!!§!! Вспомогательная страница к разделу ((:modular#общий_случай_линейного_уравнения МОДУЛЯРНАЯ АРИФМЕТИКА)). Плохо обработанные заметки, и не уверен, что скоро вернусь к ним... ==Решение системы линейных уравнений в целых числах== Решение системы линейных уравнений $$ \left\{ \begin{array}{lllll} a_{11}x_1 &+a_{12}x_2&+ \ldots&+a_{1n}x_n &= b_1,\\ a_{21}x_1 &+a_{22}x_2&+ \ldots&+a_{2n}x_n &= b_2,\\ \dots & & & \dots & \\ a_{m1}x_1 &+a_{m2}x_2&+ \ldots&+a_{mn}x_n &= b_m \end{array} \right. $$ с целыми коэффициентами $ \{a_{jk} \}, \{b_j\} $ в целых числах $ x_1,x_2,\dots,x_n $ можно свести к случаю одного уравнения. В ((:modular#reshenie_linejnyx_sravnenij ПУНКТЕ)) полностью исследована задача решения линейного уравнения вида $ A_1x+A_2y=B $ относительно двух неизвестных $ x_{} $ и $ y_{} $. Теперь организуем переход к случаю одного уравнения с $ n>2 $ неизвестными. ===Решение одного уравнения== !!Т!! **Теорема.** //Уравнение// $$ A_1x_1+A_2x_2+\dots+A_nx_n=B \quad npu \quad \{A_1,A_2,\dots,A_n,B\} \subset \mathbb Z, n\ge 2, \exists A_j \ne 0 $$ //имеет решение тогда и только тогда, когда// $ B_{} $ //делится на// $ d=\operatorname{HOD} (A_1,A_2,\dots,A_n) $. **Доказательство.** Необходимость. Все числа $ A_1,A_2,\dots,A_n $ делятся на $ d_{} $, следовательно и сумма $ A_1x_1+A_2x_2+\dots+A_nx_n $ делится на $ d_{} $. Значит и число $ B_{} $ должно делиться на $ d_{} $. !!П!! **Пример 1** ((#источники [3])). Решить уравнение $ 10\,x+9\,y+7\,z=58 $. **Решение.** Выразим из этого уравнения неизвестную при минимальном (по абсолютной величине) коэффициенте: $$ z=\frac{58-10\,x-9\,y}{7}=8-x-y+\frac{2-3\,x-2\,y}{7} \ . $$ Поскольку, по предположению, все неизвестные должны быть числами целыми, то положим $$\frac{2-3\,x-2\,y}{7}=u_1 \quad \mbox{ или } \quad 2-3\,x-2\,y=7\, u_1 \ . $$ Теперь выразим из этого уравнения неизвестную при минимальном (по абсолютной величине) коэффициенте: $$ y = \frac{2-3\,x-7\, u_1}{2}= 1- x-3\, u_1- \frac{x+u_1}{2} \ . $$ Положим $$ \frac{x+u_1}{2}=u_2 \quad \mbox{ или } \quad x=2\,u_2-u_1 \ . $$ Подставим найденное выражение в предыдущее выражение для $ y_{} $: $$ y=1-x-3\,u_1-u_2=1-(2\,u_2-u_1)-3\,u_1-u_2=1-2\,u_1-3\,u_2 \ ; $$ и, окончательно, в выражение для $ z_{} $: $$ z=8-(2\,u_2-u_1)-(1-2\,u_1-3\,u_2)+u_1=7+4\,u_1+u_2 \ . $$ Таким образом, значения неизвестных $ x,y,z $ полностью определяются формулами $$ x=-u_1+2\,u_2,\ y=1-2\,u_1-3\,u_2,\ z=7+4\,u_1+u_2 \quad npu \quad \{u_1,u_2\} \subset \mathbb Z \ . $$ Если поставить дополнительное требование положительности решений, то получаем условия на параметры $ u_1,u_2 $ в виде неравенств $$ -u_1+2\,u_2>0 ,\ 1-2\,u_1-3\,u_2 > 0,\ 7+4\,u_1+u_2 > 0 \ . $$ Разрешим каждое из этих неравенств относительно $ u_{1} $: $$ u_1<2\,u_2, \ u_1 < \frac{1-3\,u_2}{2},\ u_1>\frac{-7-u_2}{4} \ . $$ Объединяя первое неравенство с третьим и второе неравенство с третьим, получаем ограничения на $ u_{2} $: $$ \frac{-7-u_2}{4}< 2\,u_2, \ \frac{-7-u_2}{4}< \frac{1-3\,u_2}{2} , $$ откуда: $$ -7/9 < u_2 < 9/5 \ . $$ Поскольку, по предположению, $ u_{2} $ --- целое, то $ u_2\in \{0,1\} $. Подставляем $ u_2=0 $ в систему неравенств относительно $ u_{1} $: $$ u_1<0,\ u_1<\frac{1}{2},\ u_1>-\frac{7}{4} \qquad \Rightarrow \qquad u_1=-1 \ . $$ Подставляем $ u_2=1 $ в систему неравенств относительно $ u_{1} $: $$u_1<2,\ u_1< -1,\ u_1>-2 \ . $$ Эта система неравенств не имеет целых решений. Таким образом, положительные решения исходного сравнения получаются только при значениях параметров $ u_1=-1,u_2=0 $: $$ x=1,\ y=3, \ z=3 \ . $$ !!П!! **Пример 2.** Найти двузначные натуральные числа, удовлетворяющие уравнению $$ 17\, x+ 20\, y+45\, z =4111 \, .$$ **Решение.** Выражаем $ x_{} $: $$ x=241-y-2\,z+\frac{14-3\,y-11\,z}{17} \ . $$ Полагаем $$ 17\, t_1 =14-3\,y-11\,z \quad \iff \quad 17\, t_1 + 3\,y+11\,z=14 \ . $$ Выражаем $ y_{} $: $$ y=4-3\,z-5\,t_1+\frac{2-2\,z-2\,t_1}{3} \ . $$ Полагаем $$ 3\, t_2=2-2\,z-2\,t_1 \quad \iff \quad 3\, t_2+2\,z+2\,t_1=2 \ . $$ Выражаем $ z_{} $: $$ z=1-t_1-t_2-\frac{t_2}{2} \ . $$ Полагаем $$ t_2=2\,t_3 \ . $$ Теперь выражаем неизвестные $ x,y,z_{} $: $$ z=1-t_1-3\,t_3,\ y=1-2\, t_1 +11\, t_3, x=238+5\, t_1- 5\, t_3 \ . $$ При любых значениях параметров $ \{t_1,t_3\} \subset \mathbb Z $ последние формулы дадут решение уравнения. Для того, чтобы удовлетворить дополнительным ограничениям на решения, параметры должны подчиняться условиям: $$ 9< 238+ 5\, t_1- 5\, t_3 < 100, \ 9< 1-2\, t_1 +11\, t_3 < 100,\ 9< 1-t_1-3\,t_3 < 100\ . $$ Это --- система линейных неравенств, которую требуется решить в целых числах. Не останавливаясь на общих методах решения подобных систем, сделаем только некоторые упрощения: $$ -229<5(t_1- t_3)< -138,\ 8< -2\, t_1 +11\, t_3 < 99,\ 8< -t_1-3\,t_3 < 99 \ . $$ Разделим первое неравенство на $ 5_{} $ и воспользуемся предполагаемой целочисленностью параметров: $$-46t_3>-18 \ , $$ (здесь мы снова воспользовались целочисленностью параметра). Умножим теперь первое неравенство на $ 2_{} $ и прибавим ко второму: $$-84<9\, t_3< 45 \qquad \Rightarrow \qquad -10 ((:algebra2:linearsystems#система_однородных_уравнений ЗДЕСЬ)). Геометрически: направляющий вектор прямой, соответствующей пересечению двух плоскостей, всегда можно выбрать целочисленным. Таким образом, если система имеет целочисленное решение, то вхождения параметра в формулы, описывающие все множество этих решений, можно оценить с помощью методов линейной алгебры (см. теорию ((algebra2:linearsystems#общее_решение ЗДЕСЬ)) ). Проблема заключается в поиске __хотя бы одного__ частного целочисленного решения $ x_{10},x_{20},x_{30} $. Вот его может и не