^2*m (8)变换一下就是a^2-m*n^2=-1就是著名的pell方程二型。m^0.5是奇偶连分数对应无解和有解,解的通用表达式也都有了。
还和著名的丢番图数论pell方程发生了联系,这方程涌现了费马、拉格朗日、欧拉等一帮大牛人。
(9)也可以看成a^2-d*b^2=c(10) 广义pell方程特殊形式。
(8)二型pell方程可以说是所有的pell方程(10)的最本原问题,因为(-1)^2=1,所以如果得到二型的解,两个二型乘积一下就能得到一型,再变换就可以得到广义的解。但有些d是偶连分数,只能得到1而不能得到-1。

(1+a^2)(1+b^2)=n^2 (2)也是pell方程相关,独立得到了二类pell方程(8)通解形式的解。

(5)、(6)这个f(n,a)实际上给出了所有二型pell方程的通解,以及递推形式。

pell方程比较有意思,对数论有兴趣的可以去看看,这个已经完全解决了,这里就不再展开讲了。对数论有兴趣的还可以去看看连分数。连分数对于数的分数逼近具有最佳的效果,以及数论同余简直太重要了,有幸初中接触了一本薄薄的《连分数》,不记得谁写的了,那时候真的是觉得太神奇了。祖冲之得到圆周率Pi的一些近似数值,要用有理的分数表示就可以用连分数来算。
连分数的相邻项积的差值+-1交替出现,这个+-1就是整数的基础,所以很多结果都和它有关。因为是交替出现,所以很多时候也有奇偶问题,对于有些情况比如pell方程的二型的有些m本原就是1,得不到-1就无解。

连分数的介绍:
https://t.cn/RiLQxCL连分数/2715871

四、问题缘由
问题来源于求一道角平分线斜率的题,两条整数斜率的直线发现角平分线不是整数,于是研究什么情况三条线斜率都是整数。竟然发现奇妙的和常见的一个pell丢番图方程是一个问题。
这个扩展也算实现了数学世界里的一次奇妙旅行,走了费马、欧拉等大牛数学家的一次旅游路线。

到了这里,终于算是可以结题了。[微笑]

#offtay[超话]#
神奇的脑洞:等你下课之offtay版本[doge](可能是tayoff[求关注][羞嗒嗒][羞嗒嗒])朱拉隆功x艺术大学[ok]

“p'tay,那个艺术大学的帅哥又来接你了欸。”
“嗷,他什么时候来的?”
“就在刚才,学妹亲你、大家起哄的时候。”
tay:!!

学姐问:他是你的谁啊。

tay无奈地两手一摊:就是一个朋友。

虽然亲密无间,但真的是朋友。

仪仗队的学姐笑嘻嘻地说:那个艺术大学的帅哥天天来接你,他有没有女朋友啊?你这排练的一个月,他每天下午杵着门口等你,又高又白,就像韩国欧巴……隔壁社团都来眼红,还问是不是我们招的新学弟呢。

tay赶紧问:他现在去哪了?

学姐耸耸肩:刚摔门走了。

tay:……

时间倒回到一刻钟以前。

仪仗队和戏剧团排练,底下的学弟学妹非起哄把tay往中央拱,说戏剧社的社长人美声甜,配他们帅气内敛的仪仗队队长正好。

tay只想逃跑。这种场面他应对不来,也没兴趣。

然而大家还说什么“好配啊,校之月和校之星在一起”之类的,起哄说亲一下脸。

后面的人推了tay一把,虽然没碰到,但是靠的很近,大家都以为亲到了。

拿脚趾头都能猜到,E'off肯定也是这么以为的。tay想。

tay扶额和叹息,今天真的诸事不顺,估计穿衣服颜色选错了。

tay出去找off,正好被戏剧社的副社长看到了。副社长是个愣头青,看tay一脸急色,就悄悄跟在tay后面,想看看他去干什么。

off在树下,一看到tay转身就要走,tay眼疾手快抓住他的包,说:等多久了?生气了?

