Введение
Линейным диофантовым уравнением называется уравнение с несколькими неизвестными вида а1х1 + ... + аnхn = с, где (известные) коэффициенты а1,..., аn и с -- целые числа, а неизвестные х1, …xn также являются целыми числами. К решению подобных уравнений сводятся разнообразные текстовые задачи, в которых неизвестные величины выражают количество предметов того или иного рода и потому являются натуральными (или неотрицательными целыми) числами.
Теория решения подобных уравнений является классическим разделом элементарной математики. В ней не приходится писать сложные и громоздкие формулы, а необходимо проводить аккурат-ные рассуждения, базирующиеся на определенных понятиях теории чисел и связанные в стройную логическую конструкцию. В рамках этой теории можно дать исчерпывающее решение рассматриваемого класса задач с четко описанным алгоритмом получения ответа.
Конкретные задачи такого рода были решены еще в Древнем Вавилоне около 4 тысяч лет тому назад. Древнегреческий мысли-тель Диофант, который жил около 2 тысяч лет тому назад, в своей книге «Арифметика» решил большое число таких и более сложных уравнений в целых числах и в сущности описал общие методы их решения.
В школьных учебниках эта тема затрагивается вскользь, да и то лишь в 8-м классе, в то время как задачи, где требуется решать уравнения описанного типа, относительно часто предлагаются на вступительных экзаменах.
В настоящей брошюре на примерах решения конкретных экза-менационных задач МГУ им. М.И. Ломоносова мы расскажем об основных результатах и методах теории линейных диофантовых уравнений. Поскольку, за редким исключением, на экзаменах предлагаются уравнения с двумя неизвестными, мы ограничим-ся этим случаем, то есть будем рассматривать уравнения вида
ах + Ьу = с. Это позволит упростить теоретические рассмотрения, не ограничивая, в сущности, общности описываемых методов (мы продемонстрируем это в задаче 13 на примере конкретного уравне-ния вида ах + Ьу + сz = d.
Следует отметить, что каждая конкретная задача в целых числах может решаться с помощью раз-ных методов. Целью нашей работы является демонстрация возможностей теории линейных диофан-товых уравнений.
Однородные уравнения
Прежде всего, мы рассмотрим однородные линейные уравнения, то есть уравнения вида
ах + by = 0, все члены которых являются одночленами первой степени.
Если коэффициенты а и Ь имеют общий делитель d, то обе части уравнения ах + by = 0 можно сократить на d. Поэтому, не нарушая общности, можно считать, что числа а и b -- взаимно про-стые.
Рассмотрим, например, уравнение 80х + 126y = 0.
Разложим коэффициенты а = 80 и b=126 на простые множители: а = 24 * 5, b = 2 * З2 * 7. Наибольший общий делитель чисел а = 80 и b = 126 равен 2, и после сокращения на 2 мы получим уравнение
40x + 63y = 0, (1)
в котором коэффициенты а = 40 = 23 * 5 и b = 63 = З2 * 7 являются взаимно простыми целыми чис-лами.
Разложение на простые множители коэффициентов уравнения, которое мы использовали для сокраще-ния на наибольший общий делитель, можно использовать и для завершения решения. Пере-пишем уравнение (1) в виде:
23*5*х = -32*7*у.(2)
Левая часть уравнения (2) делится на 23 * 5. Поэтому и правая часть, которая равна левой, должна делиться на 23 * 5, а это возможно тогда и только тогда, когда неизвестная у делится на 23 * 5:
у = 23 * 5 * u = 40u,(3)
где и -- некоторое целое число.
Аналогичные рассуждения применимы и к правой части урав-нения (2). Правая часть делится на
З2 * 7. Поэтому и левая часть, которая равна правой, должна делиться на З2 * 7, а это возможно тогда и только тогда, когда неизвестная х делится на З2 * 7:
x = З 2 * 7 * v = 63v,(4)
где v -- некоторое целое число.
Равенства (3) и (4) фактически вводят новые целочисленные неизвестные u, v вместо основных неизвестных х, у. Для новых неизвестных уравнение (2) примет вид: u = -v. Множество решений этого уравнения состоит из бесконечного количества пар:
(-3; 3), (-2; 2), (-1; 1), (0; 0), (1; -1), (2; -2), (3; -3), ...
