\(n\)元一次不定方程:\(\sum_{i = 1}^{n}a_{i}x_{i}=b\)

1. \(n\)元一次不定方程的定义

\(n\)元一次不定方程的一般形式为\(a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+\cdots+a_{n}x_{n}=b\),即:\(\sum_{i = 1}^{n}a_{i}x_{i}=b\)

其中\(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n},b\)是整数,\(n\geqslant2\),且\(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}\)不全为\(0\)。

例如,三元一次不定方程\(2x + 3y - 4z = 5\)。

2. \(n\)元一次不定方程有解的条件

根据裴蜀定理的推广形式,\(n\)元一次不定方程\(a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+\cdots+a_{n}x_{n}=b\)有整数解的充分必要条件是

\((a_{1},a_{2},\cdots,a_{n})\mid b\),这里\((a_{1},a_{2},\cdots,a_{n})\)表示\(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}\)的最大公因数。

例如,对于方程\(6x + 9y + 15z = 3\),因为\((6,9,15)=3\),且\(3\mid3\),所以该方程有整数解。

3. \(n\)元一次不定方程的求解方法

逐步消元法

对于\(n\)元一次不定方程,可以通过逐步消去变量,将其转化为\((n - 1)\)元一次不定方程来求解。

例如,对于三元一次不定方程\(2x + 3y - 4z = 5\),可以先将其变形为\(2x + 3y=5 + 4z\),对于给定的\(z\)值,\(2x + 3y=5 + 4z\)就变成了一个二元一次不定方程。

设\(z = t\)(\(t\)为整数),则\(2x + 3y=5 + 4t\),通过求解这个二元一次不定方程(假设得到通解为\(x = x_{0}+3k\),\(y = y_{0}-2k\),其中\(k\)为整数),再将\(x\)和\(y\)的表达式代入原方程,就可以得到关于\(t\)和\(k\)的关系,从而得到原三元一次不定方程的通解。

利用矩阵变换(对于学过线性代数的情况)

可以将\(n\)元一次不定方程写成矩阵形式\(Ax = b\),其中\(A=(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n})\)是系数矩阵,\(x=(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n})^T\)是未知数向量,\(b\)是常数项。通过对增广矩阵\((A|b)\)进行初等行变换,将其化为行最简形矩阵,然后根据行最简形矩阵来求解方程。不过这种方法相对复杂,需要一定的线性代数知识。

4. \(n\)元一次不定方程的实际应用

资源分配问题(多元情况):假设有\(n\)种不同的资源,第一种资源每个单位有\(a_{1}\)的价值,第二种资源每个单位有\(a_{2}\)的价值,以此类推。现在要分配这些资源,使得总价值达到\(b\),设每种资源分配的数量为\(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}\),就可以建立\(n\)元一次不定方程\(a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+\cdots+a_{n}x_{n}=b\)来求解分配方案。

组合问题(多元):有\(n\)种不同的物品,要选取一定数量的这些物品,使得满足某种条件。例如,有三种物品,第一种物品每个重\(a_{1}\)克,第二种物品每个重\(a_{2}\)克,第三种物品每个重\(a_{3}\)克,要组合出总重为\(b\)克的物品组合,设三种物品选取的数量分别为\(x_{1},x_{2},x_{3}\),可建立方程\(a_{1}x_{1}+a_{2}x_{2}+a_{3}x_{3}=b\)来寻找可能的组合。

数论基础 - 主要研究整数性质以及和它有关的规律