существовать. К примеру, система $$ \left\{ \begin{array}{rrrrl} 2\,x_1& + x_2 & -x_3 &=1, \\ x_1 &+ 2\,x_2 & + x_3 & =1 \end{array} \right. $$ не имеет решений в $ \mathbb Z_{} $. ---- Можно осуществить предварительное преобразование системы к эквивалентному виду по ((:algebra2/linearsystems#iskljuchenie_peremennyx_metod_gaussa методу Гаусса)). Прямой ход этого метода приведет[[Cлучай несовместности системы не обсуждаем.]] систему к виду когда каждое следующее уравнение будет зависеть от меньшего числа переменных нежели предыдущее. Хотя при этом полученные уравнения будут иметь, в общем случае, рациональные коэффициенты, мы сможем вернуться к целочисленному случаю домножением этих уравнений на подходящие целые числа. Если получившаяся система имеет треугольный вид, то решение ее единственно и представимо в рациональных числах. Остается только надеяться, что эти числа окажутся целыми (что всегда произойдет, к примеру, в случае $ m=n $ и при $ \det A= 1 $). Если же последнее уравнение полученной системы зависит от более чем одной переменной, то применяем к нему алгоритм из предыдущего пункта, и, в случае удачи (существования целочисленных решений) идем обратным ходом метода Гаусса. На каждом шаге придется устанавливать разрешимость очередного линейного уравнения (полученного подстановкой общего решения предыдущего) в целых числах. Решение системы линейных уравнений в целых числах возможно еще симплекс-методом, но с этим я еще не разбирался. ===Решение системы неравенств== Следующий результат тоже выкладываю в надежде когда-нибудь разобраться... !!Т!! **Теорема [Минковский]**. //Рассмотрим систему вещественных линейных неравенств относительно неизвестных// $ x_{1},\dots,x_n $ $$ \left\{ \begin{array}{lllll} a_{11}x_1 &+a_{12}x_2&+ \ldots&+a_{1n}x_n &\le b_1,\\ a_{21}x_1 &+a_{22}x_2&+ \ldots&+a_{2n}x_n &\le b_2,\\ \dots & & & \dots & \\ a_{n1}x_1 &+a_{n2}x_2&+ \ldots&+a_{nn}x_n & \le b_n. \end{array} \right. $$ //при// $ b_1>0,b_2>0,\dots,b_n>0 $. //Пусть ((algebra2:dets#определение определитель)) коэффициентов левых ее частей отличен от нуля//: $$ \det [a_{jk}]_{j,k=1}^n \ne 0 \ . $$ //Тогда система имеет целочисленное решение если произведение правых ее частей не меньше абсолютной величины этого определителя//: $$ \prod_{j=1}^n b_j \ge \left| \det [a_{jk}]_{j,k=1}^n \right| \ . $$ == Источники == [1]. **Cheema M.S.** //Integral solutions of a system of linear equations.// The Amer.Math.Monthly. 1966, May, pp.487-490 [2]. **Кнут Д.** //Искусство программирования для ЭВМ. Т.2. Получисленные алгоритмы.// М. Мир. 1977, С.368-369. [3]. **Малининъ А., Буренинъ К.** //Руководство алгебры и собранiе алгебраическихъ задачъ для гимназiй, реальныхъ училищъ и учительскихъ институтовъ.// Изданiе седьмое. М. Издание книжнаго магазина наследников бр. Салаевыхъ. 1884.