Иначе говоря, этому уравнению удовлетворяют все пары (-u; u) вида (-n; n), где n -- произволь-ное целое число, и только они. Пе-ременная n в этих формулах является своеобразным «номером» решения.
Возвращаясь к основным неизвестным х и у, мы получим, что множество решений уравнения (2) можно записать в виде: хп = 63n, у = -40n, где n -- произвольное целое число.
Как ясно из приведенного решения (2), оно совершенно не привя-зано к точным значениям коэффициен-тов а и b и не изменится, если вместо чисел а = 40, b = 63 рассмотреть произвольные взаимно про-стые числа. Таким образом, справедлива следующая теорема, которая дает полное решение диофантовых уравнений вида ах + by = 0.
Теорема 1. Если числа а и b -- взаимно простые, то уравне-ние ах + by = 0 имеет бесконечно много решений в целых чис-лах, которые находятся во взаимно однозначном соответствии с множест-вом целых чисел Z (то есть могут быть занумерованы целыми числами) и описываются формулой: хп = bn, yn = -an, где n Z -- «номер» решения.
Эта теорема часто встречается при решении разнообразных за-дач на целые числа, и мы рекомен-дуем абитуриентам запомнить ее формулировку.
В качестве простого примера применения теоремы 1 рассмотрим следующую задачу.
Задача 1. Найти все целочисленные решения уравне-ния
х2 + 5y2 + 34z2 + 2ху - 10xz - 22уz - 0.
Решение. Рассмотрим уравнение
х2 + 5у2 + 34z2 + 2ху - 10xz - 22yz = 0
как квадратное уравнение относительно одной неизвестной х:
х2 + 2х(у - 5г) + by2 + 34z2 - 22yz = 0.
Тогда
= (y-5z)2-(5y2+34z2-22yz)=-(2y-3z)2.
Если это уравнение имеет решение, то дискриминант должен быть неотрицательным, что воз-можно только в случае 2у - 3z = 0. Тогда дискриминант равен нулю, и уравнение имеет единствен-ное решение х = 5z- у.
Итак, исходное уравнение равносильно системе
Общее решение первого уравнения в целых числах дается форму-лами у = Зn, z = 2n, где n Z. Из второго уравнения теперь можно найти х (причем х автоматически будет целым числом): х = In.
Таким образом, исходное уравнение имеет бесконечно много целочисленных решений, которые могут быть описаны формулой (х; у; z) -- (7n; Зn; 2n), n Z.
Ответ: (х; у, z) = (7n; Зn; 2n), n e Z.
Общие линейные уравнения
В этом разделе мы будем рассматривать диофантовы уравнения вида ах + by = с.
Прежде всего отметим, что, вообще говоря, такое уравнение может и не иметь целочисленных реше-ний.
Действительно, допустим, что уравнение ах + by = с имеет реше-ние. Если коэффициенты а и b имеют общий делитель d > 1, то число ах + by, которое стоит в левой части, можно без остатка разде-лить на d. Поэтому и правую часть уравнения, то есть свободный член с, можно без остатка разделить на d. Иначе говоря, справедлива следующая теорема.
Теорема 2. Если наибольший общий делитель d коэффициентов а и b больше 1, а свободный член с не делится на d, то уравнение ах + by = с не имеет решений в целых числах.
Это простое утверждение часто используется, например, для доказательства иррациональности чисел, записанных с помощью радикалов.
Задача 2. Дока-зать, что число не является рациональным числом.
Решение. Допустим противное, что -- число рациональное.
Тогда существуют натуральные т, п такие, что .
Избавляясь от радикала и дроби, получим:
2n3 = т3(5)
Разложим числа т и n на простые множители (мы явно указы-ваем только простой множитель 2):
т = 2х*...
n = 2y*...
где х, у -- неотрицательные целые числа (отсутствие простого мно-жителя 2 в разложении озна-чает, что соответствующий показатель степени равен нулю).
Тогда равенство (5) примет вид:
23y + 1*... = 23х*...
В силу единственности разложения натурального числа на про-стые множители
Зу + 1 = 3x 3(х - у) = 1.
Последнее уравнение является линейным диофантовым уравнени-ем вида ах + Ьу = с, причем коэффи-циенты а = 3, b = -3 делятся на 3, в то время как свободный член с = 1 -- нет. Значит, это уравнение не имеет целочисленных решений, что означает ложность исходного предположения о рациональности числа .
