Phương trình Diophantos

Trong toán học, phương trình Diophantos là phương trình đa thức, thường bao gồm ít nhất hai biến và các nghiệm của phương trình phải là số nguyên. Phương trình Diophantos tuyến tính là phương trình trong đó tổng của hai hay nhiều hơn đơn thức bằng với một hằng số nào đó, và mỗi đơn thức có bậc một. Phương trình Diophantos mũ là phương trình mà trong đó biến nằm trong số mũ của lũy thừa nào đó.
Các bài toán Diophantos thường có ít phương trình hơn số biến và yêu cầu phải tìm tất cả các số nguyên là nghiệm của tất cả các phương trình. Bởi vậy, từ hệ phương trình ta định nghĩa ra đường cong đại số, mặt phẳng đại số, hay tổng quát hơn là tập đại số. Việc học và nghiên cứu các khái niệm này là một phần của hình học đại số, nhánh đó được gọi là "hình học Diophantos".
Từ "Diophantos" nói đến nhà toán học Hy Lạp của thế kỷ thứ ba, Diofantos xứ Alexandria, người đã nghiên cứu các phương trình dưới dạng đó, và là một trong những nhà toán học đầu tiên giới thiệu các ký hiệu toán học cho đại số. Việc nghiên cứu các bài toán Diophantos được gọi là giải tích Diophantos.
Trong khi các bài toán riêng lẻ thường được dùng làm bài đố và được xét từng bài một qua lịch sử, tìm ra lý thuyết tổng quát cho các phương trình Diophantos (trên cả trường hợp tuyến tính và toàn phương) được coi là thành tựu của toán học thế kỷ 20.
Các ví dụ.
Trong các phương trình Diophantos sau, , , , and là các ẩn số và các ký tự chữ cái khác là các hằng số cho trước:
Phương trình Diophantos tuyến tính.
Một phương trình.
Phương trình Diophantos đơn giản nhất có dạng , trong , và là các số nguyên được cho trước. Các nghiệm được tìm theo định lý sau:
Chứng minh: Nếu là ước chung lớn nhất thì bổ đề Bézout khẳng định sự tồn tại của hai số nguyên và sao cho . Nếu là bội của , thì với một số số nguyên , và là nghiệm cần tìm. Mặt khác, với mỗi cặp số nguyên và , ước chung lớn nhất của và là ước của . Do đó, nếu phương trình có nghiệm thì phải là bội của . Nếu và , thì với mọi nghiệm , ta có
suy ra cũng là một nghiệm khác. Cho hai nghiệm thỏa mãn , ta có thể suy ra rằng . Bởi và nguyên tố cùng nhau, từ bổ đề Euclid ra được rằng là ước của , do đó tồn tại số nguyên sao cho và . Do vậy, và , hoàn thành bài chứng minh.
Định lý số dư Trung Quốc.
Định lý số dư Trung Quốc mô tả một lớp quan trọng của các hệ phương trình Diophantos tuyến tính: Gọi là số nguyên lớn hơn một và nguyên tố cùng nhau đôi một, là số nguyên tùy ý, và là tích của . Định lý số dư Trung Quốc khẳng định rằng hệ phương trình Diophantos tuyến tính sau có duy nhất một nghiệm sao cho , và các nghiệm khác có thể thu về được bằng cách cộng vào bội của :
Hệ phương trình Diophantos tuyến tính.
Tổng quát hơn, mọi hệ phương trình Diophantos tuyến tính có thể được giải bằng cách dùng dạng chuẩn tắc Smith của ma trận của hệ, theo cách tương tự với cách khử về dạng hàng bậc thang để giải hệ phương trình tuyến tính trên một trường. Sử dụng ký hiệu ma trận, mọi hệ phương trình Diophantos tuyến tính có thể được viết lại thành
trong đó là ma trận kích thước của các số nguyên, là ma trận cột kích thước của các ẩn số và là ma trận cột kích thước của các số nguyên.
Tính dạng chuẩn tắc Smith của cho hai ma trận đơn modula (là các ma trận khả nghịch trên số nguyên và có định thức bằng ±1) và có số chiều và tương ứng, sao cho ma trận
thỏa mãn khác không khi không lớn hơn số nguyên , còn các phần tử khác thì bằng không. Hệ phương trình có thể viết lại thành:
Gọi là phần tử của và là phần tử của , tìm được hệ phương trình sau
Hệ phương trình này tương đương với hệ phương trình cho trước bởi: Ma trận cột của các số nguyên là nghiệm của hệ phương trình khi và chỉ khi với một số ma trận cột thỏa mãn .
Từ đây, ta suy ra được rằng hệ phương trình có nghiệm khi và chỉ khi là ước của với và khi . Nếu điều kiện này được thỏa mãn thì các nghiệm của hệ phương trình cho trước là 
trong đó là các số nguyên tùy ý.
