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[数论] 求解一道数论题

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chr93918 发表于 2014-4-20 14:46 |阅读模式
x^2-4y^2=m,其中m取1,2,3,...2014,x,y均为整数。问m可以取哪些数?

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271828 发表于 2014-4-20 15:23
这能不能用佩尔方程做?

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271828 发表于 2014-4-20 15:24
目测 $m=4k^2$ 应该都满足题意

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 楼主| chr93918 发表于 2014-4-20 15:26
y=0时,完全平方数都可以

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其妙 发表于 2014-4-20 15:29
这能不能用佩尔方程做?
271828 发表于 2014-4-20 15:23

设d是正整数,且非平方数。下面的不定方程称为佩尔(Pell)方程:
x^2-dy^2=1
注意,d非平方数

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其妙 发表于 2014-4-20 15:32
回复 1# chr93918
这让有个解答:blog.sina.com.cn/s/blog_a9606fae0101rng3.html

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 楼主| chr93918 发表于 2014-4-20 15:45
谢谢兄台

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hbghlyj 发表于 2023-7-5 01:33
其妙 发表于 2014-4-20 15:32
回复 1# chr93918
这让有个解答:http://blog.sina.com.cn/s/blog_a9606fae0101rng3.html

系统维护中,博文仅作者可见。登陆后可查看本人文章。

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hejoseph 发表于 2023-7-5 09:38
这不是 Pell 方程,Pell 方程 $d$ 必须是非完全平方数。而 $d$ 是完全平方数会简单很多,直接因式分解就得,不同于 Pell 方程,解也是有限的。

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hbghlyj 发表于 2024-4-5 20:52

🔨🪦necroposting🧟

Sort[Flatten[Table[x^2-4Range[0,Floor[x/2]]^2,{x,100}]]]
A230239numbers that are congruent to {0,1,4,5,9,12,13} mod 16
chr93918 发表于 2014-4-20 06:46
x^2-4y^2=m,其中m取1,2,3,...2014,x,y均为整数。问m可以取哪些数?

1,2,3,...2014中,这些mod 16剩余类的个数
$\bmod 16$$0$$1$$4$$5$$9$$12$$13$
个数$125$$126$$126$$126$$126$$126$$126$

总数是$125+126+126+126+126+126+126=\boxed{881}$.

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hbghlyj 发表于 2024-4-5 21:53

$x^2-4y^2=m\iff m\equiv0,1\pmod4\land m≢8\pmod{16}$

$\Rightarrow$的证明:
$x^2\equiv m\pmod4$,故$m\equiv0,1\pmod4$.
假设$m\equiv8\pmod{16}$,则$2\mid x$,则$(\frac x2)^2-y^2=\frac m2$,
但是$(\frac x2)^2,y^2\equiv0,1\pmod8$而$\frac m2\equiv4\pmod8$,矛盾。所以$m≢8\pmod{16}$.

$\Leftarrow$的证明:
若$m\equiv1\pmod4$,则$m=(\frac{m+1}2)^2-4(\frac{m-1}4)^2$
若$m\equiv0\pmod{16}$,则$m=(\frac{m}8+2)^2-4(\frac{m}{16}-1)^2$
若$m\equiv\pm4\pmod{16}$,则$m=(\frac{m}4+1)^2-4(\frac{\frac{m}4-1}2)^2$

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hbghlyj 发表于 2024-4-5 22:14
本帖最后由 hbghlyj 于 2024-4-5 23:01 编辑 上面证明了$\{x^2-4y^2:x,y\inZ\}$是公差为16的7个等差数列的并集。
一般地,$d$ 是完全平方数时,$x^2-dy^2$的判别式$4d$是完全平方数,根据这篇文章,$\{x^2-dy^2:x,y\inZ\}$包含一个等差数列。文中证明了更一般的结论:
$\{ax^2+bxy+cy^2:x,y\inZ\}$包含一个等差数列 当且仅当 $b^2-4ac$是完全平方数

If the form $a x^2+b x y+c y^2(a, b, c \in \mathbb{Z})$ has a discriminant which is a nonzero perfect square and $a \neq 0$ then
\[
a\left(a x^2+b x y+c y^2\right)=(a x+g y)(a x+h y)
\]
for some integers $g$ and $h$ with $g \neq h$ and at least one of $g$ and $h$ nonzero, say $g \neq 0$. Set $m=\operatorname{gcd}(a, g) \in \mathbb{N}$. Let $x_0, y_0 \in \mathbb{Z}$ be such that $a x_0+g y_0=a m$. Choose $x=$ $x_0+g t / m$ and $y=y_0-a t / m$, where $t \in \mathbb{Z}$, so that $x, y \in \mathbb{Z}$ and $a x+g y=a m$. Then $a x^2+b x y+c y^2=m(a x+h y)=a(g-h) t+m\left(a x_0+h y_0\right)$ takes on all the values in the arithmetic progression $r \mathbb{Z}+s$, where $r=a(g-h) \in \mathbb{Z} \backslash\{0\}$ and $s=$ $m\left(a x_0+h y_0\right) \in \mathbb{Z}$. Thus, by the remark preceding the proof, $a x^2+b x y+c y^2$ takes on all the values in the arithmetic progression $k \mathbb{N}_0+l$, where $k=|r| \in \mathbb{N}$ and $l$ is any positive integer in $r \mathbb{Z}+s$.

