整数

2元1次不定方程式②

ユークリッドの互除法

整数の「2元1次不定方程式②」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「ユークリッドの互除法」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学A 約10分 難易度 1

このページのまとめ

先に押さえておくこと

2元1次不定方程式②の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

ユークリッドの互除法の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: ユークリッドの互除法
  • ポイント: 整数の基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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問題

次の方程式の整数解をすべて求めよ。

79x+35y=179x+35y=1

答えを見る

x=35k+4,y=79k9  (kは整数)\underline{x=-35k+4,y=79k-9\; (kは整数)}

解説

1次不定方程式の問題を解説します。

1次不定方程式はまず1組の解を見つければいいんでしたよね。でもこの方程式の解は全然見つからない\cdots

そういうときは「ユークリッドの互除法」を使うんだ。

ユークリッドの互除法ってなんですか?

ユークリッドの互除法はある2つの自然数の最大公約数を求める方法だよ。

ユークリッドの互除法って最大公約数を求めるのに使うんですよね。それでなぜ11組の解が分かるんですか?

順を追って簡単に説明していくね。まず、11次不定方程式ax+by=cax+by=c22パターン存在するんだ。

  1. 無数の解を持つ不定方程式 (例: 79x+35y=179x+35y=1)
  2. 解を持たない方程式 (例: 6x+3y=16x+3y=1)

(ここでいう解とは、整数解のこと)

そもそもこの問題では「整数解を求めよ」と出題されているからパターン①であることは決まっているんだけれど、このとき不定方程式ax+by=cax+by=caabbは互いに素になっているよね。

互いに素ということは最大公約数は1ですよね?

そこがポイントで、最大公約数が11ということはユークリッドの互除法を使うと最終的にA=Br+qA=Br+qqqの値が1になるんだ。そうすると、1=ABr1=A-BrとしてBrBrの値を戻していくような作業をすることにより確実に(機械的に)方程式の11組の解を求めることができるんだ。

つまり最大公約数を求めるためにユークリッドの互除法を使うのではなくて最大公約数が1であるという式をユークリッドの互除法により作ってそこから逆に解を特定するような感じですか?

その通り!

それでは、実際にユークリッドの互除法を用いて79x+35y=1の解の1組を{\large79x+35y=1}の解の{1}組を求めていきましょう。

79793535に対しユークリッドの互除法を用いると、

79=352+9(1)79=35\cdot 2 +9\cdots(1)
35=93+8(2)35=9\cdot 3 +8\cdots(2)
9=81+1(3)9=8\cdot 1 + 1\cdots(3)

次に(3)(3)の式の9=81+19=8\cdot 1 + \underline{1}の右辺の11に注目して、1=981(4){ 1=9-8\cdot 1\cdots}{(4)}と変形します。

(2)(2)35=93+835=9\cdot 3 +8の右辺の88に注目すると、8=35938=35-9\cdot 3とできるのでこの式を(4)(4)88に代入すると1=9(3593)1=9-(35-9\cdot 3)となります。

ここでマイナスをカッコにかけると1=935+931=9-35+9\cdot 3とでき右辺の99をくくると1=35+9(1+3)(5){1=-35+9\cdot (1+3)}\cdots (5)

(5)(5)(1)(1)を変形した9=793529=79-35\cdot 2を代入すると1=35+(79352)41=-35+(79-35\cdot 2)\cdot 4

よって1=35+4798351=-35+4\cdot 79 -8\cdot 35

整理すると1=7943591=79\cdot 4 -35\cdot 9とできます。

よって、79x+35y=11組の解は{79x+35y=1}の1組の解は x=4,y=9{x=4, y=-9}と見つけることができました。

この変形は最初は難しいと思うから、何度も練習してスラスラと変形できるようになろう。

次のように色をつけてみるとわかりやすいよ。

79=352+9(1)79=35\cdot 2 +\underline{\textcolor{red}{9}}\cdots(1)
35=93+8(2)35= \underline{\textcolor{red}{9}}\cdot 3 +\underline{\textcolor{green}{8}}\cdots(2)
9=81+1(3)9= \underline{\textcolor{green}{8}}\cdot 1 + 1\cdots(3)

方程式の11組の解を見つけることができたので、あとは「11次不定方程式①」と同様に以下の手順で解いていきます。

  1. a(xx0)+b(yy0)=0a(x-x_0)+b(y-y_0)=0と変形する
  2. x=bk,  y=akx=bk,\; y=ak (kkは整数)で表す

解答例は次のようになります。

79x+35y=179x+35y=1から794359=179\cdot 4-35 \cdot 9 =1を引いて79(x4)+35(y+9)=079(x-4)+35(y+9)=0 79(x4)=35(y+9)\therefore {79(x-4)=-35(y+9)}

79793535は互いに素であるからx4=35k,y+9=79k(kは整数)x-4=-35k,y+9=79k\quad(kは整数)

よって、x=35k+4,y=79k9(kは整数)\underline{x=-35k+4,y=79k-9(kは整数)}

このページのまとめ

ここでは1次不定方程式の問題について解説しました。

1次不定方程式の問題でユークリッドの互除法を使う方法を理解できましたか?

この解法の式変形は慣れていないとスムーズにできないので、色々な問題を解いて慣れていってくださいね!

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