Числа и делимость

Содержание

Задачи в целых числах и делимость

На ДВИ по математике задачи на числа делятся на два больших класса. Первый — собственно делимость: разложение на простые множители, работа с НОД и НОК, признаки делимости, сравнения по модулю и остатки. Второй — уравнения в целых числах (диофантовы): от простейших линейных ax+by=cax+by=c до уравнений второй степени с двумя-тремя переменными. В отличие от школьной программы, здесь требуется уметь разлагать сложные многочлены на множители, анализировать остатки от деления, пользоваться алгоритмом Евклида и применять свойства квадратного трёхчлена для ограничения перебора.


Часть I. Аппарат делимости

Прежде чем решать уравнения, нужен фундамент: как устроена делимость целых чисел. На ДВИ эти факты применяют без вывода, но ссылаться на них в решении обязательно — иначе под рубрику «±» теряются баллы за необоснованные переходы.

Свойства делимости

Из канонического разложения сразу получают число и сумму делителей.

НОД, НОК и алгоритм Евклида

Пример 1. НОД алгоритмом Евклида и каноническим разложением

Условие. Найдите НОД(1071,462)\text{НОД}(1071, 462) и НОК(1071,462)\text{НОК}(1071, 462).

Сравнения по модулю

Главный рабочий инструмент метода остатков — таблицы остатков квадратов и кубов. Запоминай их как факт (лист формул на ДВИ не выдают).

В отличие от исходной версии конспекта здесь приведён полный набор остатков по модулю 88: у чётного квадрата остаток равен 00 или 44 (а не только нечётный случай). Этот факт работает в задачах про сумму квадратов — см. Пример 7.

Круговая диаграмма-«циферблат» остатков по модулю 8

Часть II. Линейные диофантовы уравнения

Самый частый сюжет темы «делимость». Уравнение ax+by=cax+by=c (a,b,c∈Za,b,c\in\ZZ) ищем в целых числах.

Пример 2. Линейное диофантово уравнение

Условие. Решите в целых числах уравнение 15x+21y=615x + 21y = 6.


Часть III. Уравнения второй степени: три метода

Для уравнений с квадратами переменных на ДВИ чаще всего применяются три метода: разложение на множители, метод дискриминанта (оценок) и метод остатков.

Алгоритм решения уравнения второй степени

Примеры

Пример 3. Группировка и разложение (с полным перебором систем)

Условие. Реши в целых числах уравнение 2x2+xy−y2−3x+3y=62x^2 + xy - y^2 - 3x + 3y = 6.

Пример 4. Оценка через дискриминант

Условие. Найдите все пары целых чисел (x,y)(x, y), удовлетворяющие уравнению x2−2x(y+1)+3y2−2y−1=0x^2 - 2x(y+1) + 3y^2 - 2y - 1 = 0.

Пример 5. Метод остатков (модуль 3)

Условие. Докажите, что уравнение x2−3y2=17x^2 - 3y^2 = 17 не имеет решений в целых числах.

Пример 6. Линейное уравнение + ограничение (комбинированный приём)

Условие. Найдите все натуральные числа x,yx, y, для которых 3x+5y=473x + 5y = 47.

Пример 7. Модуль 8: сумма двух квадратов

Условие. Докажите, что число вида 8k+78k+7 (k∈Zk\in\ZZ) нельзя представить в виде суммы двух квадратов целых чисел.

Пример 8. Метод бесконечного спуска

Условие. Докажите, что уравнение x2+y2=3z2x^2 + y^2 = 3z^2 не имеет решений в целых числах, кроме x=y=z=0x=y=z=0.

Пример 9. Последняя цифра и периодичность степеней

Условие. Найдите последнюю цифру числа 720267^{2026}.

Частые ошибки

Что запомнить

  • Делимость: a∣b, a∣c⇒a∣(b±c)a\mid b,\ a\mid c \Rightarrow a\mid(b\pm c); каноническое разложение единственно; НОД считается алгоритмом Евклида, НОД⋅НОК=ab\text{НОД}\cdot\text{НОК}=ab.
  • Линейное ax+by=cax+by=c разрешимо   ⟺  НОД(a,b)∣c\iff \text{НОД}(a,b)\mid c; общее решение x=x0+bdt, y=y0−adtx=x_0+\frac{b}{d}t,\ y=y_0-\frac{a}{d}t.
  • Если перед тобой многочлен с двумя переменными второй степени, сгруппируй его в (A)(B)=N(A)(B) = N и перебери все делители NN (включая отрицательные), явно отбраковывая нецелые.
  • Если группировка оставляет квадраты, пиши дискриминант. Условие D⩾0D \geqslant 0 почти всегда ограничит одну переменную до 2-4 целых значений; затем требуй, чтобы DD был точным квадратом.
  • Остатки квадратов:  mod 3∈{0,1}\bmod 3 \in\{0,1\},  mod 4∈{0,1}\bmod 4\in\{0,1\},  mod 8∈{0,1,4}\bmod 8\in\{0,1,4\}. Это самый мощный фильтр для уравнений, которые вообще не имеют решений; куб  mod 9∈{0,1,8}\bmod 9 \in\{0,1,8\}.
  • Для доказательства «решений нет» сверх остатков работает спуск; для степеней — периодичность остатков (последняя цифра).

Оформление под рубрику ДВИ

ДВИ оценивают по outcomes-рубрике «±»: важен не только верный ответ, но и полнота и обоснованность записи. Числовые задачи теряют баллы именно на пропущенных шагах перебора и недоказанных переходах.

Стратегия на ДВИ

Проверь себя
  1. Какие остатки может давать квадрат целого числа при делении на 88?
  2. Уравнение 6x+9y=46x + 9y = 4 в целых числах:
  3. Чему равен НОД(1071,462)\text{НОД}(1071, 462)?
  4. Уравнение x2+Bx+C=0x^2 + Bx + C = 0 с целыми B,CB, C имеет целый корень. Что верно про дискриминант DD?