.Будем теперь рассматривать только такие уравнения вида ах + by = с, в которых свободный член с делится на d = НОД(а; b). После деления обеих частей уравнения на d мы получим уравнение того же вида, но уже со взаимно простыми коэффициентами при неизвестных. Только такие уравнения мы будем рассматривать ниже в этом разделе.
В этом случае со стороны теоремы 2 нет препятствий к тому, что-бы уравнение имело целочислен-ные решения. Но отсюда, конечно, не следует, что решения обязаны быть.
На самом деле ответ на этот вопрос положительный.
Теорема 3. Любое уравнение ах + by = с, где НОД(а; b) = 1, имеет хотя бы одно решение в целых числах.
Доказательство. Уравнение ах + by = с имеет решение тогда и только тогда, когда число с входит в область значений М функции f(x; у) = ах + by от двух целочисленных аргументов х, у. Поэтому наша теорема фактически утверждает, что М = Z. Именно этот факт мы и будем доказывать.
Прежде всего отметим, что множество М содержит бесконечно мно-го чисел, например, 0= f (0; 0), а = f (1; 0), -а = f (-1; 0), а + b = f (1; 1) и т.д. Поскольку f(-x; -у) = -f(x; у), это множество имеет вид:
{..., -и2, -п1, 0, n1, n2,...},
где n1 < n2 < ... -- натуральные числа.
Рассмотрим наименьшее положительное число из М, то есть n1 и докажем, что оно равно 1. Для этого разделим число |а| на n1 с остатком, то есть найдем такие целые числа q (неполное частное) и r (остаток), что |а| = n1q + r, причем 0 r п . Поскольку число n1 принадлежит множеству М, для некоторых целых х0 и у0 верно равенство n] = ах0 + bу0. Кроме того,
| а | = sgn (a) * а,
где sgn(а) = +1, если а > О, и sgn(а) = -1, если а < 0.
Тогда
г = | а | - n1g = sgn (а) *а - (ах0 + by0) -q = ax + by,
где x: = sgn(а) - x0q, у = -y0q -- некоторые целые числа. Поэтому неотрицательное целое число г также принадлежит множеству М. Если бы число г было положительным, то условие 0 < r < n , кото-рому удовлетворяет г как остаток от деления на л,, означало бы, что в множестве М есть положительное число, меньшее, чем n1 чего быть не может. Значит, r = 0, то есть | а| (а вместе с ним и а) делится без остатка на n1.
Аналогичные рассуждения показывают, что и b делится без остатка на n1. Следовательно, n1 -- общий делитель чисел а и b, a поскольку эти числа взаимно простые, число n1 равно 1.
Функция f(x; y) = ax + by обладает свойством: f(kx; ky) = k * f(x; у). Поэтому если некоторое число с М, то и число kc M. Как мы установили, 1 М. Значит, и любое целое число k входит в М, то есть М = Z. Это и означает справедливость нашей теоремы.
Имея в виду более сложные задачи, мы в качестве простого следствия из доказанной теоремы 3 получим еще одну важную теорему.
Теорема 4. Если числа а и b -- целые, то множество значений функции f(x; y) = ax + by от двух целочис-ленных аргументов х и у совпадает с множеством чисел, кратных d = НОД(а; b), то есть с множеством {..., --2d, --d, 0, d, 2d, ...}.
Доказательство. Так как d = НОД(а; b), числа а и b можно запи-сать в виде: а = da, b = db, причем числа а, b -- взаимно простые. Тогда f(x; у) = d *(ах + bу). В силу теоремы 3, любое целое число n можно представить в виде ах + bу. Поэтому множество чисел, которые могут быть записаны в виде ах + by, есть {..., -2d, -d, 0, d, 2d, ...}.
Приведенное доказательство теоремы 3 дает удобный метод нахождения частного (то есть конкрет-ного) решения при решении конкретных уравнений вида ах + by = с (если а и b взаимно простые целые числа):
1) нужно образовать две последовательности чисел:
-..., -2а, -а, О, а, 2а, ... и -..., -2b, -b, О, b, 2b, ...
(обычно достаточно выписать по несколько членов в обе стороны), и расположить их друг под другом так, чтобы положительные члены одной стояли под отрицательными членами другой;
2) затем в уме находить всевозможные суммы пар членов этих последовательностей, пока не най-дем пару, дающую в сумме с.
