關(guān)于二元不定方程整數(shù)解的MATLAB解法

張志恒

(鄭州財(cái)稅金融職業(yè)學(xué)院，鄭州 450048)

0 引言

不定式的方程是指由多個(gè)未知數(shù)組成且未知數(shù)取值為整數(shù)的方程，本研究的主要目標(biāo)是二元不定式，即方程中含有兩個(gè)未知數(shù)。定數(shù)方程的定義式為：xn+yn=zn，n≥2。現(xiàn)階段，不定式方程并沒有一個(gè)統(tǒng)一的解題方法，需根據(jù)不定式的基本原則對(duì)不定式方程進(jìn)行求解，然后再根據(jù)這一原則利用高等數(shù)學(xué)、初等數(shù)學(xué)中所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解題。本研究將以二元不定方程整數(shù)解的MATLAB解法為例來介紹如何通過MATLAB軟件求取不等式的解。

1 基本定義介紹

1.1 二元不定方程定義

形如xn-Dy2=c的方程為二元n(n≥2)次不等式，其中D是一個(gè)不等于0的正整數(shù)，c是一個(gè)不等于0的整數(shù)。需要注意的是，當(dāng)出現(xiàn)n=2，c=±1時(shí)，此方程式就為二元一次不定式。

1.2 MATLAB相關(guān)編程定義

MATLAB軟件是由美國(guó)MathWork公司研發(fā)而成的一款數(shù)學(xué)軟件，該軟件主要用于數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)運(yùn)算等，是一款高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言軟件。該軟件的產(chǎn)生為科學(xué)研究者、工程設(shè)計(jì)者帶來了很多方便，為他們提供了更加全面的問題解決方案，MATLAB軟件的研發(fā)出品具有非常重要的意義。

MATLAB與Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件，其中MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位與Mathematica、Maple的基本數(shù)據(jù)單位截然不同，其基本數(shù)據(jù)單位為矩陣，因此它的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力更加突出。①for循環(huán)：for循環(huán)是指對(duì)循環(huán)的結(jié)果進(jìn)行輸出，for循環(huán)主要包括以下幾個(gè)單詞：index、increment、endvalue。它們?cè)趂or循環(huán)語(yǔ)句中所代表的含義：index是指循環(huán)變量；increment是指增量；endvalue是指對(duì)運(yùn)行的循環(huán)進(jìn)行中止判斷。②if與 else或elseif的連用：if與else或elseif的連用是對(duì)前面邏輯問題的選擇，如果對(duì)前面的邏輯條件選擇認(rèn)同，那么就使用if else語(yǔ)句。如果對(duì)前面的邏輯條件選擇否認(rèn)，那么就使用if elseif。③函數(shù)floor(x)：函數(shù)floor(x)是指x向左進(jìn)行整數(shù)取值。例如：floor(-2.6) =-3，floor(3.7)=3。④函數(shù)sqrt(x)：函數(shù)sqrt(x)是指進(jìn)行x平方根的取值。例如：sqrt(16)=4。⑤函數(shù)power(x，1/n)：函數(shù)power(x，1/n)是指進(jìn)行x的n次方根的取值。例如：power(9，1/2)=3。⑥“==”表示當(dāng)對(duì)兩個(gè)式子進(jìn)行計(jì)算時(shí)，如果兩個(gè)式子的值相等，那么程序?qū)⒆詣?dòng)返回到1進(jìn)行運(yùn)算。如果兩個(gè)式子的值不相等，那么程序?qū)⒆詣?dòng)返回到0進(jìn)行運(yùn)算。

2 編程求解二元不定方程整數(shù)解的MATLAB設(shè)計(jì)思路

step1：對(duì)x0、y0這兩個(gè)重要變量進(jìn)行定義，然后對(duì)y取值范圍進(jìn)行設(shè)定，本程序?qū)τ趛的取值范圍規(guī)定為y≤50 000。

step2:確定本程序循環(huán)的表達(dá)式以及需要執(zhí)行的次數(shù)，并將“s”定義為不定式整數(shù)解的個(gè)數(shù)。

step3：確定本程序循環(huán)中for循環(huán)的語(yǔ)句，然后根據(jù)不定式整數(shù)解的算法過程確定for循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)，并對(duì)循環(huán)次數(shù)x、y進(jìn)行定義。

step4：對(duì)于不定式的求解過程使用if語(yǔ)句來實(shí)現(xiàn)，并對(duì)整數(shù)解進(jìn)行輸出，完成輸出后結(jié)束整個(gè)程序。

3 編程求解二元不定方程整數(shù)解的MATLAB設(shè)計(jì)程序

利用MATLAB軟件來求取二元不定方程整數(shù)解，本研究針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，具體程序如下：

(1)進(jìn)行二元二次不定式方程x2+Dy2=c(y≤50 000)的求解程序?yàn)椋?/p>

x0=?；y0=?；

y=1∶50 000；x1=floor(sqrt(D*50 000^2+c))；

x=1∶x1;s=0;

for y=1∶1∶50 000;for x=1∶1∶x1;

if x^2-D*y^2==c；

s=s+1；x0(s)=x;y0(s)=y;

end

end

end

(2)推廣：二元n次不定式方程xn+yn=c(y≤50 000)的求整數(shù)解程序?yàn)椋?/p>

x0=?；y0=?；

y=1∶50 000；x1=floor(sqrt(D*50 000^n+c))；

x=1∶x1;s=0;

for y=1∶1∶50 000;for x=1∶1∶x1;

if x^n-D*y^n==c；

s=s+1；x0(s)=x;y0(s)=y;

end

end

end

4 用MATLAB程序解二元不定方程的應(yīng)用

例1：求以下二元二次不定方程x2-43y2=-3(y≤50 000)的整數(shù)解。

解：將以上二元二次不定式方程所給出的已知條件帶入到以下的MATLAB程序中：

x0=?；y0=?；

y=1∶50 000；x1=floor(sqrt(43*50 000^2+1-3)，1/1)；

x=1∶x1;s=0;

for y=1∶1∶50 000;for x=1∶1∶x1;

if x^2-43*y^2==-3；

s=s+1；x0(s)=x;y0(s)=y;

end

end

end

通過以上的程序運(yùn)算，得出此二元二次不定式的整數(shù)解為：

x0=[13，400，90 932]；y0=[2，61，13 867]；S=3

例2：求取下面二元三次不定式x3-26y2=1(y≤50 000)的整數(shù)解。

解：將以上二元三次方程中的已知條件帶入到MATLAB程序中：

x0=?；y0=?；

y=1∶50 000；x1=floor(power(26*50 000^2+1,1/3))；

x=1∶x1;s=0;

for y=1∶1∶50 000;for x=1∶1∶x1;

if x^3-26*y^2==1；

s=s+1；x0(s)=x;y0(s)=y;

end

end

end

通過MATLAB程序的運(yùn)算能夠快速求得x3-26y2=1(y≤50 000)的整數(shù)解，即x0=[3,313]；y0=[1，1 086]；S=2。