Phương trình Diophantos thuần nhất.
Phương trình Diophantos thuần nhất là phương trình Diophantos định nghĩa bằng đa thức thuần nhất. Một trong những ví dụ nổi bật là phương trình của định lý lớn Fermat:
Bởi đa thức thuần nhất với ẩn định nghĩa siêu mặt trong không gian xạ ảnh có chiều , giải phương trình Diophantos thuần nhất tương đương với tìm các điểm hữu tỉ của siêu mặt xạ ảnh.
Giải phương trình Diophantos thuần nhất thường là bài toán rất khó, kể cả trong trường hợp đơn giản nhất không tầm thường của 3 ẩn (trong trường hợp chỉ có hai ẩn, bài toán chuyển về kiểm tra xem liệu có số hữu tỉ là lũy thừa bậc của số hữu tỉ kia). Một bằng chứng về độ khó của bài toán là định lý lớn Ferrmat, định lý phát biểu rằng với , không có nghiệm nguyên nào cho phương trình. Phải mất hơn ba thế kỷ thì định lý lớn Fermat mới được giải quyết bởi các nhà toán học.
Đối với bậc lớn hơn ba, các kết quả đã biết chủ yếu là các định lý xác định phương trình vô nghiệm (ví dụ như định lý lớn Fermat) hoặc số nghiệm hũu hạn (ví dụ như định lý Faltings).
Đối với bậc bằng ba, có các phương pháp pháp giải chung cho gần như mọi phương trình bậc ba, nhưng không có thuật toán nào được biết là có thể giải cho mọi phương trình bậc ba.
Phương trình bậc hai.
Phương trình Diophantos thuần nhất bậc hai thường dễ giải hơn. Cách giải thường bao gồm hai bước: Đầu tiên tìm một nghiệm của phương trình hoặc chứng minh phương trình không có nghiệm nào. Nếu phương trình có nghiệm thì ta có thể suy ra các nghiệm còn lại.
Để chứng minh phương trình không có nghiệm, ta có thể rút gọn phương trình bằng cách modulo. Lấy ví dụ, phương trình Diophantos sau
không có nghiệm nguyên nào khác ngoại trừ nghiệm tầm thường . Thật vậy, bằng cách chia và bằng ước chung lớn nhất của chúng, ta có thể đặt mặc định rằng ba ẩn phải nguyên tố cùng nhau. Số chính phương chia 4 thì dư 0 hoặc dư 1. Do đó vế trái của phương trình đồng dư với 0, 1, hoặc 2, còn vế phải đồng dư với 0 hoặc 3. Do đó phương trình có nghiệm chỉ khi và đều chẵn, do đó không nguyên tố cùng nhau. Do đó nghiệm duy nhất là nghiệm tầm thường . Bài toán này chứng minh không có điểm hữu tỉ nào trên đường tròn có bán kính formula_5 và tâm tại gốc tọa độ.
Tổng quát hơn, nguyên lý Hasse cho phép kiểm tra xem phương trình Diophantos thuần nhất bậc hai có nghiệm nguyên hay không, và tính một nghiệm nếu phương trình có nghiệm.
Nếu một nghiệm không tầm thường đã được biết, các nghiệm còn lại được tính theo cách sau:
Suy từ hình học.
Gọi 
là phương trình Diophantos thuần nhất, trong đó formula_7 là dạng toàn phương (nghĩa là phương trình là đa thức thuần nhất bậc hai) có hệ số nguyên. "Nghiệm tầm thường" là nghiệm mà các ẩn formula_8 đều bằng không. Nếu formula_9 là nghiệm không tầm thường của phương trình này, thì formula_10 là các tọa độ thuần nhất của điểm hữu tỉ của siêu mặt định nghĩa bởi . Ngược lại, nếu formula_11 là các tọa độ thuần nhất của điểm hữu tỉ của siêu mặt này, trong đó formula_12 là các số nguyên, thì formula_13 là nghiệm nguyên của phương trình Diophantine này. Hơn nữa, các nghiệm nguyên định nghĩa điểm hữu tỉ cho trước đều là các dãy dưới dạng 
trong đó là số nguyên tùy ý, và là ước chung lớn nhất formula_15
Qua đó, bài toán giải phương trình bậc hai formula_6 có thể rút gọn hoàn toàn về tìm các điểm hữu tỉ của một siêu mặt xạ ảnh.
Tham số hóa.
Bây giờ đặt formula_17 là nghiệm nguyên của phương trình formula_18 Bởi là đa thức bậc hai, một đường thẳng đi qua cắt siêu mặt tại một điểm khác, điểm đó hữu tỉ khi và chỉ khi đường thẳng hữu tỉ (nghĩa là đường thẳng được định nghĩa bởi các tham số hữu tỉ). Điều này cho phép ta tham số hóa siêu mặt bằng các đường thẳng đi qua , và các điểm hữu tỉ là các điểm lấy được từ đường hữu tỉ (hay là các đường tương ứng với các giá trị tham số hữu tỉ).