Рассмотрим, например, уравнение 2х - bу =1. Выпишем ряды чисел, кратных коэффициентам а = 2 и b = -5:
Из этой таблицы ясно, что второе число из первой строки (то есть -4), которое соответствует х = -2, и третье число из второй строки (то есть 5), которое соответствует у = -1, и дают в сумме 1. Та-ким образом, уравнение 2х- bу = 1 имеет частное решение х0 = -2, у0 = -1. Конечно, эту пару можно найти и проще, просто подставляя в исходное урав-нение в уме небольшие числа с тем, чтобы полу-чить верное равенст-во. Для несложных уравнений обычно поступают именно так.
В ряде случаев приходится выписывать довольно много (несколь-ко десятков) членов последовательно-стей ах и by. Тогда, конечно, описанный прием не очень удобен, так как требует больших затрат времени. В этой ситуации обычно рекомендуют использовать ал-горитм Евклида для нахождения наибольшего общего делителя коэффициентов а и b (само доказательство замечатель-ной теоремы 3 также может быть получено с помощью алгоритма Евклида). Мы продемонст-рируем этот алгоритм при решении задачи 6.
На примере следующей задачи мы продемонстрируем, как с по-мощью частного решения уравне-ния ах + by = с можно свести дело к решению соответствующего однородного уравнения ах + by = 0 и, применяя теорему 1, получить полное решение.
Задача 3. Остаток от деления некоторого натурального числа n на 6 равен 4, остаток от деления n на 15 равен 7. Чему равен остаток от деления n на 30?
Решение. Тот факт, что остаток от деления числа n на 6 равен 4, означает, что существует неотри-цательное целое х такое, что n = 6х + 4. Аналогично, существует неотрицательное целое y такое, что n= 15у + 7. Исключая из этих равенств число n, для х и у получим уравнение
2х-бу-1. (6)
Чтобы решить это уравнение, прежде всего, найдем какое-нибудь частное решение в целых (не обязательно неотрицательных) числах. Мы это уже сделали выше, когда разбирали пример, иллюстрирую-щий метод поиска частных решений линейных диофантовых урав-нений; в нашем случае в качестве такого частного решения можно взять, например, х0 =-2, y0 =-1, так что верно равенство
2* (-2)-5* (-1)=1.(7)
Вычитая из уравнения (в) равенство (7), получим:
2(х + 2) = 5(y + 1).
Общее решение этого уравнения в целых числах имеет вид:
х + 2 = 5k, у + 1 = 2k,
где k -- произвольное целое число. Чтобы числа х и у были неотри-цательными, параметр k должен быть натуральным числом. Теперь для числа n имеем:
n = 6х + 4 = 6(5k - 2) + 4 = 30k - 8 = 30(k - 1) + 22.
Поскольку целое число (k -- 1) неотрицательно, это равенство означает, что остаток от деления n на 30 равен 22.
Ответ: 22.
Задача 4. Фирма продавала чай в центре города по 7 руб., а кофе по 10 руб. за стакан; на вокзале -- по 4 руб. и 9 руб. соответственно. Всего было продано за час 20 стаканов чая и 20 стаканов кофе, при этом выручка в центре и на вокзале оказалась одинаковой. Сколько стаканов кофе было продано в центре?
Решение. Пусть n и т соответственно -- количество стаканов чая и кофе, проданных в центре города. Тогда количество стаканов чая и кофе, проданных на вокзале, будет равно 20 - n и 20 -- т соответ-ственно. По смыслу задачи переменные n и т -- неотрицательные целые числа, не превосходящие 20: n, т = 0,1,..., 20.
Общая выручка в центре равна 7n + 10m руб., а на вокзале равна 4(20 -- n) + 9(20 -- т) руб. По условию задачи эти величины равны:
7n + 10m = 4(20 - n) + 9(20 - т) 11n + 19m = 260.
Решим уравнение 11n + 19m = 260:
1. Найдем частное решение; им будет, например, n0 = 15, т0 = 5.
2. Вычитая из равенства 11n + 19m = 260равенство 11 * 15 +19 * 5 = 260, мы получим однородное уравнение: 11(n - 15) = 19(5 - m).
