裴蜀定理学习笔记

一、裴蜀定理

a,ba, ba,b 是整数,且 gcd(a,b)=dgcd(a, b) = dgcd(a,b)=d ,那么对于任意整数 x,yx, yx,yax+byax + byax+byddd 的倍数,特别地,一定存在整数 x,yx,yx,y 使 ax+by=dax + by = dax+by=d 成立。
前半句话很好理解,也极易证明,因此,定理的主要内容集中在后半句话,即:设 gcd(a,b)=dgcd(a, b) = dgcd(a,b)=d,方程 ax+by=dax+by=dax+by=d 必有整数解。

二、证明

考虑求最大公约数的过程,根据 gcd(a,b)=gcd(b,a%b)gcd(a, b) = gcd(b, a \% b)gcd(a,b)=gcd(b,a%b) 转换位带余除法得到:
{a=q1b+r1b=q2r1+r2r1=q3r2+r3...rk−3=qk−1rk−2+rk−1rk−2=qkrk−1+rkrk−1=qk+1rk+rk+1\left\{ \begin{aligned} a &= q_1b + r_1 \\ b &= q_2r_1+r_2 \\ r_1 &= q_3r_2 + r_3 \\ ... \\ r_{k-3} &= q_{k-1}r_{k-2}+r_{k-1}\\ r_{k-2} &= q_{k}r_{k-1}+r_k \\ r_{k-1} &= q_{k+1}r_k + r_{k+1}\\ \end{aligned} \right.abr1...rk3rk2rk1=q1b+r1=q2r1+r2=q3r2+r3=qk1rk2+rk1=qkrk1+rk=qk+1rk+rk+1

不妨认为在最后一个等式时恰好除尽,即:
rk=gcd(a,b)=d,rk+1=0r_k = gcd(a,b) = d, r_{k+1} = 0rk=gcd(a,b)=d,rk+1=0

rk−2=qkrk−1+rkr_{k-2} = q_{k}r_{k-1}+r_krk2=qkrk1+rk 得:
d=qkrk−1−rk−2d = q_kr_{k-1} - r_{k-2}d=qkrk1rk2

rk−3=qk−1rk−2+rk−1r_{k-3} = q_{k-1}r_{k-2}+r_{k-1}rk3=qk1rk2+rk1 带入消去 rk−1r_{k-1}rk1 得:
d=−qkrk−3+(1+qkqk−1)rk−2d=-q_kr_{k-3}+(1+q_kq_{k-1})r_{k-2}d=qkrk3+(1+qkqk1)rk2

同理,将上面等式倒序带入,依次消去 rk−2,rk−3...r1r_{k-2},r_{k-3}...r_1rk2,rk3...r1 可得:
d=mb+nad = mb + nad=mb+na

其中 m,nm,nm,n 均为由 qk+1,qk,qk−1...q1q_{k+1},q_{k},q_{k-1}...q_1qk+1,qk,qk1...q1 表示的式子,因此都为整数。

三、裴蜀定理的推论及证明

  1. ax+by=1ax+by=1ax+by=1 有整数解当且仅当 gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1
    证明:
    →:\rightarrow:: 即证ax+by=1ax+by=1ax+by=1有整数解则 gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1
    采用反证法,假设结论不成立,即gcd(a,b)=d(d≠1)gcd(a,b)=d(d\neq1)gcd(a,b)=d(d=1)
    d∣a,d∣bd\mid a, d\mid bda,db,进而 d∣ax,d∣by,d∣(ax+by)d\mid ax, d\mid by, d\mid(ax+by)dax,dby,d(ax+by),因此 ax+by=dk(k≠0,d≠1)≠1ax+by=dk(k\neq0,d\neq1)\neq1ax+by=dk(k=0,d=1)=1 与条件矛盾,故假设不成立,gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1,得证。
    ←:\leftarrow:: 即证gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1gcd(a,b)=1ax+by=1ax+by=1ax+by=1
    为裴蜀定理 d=1d=1d=1 的特殊情况。
  2. 对于方程 ax+by=zax+by=zax+by=z,只有满足 gcd(a,b)∣zgcd(a,b)\mid zgcd(a,b)z,方程才有整数解。
    证明:
    首先证明满足条件时方程有整数解。
    ax+by=gcd(a,b)ax+by=gcd(a,b)ax+by=gcd(a,b) 的解为 x1,y1x_1, y_1x1,y1,则可以构造方程 ax+by=zax+by=zax+by=z 的解,x1∗zgcd(a,b),y1∗zgcd(a,b)x_1 * \frac{z}{gcd(a,b)},y_1*\frac{z}{gcd(a,b)}x1gcd(a,b)z,y1gcd(a,b)z,代入验证等式成立。
    再证明不满足条件时方程无整数解。
    同上一个推论,采用反证法易证。

四、多个整数的裴蜀定理

对于方程 a1x1+a2x2+a3x3+...+anxn=za_1x_1+a_2x_2+a_3x_3+...+a_nx_n=za1x1+a2x2+a3x3+...+anxn=z,满足 gcd(a,b)∣zgcd(a,b)\mid zgcd(a,b)z 时,方程有整数解。
方程 a1x1+a2x2+a3x3+...+anxn=za_1x_1+a_2x_2+a_3x_3+...+a_nx_n=za1x1+a2x2+a3x3+...+anxn=z 有整数解当且仅当 gcd(a1,a2,...,an)=1gcd(a_1, a_2, ...,a_n) = 1gcd(a1,a2,...,an)=1

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