If the form $a x^2+b x y+c y^2(a, b, c \in \mathbb{Z})$ has a discriminant which is a nonzero perfect square and $a=0$ then $b \neq 0$ and we see that $a x^2+b x y+c y^2=y(b x+c y)$ represents every integer in the arithmetic progression $b \mathbb{Z}+c$ by taking $y=1$. Thus, by the remark preceding the proof, $a x^2+b x y+c y^2$ takes on all the values in the arithmetic progression $k \mathbb{N}_0+l$, where $k=|b| \in \mathbb{N}$ and $l$ is any positive integer in $b \mathbb{Z}+c$.

Finally we show that a binary quadratic form $a x^2+b x y+c y^2(a, b, c \in \mathbb{Z})$ having a discriminant which is not a perfect square cannot represent all the integers in $k \mathbb{N}_0+l$ for any $k, l \in \mathbb{N}$. Suppose on the contrary that the binary quadratic form $a x^2+b x y+c y^2(a, b, c \in \mathbb{Z})$ of nonsquare discriminant $d=b^2-4 a c$ represents all the integers in $k \mathbb{N}_0+l$ for some $k, l \in \mathbb{N}$. Let $\left(\frac{d}{*}\right)$ denote the Kronecker symbol for discriminant $d[1$, p. 290]. It is a well-known result that as $d$ is not a perfect square there exists an integer $m$ such that $\left(\frac{d}{m}\right)=-1$; see for example [1, p. 292]. As $\operatorname{gcd}(|d|, m)=1$, by Dirichlet's theorem on primes in arithmetic progression $[\mathbf{1}$, p. 23] there exist infinitely many primes congruent to $m(\bmod |d|)$. We can therefore choose a prime $p>\max (4|a|, m, k, l)$ such that $p \equiv m(\bmod |d|)$. Next we recall that if $m_1, m_2 \in \mathbb{N}$ and $m_1 \equiv m_2(\bmod |d|)$ then $\left(\frac{d}{m_1}\right)=\left(\frac{d}{m_2}\right)$; see for example [1, p. 291]. Hence
\[
\left(\frac{d}{p}\right)=\left(\frac{d}{m}\right)=-1 .
\]
As $p$ is a prime and $p>k$, we have $p \nmid k$, so there are integers $t$ and $u$ such that
\[
k t=1+u p^2, \quad 1 \leq t<p^2, \quad 0 \leq u<k .
\]
Set $n=t\left(p^2+p-l\right) \in \mathbb{N}$. A short calculation shows that
\[
k n+l=p\left(l+(1-l u) p+u p^2+u p^3\right)
\]
so that $p \nmid k n+l$ and $p^2 \nmid k n+l$. By assumption there exist integers $x$ and $y$ such that $k n+l=a x^2+b x y+c y^2$. Hence
\[
(2 a x+b y)^2=4 a(k n+l)+d y^2 \equiv d y^2\pmod p .
\]
Suppose $p \nmid y$. Then there exists an integer $z$ such that $y z \equiv 1\pmod p$ and
\[
((2 a x+b y) z)^2 \equiv d y^2 z^2 \equiv d\pmod p
\]
so that $\left(\frac{d}{p}\right)=0$ or 1 , contradicting $\left(\frac{d}{p}\right)=-1$. Hence $p \mid y$. Thus $p \mid 2 a x+b y$ and so $p^2 \mid 4 a(k n+l)$. But $p>4|a|$ so $p \nmid 4 a$. Thus $p^2 \mid k n+l$. This is the required contradiction.
The proof is now complete.

REFERENCES
  • R. Ayoub, An Introduction to the Analytic Theory of Numbers, American Mathematical Society, Providence, RI, 1963.

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睡神 发表于 2024-4-5 23:36 来自手机
弱弱的问问,D为完全平方数时,为啥不直接因式分解?

$(x-2y)(x+2y)=m$

令$a=x-2y,b=x+2y$,则$x=\dfrac{a+b}{2},y=\dfrac{b-a}{4},m=ab$

因此有$a\equiv b\pmod{4}$

后面进行简单的讨论即可
除了不懂,就是装懂

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hbghlyj 发表于 2024-4-6 01:13
上面的$$
\{x^2-4y^2:x,y\inZ\}=(4ℤ)^2\cup(1+4ℤ)^2\cup(2+4ℤ)^2\cup(3+4ℤ)^2$$
(此处$(k+4ℤ)^2$是指$\{ab:a,b\equiv k\pmod4\}$)
注意到$(k+nℤ)^2=((n-k)+nℤ)^2$,可以去除上式右端的$>2$部分:
$$\tag1\label{eq1}\{x^2-4y^2:x,y\inZ\}=(4ℤ)^2\cup(1+4ℤ)^2\cup(2+4ℤ)^2$$
注意到
$\forall n,(1+nℤ)^2=1+nℤ$,因为每个$x\in1+nℤ$都能写成$1\times x$.
因此
\begin{align*}
(4ℤ)^2&=16ℤ\\
(1+4ℤ)^2&=1+4ℤ\\
(2+4ℤ)^2&=4(1+2ℤ)^2=4(1+2ℤ)=4+8ℤ
\end{align*}
代入\eqref{eq1},
$$\{x^2-4y^2:x,y\inZ\}=16ℤ\cup(1+4ℤ)\cup(4+8ℤ)$$
即{0,1,4,5,9,12,13} mod 16