3. Общее решение этого однородного уравнения в целых числах имеет вид:
n-15=19k, 5-m=11k,
где k Z. Соответственно, общее решение исходного уравнения в целых числах имеет вид:
n = 15 + 19k, т = 5 - 11k,
где k Z.
Поскольку n, т ? 0, параметр k может быть равен только нулю. Поэтому найденное частное решение будет единственным решени-ем исходного уравнения в неотрицательных целых числах: n = 15, т = 5. Так как это решение, кроме того, удовлетворяет условию n, m ? 20, найденное значение m = 5 и будет ответом задачи.
Ответ: 5 стаканов.
Практически дословное повторение рассуждений, проведенных при решении задач 3 и 4, позволяет доказать, что общее решение уравнения ах + bу = с представляет собой сумму частного решения (х0 ; у0) этого уравнения и общего решения соответствующего одно-родного уравнения ах + by = 0. Отсюда, в свою очередь, вытекает следующая важная общая теорема.
Теорема 5. Если числа а и b -- взаимно простые, то уравнение ах + by = с имеет бесконечно много решений в целых числах, которые находятся во взаимно однозначном соответствии с мно-жеством целых чисел Z (то есть могут быть занумерованы целыми числами) и описываются формулой: хn = х0 + bn, yn = y0 - an, где n Z -- «номер» решения, а х0, у0 -- частное решение (которое существует в силу теоремы 3).
Важно подчеркнуть, что в рассмотренном методе решения урав-нений вида ах + by = с частное решение мы ищем только для того, чтобы свести дело к однородному уравнению. Иногда, как, напри-мер, в следующей задаче, этого можно добиться и проще.
Задача 5. Найти все наборы натуральных чисел х, у, z, удовлетворяющие следующим условиям:
Решение. Исключим г из второго уравнения системы: г = у + 7. Тогда первое уравнение примет вид:
11х - 6у = y + 7 11x - 7y = 7
Если перенести свободный член 7 из правой части и сгруппиро-вать члены 7у и 7, то мы получим уравнение
11x-7(y + 1) = 0,
которое является однородным относительно хи«ву+ 1. В силу теоремы 1 его общее решение в целых числах имеет вид: х = 7n, у + 1 = 11n, где n -- произвольное целое число. Соответственно, (x; у) = (7n; 11n -1), n Z. Чтобы x и у были натуральными, долж-ны быть выполнены условия 7n > 0 и 11n -1 > 0, что равносильно тому, что n -- натуральное число. Если у -- натуральное число, то z = y + 7 автоматически будет натуральным.
Итак, общее решение системы из двух первых уравнений в на-туральных числах имеет вид: (х; у; z) = (7n; 11n - 1; 11n + 6), где n -- произвольное натуральное число.
Дополнительное условие, что х ? 20, означает, что параметр n < 2. Итак, для n есть всего два возможных значения: 1 и 2. Им соответ-ствует два набора неизвестных (х; у; z): (7; 10; 17) и (14; 21; 28).
Ответ: (7; 10; 17), (14; 21; 28)
Теперь решим более трудные задачи.
Задача 6. Тёма сделал несколько мелких покупок в супермарке-те, имея при себе 100 рублей. Давая сдачу с этой суммы, кассир ошиблась, перепутав местами цифры, и выплатила рублями то, что должна была вернуть копейками, и, наоборот, копейками то, что полагалось вернуть рублями. Купив в аптеке набор пипеток за 1 руб. 40 коп., Тема обнаружил ошибку кассира и, пересчитав деньги, нашел, что оставшаяся у него сумма втрое превышает ту, которую ему должны были вернуть в супермаркете. Какова стоимость всех покупок Темы?
Решение. Пусть правильная сдача равна n руб. и т коп., то есть (100n + т) коп. Реально кассирша выплатила сумму т руб. и n коп., то есть (100m + n) коп. После покупки пипеток у Темы останется (100т + n --140) коп. По условию эта сумма в три раза больше, чем 100n + т. Это дает следующее уравнение для неизвестных n и т:
100т + n - 140 - 3 * (100n + т) 97m - 299m - 140. (8)
Поскольку число копеек не может быть больше, чем 99, справед-ливо двойное неравенство: 1 ? n, m ? 99. Оно, в частности, влечет, что сдача не превышает первоначальную сумму в 100 рублей, которая была у Темы.
