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ディオファントス方程式と無限降下法md dd5049a
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ディオファントス方程式ほうていしき無限降下法むげんこうかほう

date2026-07-14document_iddoc_d13ddca96a4c18f0cab38144451bb246description整数解を求めるディオファントス方程式を、一次不定方程式・同次方程式・原始解・無限降下法の観点から整理する講義である。prerequisites整数の性質の基本 / 合同式と余りの基本 / ユークリッドの互除法と一次不定方程式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/congruences-and-remainders.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/number-theory/number-theory-portal.lecture.n.md / data/reference/math/algebra/infinite-descent-for-impossibility.reference.n.md / data/exercise/math/algebra/diophantine-equations-and-infinite-descent.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、ディオファントス方程式ほうていしきでは、実数解じっすうかいではなく整数解せいすうかいさがすことを説明せつめいする。

たとえば

x2+y2=z2

実数じっすうでは無数むすうかいつ。しかし整数せいすうかいさがすと、約数やくすうたがいに偶奇ぐうき合同式ごうどうしきいてくる。

2用語ようご

2.1ディオファントス方程式ほうていしき

整数係数せいすうけいすう方程式ほうていしきについて、整数解せいすうかいもとめる問題もんだいをディオファントス方程式ほうていしきという。

2.2一次いちじ不定方程式ふていほうていしき

ax+by=c

整数解せいすうかいもとめる問題もんだいである。このかたち互除法ごじょほうあつかえる。

data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md

2.3同次方程式どうじほうていしき

多項式たこうしき P(x1,,xn)同次どうじであるとき、

P(x1,,xn)=0

同次方程式どうじほうていしきという。この文脈ぶんみゃくでは、すべてのこう次数じすうおなじである、という意味いみである。

data/lecture/math/algebra/homogeneous-functions-and-expressions.lecture.n.md

3なぜ原始解げんしかいるのか

同次方程式どうじほうていしきでは、かい整数倍せいすうばいしてもまたかいになる。

たとえば Pd 同次多項式どうじたこうしきで、P(a)=0 なら、

P(ka)=kdP(a)=0

である。したがって、本質的ほんしつてきには共通因数きょうつういんすうのぞいたかいればよい。このようなかい原始解げんしかいという。

4命題めいだい 1:同次方程式どうじほうていしき整数解せいすうかい原始解げんしかいちぢめられる

4.1仮定かてい

P整数係数せいすうけいすうd 同次多項式どうじたこうしきとする。(a1,,an)P=0整数解せいすうかいで、すべて 0 ではないとする。

4.2結論けつろん

g=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a1,,an) とすると、

(a1g,,ang)

整数解せいすうかいであり、この成分せいぶんたちの最大公約数さいだいこうやくすうは 1 である。

4.3証明しょうめい

ai=gbiく。Pd 同次多項式どうじたこうしきなので、

P(a1,,an)=P(gb1,,gbn)=gdP(b1,,bn)

である。左辺さへんは 0 だから、

gdP(b1,,bn)=0

である。g0 なので、P(b1,,bn)=0 である。また g全成分ぜんせいぶん最大公約数さいだいこうやくすうなので、b1,,bn最大公約数さいだいこうやくすうは 1 である。□

5無限降下法むげんこうかほう

無限降下法むげんこうかほうは、せい整数せいすうには無限むげんちいさくなるれつ存在そんざいしないことを使つか証明法しょうめいほうである。

6原理げんり 1:無限降下法むげんこうかほう

6.1仮定かてい

ある種類しゅるい整数解せいすうかい S に、正整数値せいせいすうちたかheight h(S)さだめる。かい S存在そんざいすると仮定かていしたとき、そこからかならh(S)<h(S)たすおな種類しゅるいかい Sつくれるとする。

6.2結論けつろん

その種類しゅるい整数解せいすうかい存在そんざいしない。

6.3証明しょうめい

もし整数解せいすうかい存在そんざいするなら、たかさの集合しゅうごう {h(S)}くうでない正整数せいせいすう集合しゅうごうである。整列性せいれつせいにより、そのなかからたかさが最小さいしょうかい Sえらべる。

しかし仮定かていにより、S から h(S)<h(S)たすかい Sつくれる。これは h(S)最小性さいしょうせい矛盾むじゅんする。

したがって、そのようなかい存在そんざいしない。□

7れいx2=2y2 に 0 でない整数解せいすうかいはない

7.1主張しゅちょう

x2=2y2

たす 0 でない整数解せいすうかい存在そんざいしない。

7.2証明しょうめい

0 でない整数解せいすうかい存在そんざいすると仮定かていする。命題めいだい 1 により、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y)=1原始解げんしかいれる。

x2=2y2 なので、x2偶数ぐうすうである。したがって x偶数ぐうすうである。x=2kくと、

4k2=2y2

だから

y2=2k2

である。よって y2偶数ぐうすうであり、y偶数ぐうすうである。

すると x,y はどちらも 2 でれる。これは [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](x,y)=1はんする。したがって 0 でない整数解せいすうかい存在そんざいしない。□

この証明しょうめいは、原始解げんしかい仮定かていしたあと、じつ両方りょうほうが 2 でれることをしめして矛盾むじゅんしている。無限降下法むげんこうかほう典型てんけいである。

8見分みわかた

  • ax+by=c なら、まず [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,b)c確認かくにんする。
  • 同次方程式どうじほうていしきなら、原始解げんしかいちぢめる。
  • 偶奇ぐうき合同式ごうどうしき全成分ぜんせいぶんおな素数そすうれるとかったら、無限降下法むげんこうかほううたがう。

9関連かんれんリンク

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10演習えんしゅうリンク

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11定石じょうせきリンク

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