Chính xác hơn, ta có thể làm như sau.
Bằng việc sắp xếp lại các số hạng, ta có thể giả định không mất tính tổng quát rằng formula_19 thì có thể chuyển bài toán về trường hợp affin bằng cách xét siêu mặt affin định nghĩa bởi 
có điểm hữu tỉ sau
Nếu điểm hữu tỉ này là điểm kỳ dị, nghĩa là nếu tất cả các đạo hàm riêng của nó đều bằng không tại , mọi đường đi qua đều nằm trong trong siêu phẳng, thì ta thu về được mặt nón. Thay đổi các ẩn
không làm thay đổi các điểm hữu tỉ, và biến về đa thức chứa biến. Trong trường hợp này, bài toán có thể được giải bằng cách áp dụng tiếp phương pháp cho phương trình ít biến hơn.
Nếu đa thức là tích của các đa thức tuyến tính (có thể có hệ số không hữu tỉ), thì nó định nghĩa hai siêu phẳng. Giao của hai siêu phẳng này là một phẳng hữu tỉ chứa các điểm kỳ dị. Trường hợp này là trường hợp đặc biệt của cái trước.
Trong trường hợp tổng quát, xét phương trình tham số của đường thẳng đi qua :
Thay này vào , ta được đa thức bậc hai trong formula_24 và bằng 0 khi formula_25 Do đó nó chia hết cho formula_26. Thương này tuyến tính trong formula_24 và có thể giải được bằng cách biểu diễn formula_28 là thương của hai đa thức có bậc tối đa bằng hai trong formula_29 cùng với hệ số nguyên:
Thay này vào biểu thức cho formula_31 ta được: với ,
trong đó formula_33 là các đa thức có bậc tối đa bằng hai với hệ số nguyên.
Sau đó, ta có thể quay về xét trường hợp thuần nhất. Với , gọi
là thuần nhất hóa của formula_35 Các đa thức bậc hai này với hệ số nguyên tạo thành tham số hóa của siêu mặt xạ ảnh định nghĩa bởi :
Một điểm của siêu mặt xạ ảnh định nghĩa bởi là điểm hữu tỉ khi và chỉ khi nó có thể lấy được từ các giá trị hữu tỉ của formula_37 Bởi formula_38 là các đa thức thuần nhất, điểm này không đổi nếu các formula_39 đều được nhân cùng bởi một số hữu tỷ. Do đó, ta có thể giả định rằng formula_40 là các số nguyên tố cùng nhau. Ta chứng minh được các nghiệm nguyên của phương trình Diophantos là dãy formula_41 như sau: với ,
trong đó là số nguyên, formula_40 là các số nguyên tố cùng nhau, và là ước chung lớn nhất của số nguyên formula_44
Ví dụ bằng bộ ba số Pythogoras.
Phương trình
là một trong những phương trình Diophantos bậc hai được nghiên cứu đầu tiên. Nghiệm của nó là các bộ ba số Pythagoras. Đây cũng là phương trình thuần nhất của đường tròn đơn vị. Ta sẽ dùng các phương pháp nêu trên để tìm ra công thức Euclid cho việc sinh ra các bộ ba số Pythagoras.
Để lấy được công thức Euclid, ta bắt đầu từ nghiệm , tương ứng với điểm của đường tròn đơn vị. Một đường thẳng đi qua điểm này có thể được tham số hóa bởi dốc của nó:
Thay vào phương trình đường tròn
ta được
Chia cho , kết quả ra là
giải cho ta được:
Từ đây, đặt
Thuần nhất hóa theo phương pháp kể trên, ta được tất cả các nghiệm như sau
trong đó là số nguyên tùy ý, và là hai số nguyên tố cùng nhau, và là ước chung lớn nhất của ba tử số numerators. Thêm nữa, nếu và đều lẻ, và nếu một giá trị chẵn và giá trị còn lại lẻ.
"Bộ ba số Pythagoras nguyên thủy" là các nghiệm mà và .
Mô tả của các nghiệm này khác một chút so với công thức Euclid bởi vì công thức Euclid chỉ xét các nghiệm mà và đều là các số nguyên dương và không phân biệt giữa hai bộ ba khi ta đổi vị trí của và ,
Các câu hỏi liên quan đến phương trình Diophantine.
Các vấn đề sau được đặt ra khi giải một phương trình nghiệm nguyên, chúng được sắp xếp theo thứ tự từ dễ đến khó:
Ví dụ về giải phương trình Diophantos.
⇒ formula_56;formula_57;formula_58;...;formula_59
Ví dụ: Tìm nghiệm nguyên dương của phương trình 3xy+y+x=6
"Giải:" viết phương trình trên về dạng
formula_62