Хотя уравнение (8) является стандартным уравнением в целых числах вида ах + by = с, найти его частное решение (чтобы свести дело к однородному уравнению) простым подбором весьма непро-сто. На этом примере мы продемонстрируем общий метод поиска частного решения (алгоритм Евклида), который автоматически приводит к успеху.
Рассмотрим коэффициенты при неизвестных (а = 97 и b = 299) и разделим больший коэффициент на меньший. В результате получим неполное частное 3 и остаток 8. Иначе говоря, справедливо равен-ство 299 = 3*97 + 8, или, что то же самое, 8 = 299 -3*97.
Теперь заменим больший коэффициент (то есть 299) на остаток (то есть 8) и проделаем с парой 97, 8 ту же процедуру: разделим 97 на 8. В результате мы получим неполное частное 12 и остаток 1. Иначе говоря, справедливо равенство 97 = 12*8 + 1, или, что то же самое, 1 = 97 -- 12*8. Заменим в этом равенстве число 8 выражением 299 - 3 * 97, найденным в предыдущем абзаце:
1 = 97-12* (299 - 3 * 97) = 37 * 97 - 12 * 299.
Итак, мы представили число 1 (это наибольший общий делитель чисел 97 и 299) в виде линейной комбинации чисел 97 и 299. Ум-ножая последнее равенство на 140, мы получим искомое частное решение уравнения (8): т0 = 37 * 140 = 5180, п0 = 12 * 140 = 1680.
Это частное решение обычным образом приводит к следующему общему решению уравнения (8) в целых числах:
Условия 1 < n, т ?99 однозначно определяют значение пара-метра k: k = -17, что приводит к следующим значениям основных неизвестных n и m=31, m=97.
Поэтому стоимость всех покупок Темы (в рублях) равна
100-31,97+1,40 = 69,43.
Проблему с поиском частного решения можно обойти с помощью следующего способа решения уравнения (8) (этот метод работает для любого уравнения вида ах+by=с и в сущности является вариантом алгоритма Евклида).
Выразим неизвестную с меньшим коэффициентом (в нашем случае -- это т) через другую неизвестную:
И выделим целую часть из дробей , ,
Введем новую неизвестную т1 (вместо т) по формуле т1 = т - Зn -1. Для нее последнее равенство примет вид:
97m1 = 8n + 43.
Это уравнение имеет тот же вид, что и исходное. Применим к нему процедуру, описанную в предыдущем абзаце: выразим неиз-вестную с меньшим коэффициентом (в нашем случае -- это n) через другую неизвестную:
и выделим целую часть из дробей ,
Введем новую переменную n1 (вместо n) по формуле n1 = n1 - 12т1 + 5. Для нее последнее равенство примет вид:
8n1 = т1-3.
Поскольку коэффициент при т1 равен 1, общее решение этого уравнения в целых числах есть:
.
Возвращаясь к основным неизвестным /гит, мы получим общее решение в целых числах уравнения (8)
При l=k+17 мы получим общее решение уравнения (8), най-денное ранее.
Описанный метод решения линейных диофантовых уравнений был известен уже математикам Древней Индии; они называли его «метод рассеивания».
Ответ: 69 руб. 43 коп.
Задача 7. Длина дороги, соединяющей пункты А и В, равна 2 км. По этой дороге курсируют два автобуса. Достигнув пункта А или пункта В, каждый из автобусов немедленно разворачивается и следует без остановок к другому пункту. Первый автобус движется со скоростью 51 км/ч, а второй -- со скоростью 42 км/ч. Сколько раз за 8 часов движения автобусы
а) встретятся в пункте В;
б) окажутся в одном месте строго между пунктами А и В,
если известно» что первый стартует из пункта А, а второй -- из пункта В?
Решение. Примем момент старта автобусов в качестве начального
и обозначим через tn , tn моменты времени, когда первый и второй автобусы в n-й раз окажутся в пункте В.
Поскольку первый автобус стартует из пункта А, к моменту n-го визита в В он пройдет путь sп = 2 + 4(n -1) = 4n - 2 (последователь-ность sn образует арифметическую прогрессию с разностью 4).
Поэтому tn= .
Второй автобус к моменту n-визита в пункт В пройдет путь sn = 4(n-1) = 4n -4 (последовательность sn также будет арифметической прогрессией с разностью 4). Поэтому tn =.