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hbghlyj 发表于 2024-4-6 01:39
同理,对于x^2 - 9*y^2 = N
$$\tag2\label{eq2}
\{x^2-9y^2:x,y\inZ\}=(6ℤ)^2\cup(1+6ℤ)^2\cup(2+6ℤ)^2\cup(3+6ℤ)^2$$

\begin{align*}
(6ℤ)^2&=36ℤ\\
(1+6ℤ)^2&=1+6ℤ\\
(2+6ℤ)^2&=4(1+3ℤ)^2=4(1+3ℤ)=4+12ℤ\\
(3+6ℤ)^2&=9(1+2ℤ)^2=9(1+2ℤ)=9+18ℤ\\
\end{align*}
代入\eqref{eq2},
$$\{x^2-9y^2:x,y\inZ\}=36ℤ\cup(1+6ℤ)\cup(4+12ℤ)\cup(9+18ℤ)$$
Union[Range[0,35,36],Range[1,35,6],Range[4,35,12],Range[9,35,18]]
即{0, 1, 4, 7, 9, 13, 16, 19, 25, 27, 28, 31} mod 36

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hbghlyj 发表于 2024-4-6 02:07
同理,对于$x^2 - 16y^2$,
$$\tag3\label{eq3}
\{x^2-16y^2:x,y\inZ\}=(8ℤ)^2\cup(1+8ℤ)^2\cup(2+8ℤ)^2\cup(3+8ℤ)^2\cup(4+8ℤ)^2$$

\begin{align*}
(8ℤ)^2&=64ℤ\\
(1+8ℤ)^2&=1+8ℤ\\
(2+8ℤ)^2&=4(1+4ℤ)^2=4(1+4ℤ)=4+16ℤ\\
(3+8ℤ)^2&=???\\
(4+8ℤ)^2&=16(1+2ℤ)^2=16(1+2ℤ)=16+32ℤ\\
\end{align*}
代入\eqref{eq3},
$$\{x^2-16y^2:x,y\inZ\}=64ℤ\cup(1+8ℤ)\cup(4+16ℤ)\cup???\cup(16+32ℤ)$$
问号部分不知是什么

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hbghlyj 发表于 2024-4-6 03:16
hbghlyj 发表于 2024-4-5 18:07
问号部分不知是什么

$(3+8ℤ)^2$无法写成一个剩余类。它是无穷多个剩余类的并集:
\begin{align*}(3+8ℤ)^2&=\bigcup_{n\inZ}(3+8n)(3+8ℤ)\\
&=\bigcup_{n\inZ}3(3+8n)+8(3+8n)ℤ
\end{align*}
这些$3(3+8n)+8(3+8n)ℤ$互不包含
(若把上面的$(1+8ℤ)^2$也写出来,会发现当$n=0$出现的$1+8ℤ$包含其余的,所以并集是$1+8ℤ$)

代入\eqref{eq3}:
$$\{x^2-16y^2:x,y\inZ\}=64ℤ\cup(1+8ℤ)\cup(4+16ℤ)\cup(16+32ℤ)\cup\bigcup_{n\inZ}3(3+8n)+8(3+8n)ℤ$$
不能写成有限个剩余类的并集,只能写成无穷多个剩余类的并集。

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hbghlyj 发表于 2024-4-6 03:53
hbghlyj 发表于 2024-4-5 19:16
$(3+8ℤ)^2$无法写成有限个剩余类的并集。


我不會證明。发到math.stackexchange.com/questions/4893923/product-of-two-residue-classes 问了一下,已經解決了。

把上面的推广到任意$d$:集合$\{x^2 - d^2y^2:x,y\inZ\}$为有限个剩余类之并当且仅当$\forall1<k<d:k\mid2d$
这个对于$d>3$都不成立,因为$d-1\nmid2d$.
所以:$d\inN^+$,集合$\{x^2 - d^2y^2:x,y\inZ\}$可以写成有限个剩余类的并集当且仅当$d\in\{1,2,3\}$.

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睡神 发表于 2024-4-6 09:59
hbghlyj 发表于 2024-4-6 03:53
我不會證明。发到https://math.stackexchange.com/questions/4893923/product-of-two-residue-classes 问 ...

大哥,我们都在睡觉呢

点评

哈哈  发表于 2024-4-6 10:02
除了不懂,就是装懂

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GMT+8, 2025-3-4 15:31

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