中国是研究不定方程最早的国家,公元初的《九章算术》提出了不定方程:“今有五家共井,甲二绠不足,如乙一绠;乙三绠不足,如丙一绠;丙四绠不足,如丁一绠;丁五绠不足,如戊一绠;戊六绠不足,如甲一绠。如各得所不足一绠,皆逮。问井深、绠长各几何?”(有五个家庭共同用一口井,他们用甲、乙、丙、丁、戊五根长短不一样的绳子汲水,甲绳两根连接起来还不够井深,短缺数刚好是乙绳的长;乙绳3根连接还不够井深,短缺数刚好是丙绳的长;丙绳4根连接还不够井深,短缺数刚好是丁绳的长;丁绳5根连接还不够井深,短缺数是戊绳的长;戊绳6根连接还不够井深,短缺数是甲绳的长。问井深、绳长各是多少?)
《九章算术》原书附有答案:井深七丈二尺一寸,甲乙丙丁戊绠长分别为二丈六尺五,一丈九尺一,一丈四尺八,一丈二尺九,七尺六寸。就是一个不定方程组问题,是中国数学史上首次明确提出不定方程问题。
井深:W;甲绳:A;乙绳:B;丙绳:C;丁绳:D;戊绳:E,则
W =2A +B,
W =3B +C,
W =4C+D,
W =5D +E,
W =6E +A
此题6个未知数,只能列出5行方程,消元的结果,应能得到E =76 W/721。刘徽指出,《九章算术》的解法是“举率以言之”,实际上只给出了最小的一组正整数解。
解得
井深:W =721,
甲绳:A =265,
乙绳:B =191,(www.xing528.com)
丙绳:C=148,
丁绳:D =129,
戊绳:E =76
丢番图比《九章算术》的成书年代要迟三百多年。因此可以说,“五家共井”问题是世界上最早的不定方程。
公元5世纪的《张丘建算经》中的百鸡问题标志中国对不定方程理论有了系统研究。百鸡问题是说:“鸡翁一,值钱五,鸡母一,值钱三,鸡雏三,值钱一。百钱买百鸡,问鸡翁、母、雏各几何?”
设x,y,z 分别表鸡翁、母、雏的个数,则此问题即为求不定方程组的非负整数解x,y,z,这是一个三元不定方程组问题。
该问题是原书卷下第38题,也是全书的最后一题:原书给出解答如下:“答曰:鸡翁四,值钱二十;鸡母十八,值钱五十四;鸡雏七十八,值钱二十六。又答:鸡翁八,值钱四十;鸡母十一,值钱三十三;鸡雏八十一,值钱二十七。又答:鸡翁十二,值钱六十;鸡母四,值钱十二;鸡雏八十四,值钱二十八。”该问题导致三元不定方程组,《张丘建算经》给出了(x,y,z)=(4,18,78),(8,11,81),(12,4,84)三组解,是其全部正整数解。其重要之处在于开创“一问多答”的先例,这是过去中国古算书中所没有的。
《张丘建算经》提示了解法:“术曰:鸡翁每增四,鸡母每减七,鸡雏每益三,即得。”这个提示太简括,其具体解法后人有若干猜测。
郭书春的《中国古代数学》认为数学史家钱宝琮对解法的理解是:以3乘第2行,减第1行,化成7x+4y=100,其中4y 与100都是4的倍数,因此x 应是4的倍数:x=4t,那么y=25-7t,令t=1,2,3,则x=4,8,12,y=18,11,4,z=78,81,84。因为必须求正整数解,故x 不能为0或负数,也不能大于12,只能有以上3组解。
后来人们一直未能找到百鸡问题的一般解法,直到19世纪中叶,宋元数学复兴之后,骆腾凤《艺游录》、时曰醇《百鸡术衍》用大衍求一术(公元13世纪的南宋大数学家秦九韶提出的方法,将不定方程和同余理论联系起来)求解,才找到一般解法。
百鸡问题对阿拉伯和欧洲数学产生了巨大影响。13世纪意大利斐波那契的《算盘书》、15世纪阿拉伯的阿尔·卡西的《算术之钥》中都有百鸡问题,显然源于中国。在西方,最早接触一次同余组的也是斐波那契,他在《算盘书》中给出了两个一次同余问题,但没有一般解法。
米兰市里的斐波那契纪念雕像
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