Встреча автобусов в пункте В означает, что для некоторых нату-ральных n и т верно равенство
Tn= Tm14n-17m=-10
Рассмотрим его как уравнение относительно п и т и решим его.
В качестве частного решения можно взять, например, n0 = 9, m0 = 8:
14*9-17*8 = -10.
Вычитая это равенство из уравнения 14n -- 17m = -10, мы полу-чим однородное уравнение:
14(n-9) = 17(m-8).
Его общее решение в целых числах имеет вид: n - 9 = 17k, т - 8 = 14k, где k Z. Отсюда
n = 9 + 17k, m = 8 + 14k. Поскольку нас интересует решение в натуральных числах, возможные значения целочислен-ного параметра k должны быть неотрицательными: k Z . Пере-менную k можно интерпретировать как номер встречи автобусов в пункте В (имея в виду, что встречи нумеруются не с 1, а с 0). Момент k-й встречи можно подсчитать как tn при n = 9 + 17k: tk = .
Число встреч за 8 часов равно числу решений неравенства tk ? 8 на множестве k Z:
Таким образом, за 8 часов автобусы ровно 6 раз встретятся в пункте В.
Перейдем теперь ко второй части задачи («сколько раз за 8 часов автобусы окажутся в одном месте строго между пунктами А и В? »). Прежде всего найдем, сколько раз за 8 часов автобусы встретятся в пункте А -- эта информация окажется позже нам полезной.
Как и в предыдущем исследовании, примем момент старта авто-бусов в качестве начального и обозначим через Tn, T"n -- моменты времени, когда первый и второй автобусы в n-й раз окажутся в пункте-А (рис. 1).
Поскольку первый автобус стартует из пункта А, к моменту n-го визита в А он пройдет путь Sn = 4(n-1) (последовательность Sn образует арифметическую прогрессию с разностью 4).
Поэтому
Tn=.
Второй автобус к моменту n-го визита в А пройдет путь S”n= 2 + 4(n -1) = 4n - 2 (последовательность S”n также будет арифметической прогрессией с разностью 4). Поэтому T”n=.
Встреча автобусов в пункте А означает, что для некоторых нату-ральных n и т верно равенство
Tn= T”n28n-34m=11
Левая часть этого уравнения -- четное число, а правая -- нет. Поэтому оно не имеет решений в целых числах. Следовательно, автобусы никогда не встретятся в пункте А.
Теперь перейдем непосредственно к решению второй части за-дачи. Для этого введем систему координат на дороге между А и В, выбрав в качестве начала отсчета пункт А, в качестве положитель-ного направления -- направление от А к В (рис. 2).
Пусть x1(t), x2(t) -- координаты первого и второго автобусов соот-ветственно в момент t. Графики функций x1(t) и x2(t) -- это ломаные линии, изображенные на рисунках 1 и 2 соответственно. Первая ломаная состоит из 102 пар звеньев с угловыми коэффициентами 51 и -51, а вторая -- из 84 пар звеньев с угловыми коэффициентами 42 и -42 (на рисунках мы исказили масштаб). Точки А и В на оси ординат имеют координаты 0 и 2 соответственно и соответствуют прохождению через пункты А и В.
Встреча автобусов в какой-то момент t означает совпадение их координат в этот момент: x1(t) = x2(t), то есть пересечение графиков функций x1(t) и x2(t).
Каждое звено первой ломаной пересекает вторую ломаную ровно в одной точке. Поэтому всего будет 102 точки пересечения возрас-тающих звеньев первой ломаной со второй ломаной и 102 точки пе-ресечения убывающих звеньев первой ломаной со второй ломаной. Поскольку автобусы не встречаются в пункте А, ни одна из этих точек не будет лежать на оси абсцисс. С другой стороны, поскольку авто-бусы встречаются 6 раз в пункте В, ровно 6 точек пересечения будет лежать на горизонтальной прямой у = 2. Эти точки будут включены как в 102 точки пересечения возрастающих звеньев первой ломаной со второй ломаной, так и в 102 точки пересечения убывающих звеньев первой ломаной со второй ломаной. Поэтому число точек пересече-ния, лежащих внутри полосы 0 < у < 2, равно
2*(102-6)=192
Ответ: а) 6 раз; б) 192 раза.
|