突然,off把身边的易拉罐朝垃圾桶用力一踢。

哐!

易拉罐撞到垃圾桶,掉在地上。它的表面凹了进去。

off把易拉罐捡起来,慢慢丢进垃圾桶。

他转过身来,轻描淡写地说:我不生气啊。

行了,tay想,这人估计已经烧成小火苗了。

tay拽住他的手臂说:你不生气是吧,好啊,那跟我去吃饭。

off挣开他,冷笑道:亲都亲上了,怎么不找你的校之星吃饭?郎才女貌,我可不做电灯泡。

俩人的动作都不小,远远看来就像打架前的推搡。

后面跟着的副社长慌了,外校的人来找茬了,两人要打在一起了!

他立刻跑过去,分开两个人,然后把off狠狠一推。

off往后踉跄了两步,tay立刻伸手,想去拉他。

戏剧副社长直接一个箭步,把tay挡在身后,恶狠狠对off说:少来朱拉找茬!你喜欢我们社长就自己去追,别来找p’tay的麻烦!

off&tay:???

off用眼神询问tay:这谁?你们仪仗队的?

tay迷惑地摇摇头,用眼神说:不认识啊。

tay听到这人说社长,就明白应该是戏剧社的人,说:nong,你误会了,我和他其实……

副社长打断他说:p’tay,你就是人太好了。你别为他说话了,这个人天天下午来守着看我们社长!你和我们社长两情相悦,不用怕这种人。

tay:……

其实,呃,他应该不是来看你们社长的,tay腹诽,看来今天真的出门没看幸运色表。

这傻帽到底从哪冒出来的?

off听到这也明白了,敢情这小子以为自己喜欢那个校之星,和tay是竞争对手。

off一眼都没看他们中间的那个副社长,他的眼神穿过那个人,直勾勾地盯着tay。

——朋,两情相悦是真的吗?
off直接说。

tay迎着他的目光,一点儿也没躲,定定地开口:你说过我说啥你都信,你的话还算数吗?

off点头,眼睛里有一点点亮光。

tay注视着他说:两情相悦是假的。

off拍拍衣服上的灰,随意说:那行了,走吧。我可不做拆鸳鸯的罪人。

tay忍不住笑了,off看起来瞬间就偃旗息鼓了。不,是熄火。

这回轮到副社长懵了:你们,你们不打架啊?

off没理他,走到tay身边,催他快点走。

tay朝那个副社长笑了笑,说了个再见。副社长呆呆地跟他们挥了挥手。

等那个副社长跟他们离得远了,tay把手伸进off上衣的口袋里,调笑道:这下不生气了?

off一只手和他插在同一个口袋里,另一只手佯装要去打tay的头。

tay的头一歪,朝他做了个鬼脸。

off任由tay的手在自己口袋里动来动去,漫不经心地说:我还生着气呢,我就喜欢那个校之星,是你的竞争对手,你最好跟我保持距离。

tay敷衍地回答:嗯嗯,好的。

随即却跟他靠得更近,肩膀挤肩膀。

off半真半假地说:你究竟跟谁两情相悦?校之星应该没我帅吧。

tay凑近他,笑眯眯地说:人家是美女,你却和别人比帅。缺不缺德?真记仇,肚量比芝麻还小。

tay的一只手还在off的口袋里,悄悄握住他的手,然后一点点摩挲着,逐渐变成和他十指相扣。

off感觉到了什么,偏头看了他一眼。

tay无辜地回看他。

一秒。
两秒。
……

off眨眨眼睛,眼角微微藏着一点笑,不着痕迹得捏了捏tay的手:我饿了。

tay说:那我带你去吃意面,上次说好的。

off说:好,但我不要番茄、不要酱。

---------------------------------
[哆啦A梦微笑]off:快带我去吃饭!两情相悦又不能当饭吃。
[怒骂]tay:你太挑食了!饿着算了!
新年终于牵手手了[吃瓜]简单来说,我想两个宝了[衰]

有哪些20岁不信,30岁却深信不疑的道理?

1.早起的人,远比熬夜的人可怕。

2.入错行,泪两行。

3.最短的距离是从手到嘴,最长的距离是从说到做。

4.不谈恋爱死不了,脱贫比脱单更重要。

5.不要跟眼界不一样的人争辩。

6.做你害怕做的事情,然后你发现,不过如此。

7.三观不合真的很难做朋友,因为思想,经历,感官,全都不一样。就像我说大海很漂亮,你却说淹死过很多人。

8.年轻的时候,我们爱得死去活来,可随着年岁渐长,你就会发现,爱情并不是生活的全部。

善良,努力,读书,健身,让自己变得更好才是人生最重要的事。

9.如果你丢了一部iPhone6s,你妈妈知道了又给你买了一部iPhone7,你还是会很高兴;如果你的对象跟你分手,但是你爱慕已久的男神却跟你表白,你还是会不由自主地高兴起来。

人们并不是害怕失去,而是害怕失去以后没有更好的可以代替。

10.如果你是对的,你没必要发脾气;如果你是错的,你没资格发脾气。

11.求人不如求己,靠得住的永远都是自己。

12.再爱的前任,提一次复合就够了,你可以爱三五个人渣,但你不能爱一个人渣三五次。

13.生活是否永远艰辛?总是如此。成人的世界里,本没有容易二字。

14.结婚过日子,钱真的很重要。

15.能用钱解决的事情,千万不要用人情。

16.便宜的东西,只有在你买的那一刻是开心的,用的时侯没有一天是开心的;品质好的东西,给钱那一刻是心疼的,用的时侯每天都是快乐的,感觉特别值得。

17.你越在意什么,什么就会折磨你。

18.所有的失恋都是在给真爱铺路。

19.想送你回家的人,东南西北都顺路;愿陪你吃饭的人,酸甜苦辣都爱吃;想见你的人,千山万水都能赶来。

20.那些依靠投机取巧走上“人生巅峰”的人,总有一天,会因为一件不经意的小事露出马脚。

21.没有那么多人关注你,所以,放轻松点,你没有那么多观众。

22.有时候,你把别人当好朋友,但人家并没有这么想。你所有的朋友都活着,但你还会感到孤独。

23.永远不要忘记善良。但也不要“过于”善良,因为人们只会挑软柿子捏。

24.无论是友情还是爱情,跟谁在一起舒服就和谁在一起,累了就躲远一点。你取悦别人的模样,真的不好看。

25.一个人不主动联系你就是不想你,也可能就是不喜欢你;对话时总是三言两语就是对你没兴趣;说一大串走心的话 却没有实际行动的就是把你当备胎。不要再为别人找借口了,事实上,Ta没那么喜欢你,尽快直面或者放弃吧。

26.别不好意思拒绝,那些好意思为难你的人,反正也都不是什么好人。

27.在利益面前,感情是次要的。利益一致的人,讨厌的人也可以变成同 盟队 友。利 益冲 突,再亲密的朋友也可能变成敌人。

28.如果不能感同身受,就不要肆意地妄加评判。

29.当你不确定Ta爱不爱你的时候,那么能确定的是,Ta已经不爱你了。

30.不要忘记爱父母,他们会永远对你好。

31.所有关系变淡的原因:一个不说,一个不问;或者一个问得尴尬,一个答得敷衍。

32.你开始背后说别人的时候,你就已经输了。把别人当成议论的话题,而别人却觉得你不值一提。

33.走路抬头挺胸。心情不好时,不想跟人招呼,点头微笑,径直走过。

34.不要随意发脾气,谁都不欠你的。

35.别低估任何人。

36.过去的事情可以不忘记,但一定要放下。

37.社 会是有等 级的,很多事不公平,别抱怨,因为没有用 。

38.学会妥协的同时,也要坚持自己最基本的原则。

39.赠人玫瑰,手留余香。


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