Jl oni) лярные лекции
ПО МАТЕМАТИКЕ
«о»
А.О. ГЕЛЬФОНД
РЕШЕНИЕ
УРАВНЕНИЙ
В ЦЕЛЫХ
ЧИСЛАХ

книги
НИКИТИНА

ПОПУЛЯРНЫЕ ЛЕКЦИИ ПО МАТЕМАТИКЕ
ВЫПУСК 8
А. О. ГЕЛЬФОНД
РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ
В ЦЕЛЫХ ЧИСЛАХ
ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА I $78

512
Г 32
УДК 512
20202-006
Г 053@2)-78 778

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие		4
Введение 		5
§ 1. Уравнения с одним неизвестным		7'
§ 2. Уравнения первой степени с двумя неизвестными ....	8
§ 3. Примеры уравнений второй степени с тремя неизвестными	18
§ 4. Уравнения вида xz — Ayz=\. Нахождение всех решений
этого уравнения		22
§ 5. Общий случай уравнения второй степени с двумя неиз-
неизвестными 		34
§ 6. Уравнения с двумя неизвестными степени выше второй	45
§ 7. Алгебраические уравнения степени выше второй с тремя
неизвестными и некоторые показательные уравнения , .	51

ПРЕДИСЛОВИЕ
В основу этой книги положена лекция
по уравнениям в целых числах, прочитан-
прочитанная мною в 1951 г. на математической
олимпиаде в МГУ. Я пользуюсь здесь слу-
случаем выразить благодарность за оказан-
оказанную . мне помощь моему ученику, доценту
Н. М. Коробову, написавшему по конспекту
моей лекции первый, второй и часть треть-
третьего параграфа.
Книга доступна школьникам старших
классов.
А. Гельфонд

ВВЕДЕНИЕ
Теория чисел изучает в основном арифметические
свойства чисел натурального ряда, другими словами,—
целых положительных чисел, и принадлежит к числу
старейших отделов математики. Одной из центральных
задач так называемой аналитической теории чисел яв-
является задача о распределении простых чисел в нату-
натуральном ряде. Простым числом называется любое целое
положительное число, большее единицы, делящееся без
остатка только на себя и единицу. Задача о распределе-
распределении простых чисел в натуральном ряде заключается в
изучении правильности поведения количества простых
чисел, меньших некоторого числа N, при больших зна-
значениях N. Первый результат в этом направлении мы на-
находим еще у Евклида (IV век до н.э.), им-енно доказа-
доказательство бесконечности ряда простых чисел; второй ре-
результат после Евклида был получен великим русским
математиком П. Л. Чебышевым во второй половине
XIX века. Другая основная задача теории чисел — это
задача о представлении целых чисел суммами целых
чисел определенного типа, например, проблема пред-
представления нечетных чисел суммой трех простых чисел.
Последняя проблема, проблема Гольдбаха, была решена
крупнейшим современным представителем теории чи-
чисел— советским математиком И. М. Виноградовым.
Предлагаемая вниманию читателя книга посвящена
также одному из наиболее интересных разделов теории
чисел, а именно, — решению уравнений в целых числах.
Решение в целых числах алгебраических уравнений
с целыми коэффициентами более чем с одним неизвест-
неизвестным представляет собой одну из труднейших проблем
теории чисел. Этими задачами много занимались самые
выдающиеся математики древности, например греческий

математик Пифагор (VI век до н.э.), александрийский
математик Диофант (II—III век н.э.) и лучшие матема-
математики более близкой к нам эпохи — П. Ферма (XVII век),
Л. Эйлер (XVIII век), Ж. Л. Лагранж (XVIII век) и
другие. Несмотря на усилия многих поколений выдаю-
выдающихся математиков, в этой области отсутствуют сколько-
нибудь общие методы типа метода тригонометрических
сумм И. М. Виноградова, позволяющего решать самые
различные проблемы аналитической теории чисел.
Проблема решения уравнений в целых числах реше-
решена до конца только для уравнений второй степени с дву-
двумя неизвестными. Отметим, что для уравнений любой
степени с одним неизвестным она не представляет сколь-
сколько-нибудь существенного интереса, так как эта задача
может быть решена с помощью конечного числа проб.
Для уравнений выше второй степени с двумя или более
неизвестными весьма трудна не только задача нахожде-
нахождения всех решений в целых числах, но даже и более про-
простая задача установления существования конечного или
бесконечного множества таких решений.
Решение уравнений в целых числах имеет не только
теоретический интерес. Такие уравнения иногда встре-
встречаются в физике.
Теоретический интерес уравнений в целых числах до-
достаточно велик, так как эти уравнения тесно связаны
с многими проблемами теории чисел. Кроме того, эле-
элементарные части теории таких уравнений, изложенные
в данной книге, могут быть с успехом использованы для
расширения математического кругозора учащихся сред-
средней школы и студентов педагогических институтов.
В этой книге изложены некоторые основные резуль-
результаты, полученные в теории решения уравнений в целых
числах. Теоремы, формулируемые в ней, снабжены дока-
доказательствами в тех случаях, когда эти доказательства
достаточно просты.

§ 1. УРАВНЕНИЯ С ОДНИМ НЕИЗВЕСТНЫМ
Рассмотрим уравнение первой степени с одним неиз-
неизвестным
aix + a0 = 0.	A)
Пусть коэффициенты уравнения а\ и а0 — целые числа.
Ясно, что решение этого уравнения
будет целым числом только в том случае, когда ао на-
нацело делится на а\. Таким образом, уравнение A) не
всегда разрешимо в целых числах; так, например, из
двух уравнений Зх — 27 = 0 и Ьх-\-2\ = 0 первое имеет
целое решение х = 9, а второе в целых числах нераз*
решимо.
С тем же обстоятельством мы встречаемся и в слу-
случае уравнений, степень которых выше первой: квадрат-
квадратное уравнение х2-\-х — 2 = 0 имеет целые решения
х\ = 1, х2 = —2; уравнение х2 — 4х + 2 = 0 в целых
числах неразрешимо, так как его корни #i,2 = 2±V2
иррациональны.
Вопрос о нахождении целых корней уравнения /г-й
степени с целыми коэффициентами
апхп + ап-ххп~х + ... + а^х + а0 = 0 (п^1) B)
решается легко. Действительно, пусть х = а — целый
корень этого уравнения. Тогда
Из последнего равенства видно, что ао делится на а
без остатка; следовательно, каждый целый корень
7

уравнения B) является делителем свободного члена
уравнения. Для нахождения целых решений уравнения
надо выбрать те из делителей ао, которые при подстанов-
подстановке в уравнение обращают его в тождество. Так, напри-
например, из чисел 1, —1, 2 я —2, представляющих собой
все делители свободного члена уравнения
xl0 + x7 + 2xa + 2 = 0,
только —1 является корнем. Следовательно, это урав-
уравнение имеет единственный целый корень х = — I. Тем
же методом легко показать, что уравнение
х6 - х5 + Зх4 + х2 - х + 3 = О
в целых числах неразрешимо.
Значительно больший интерес представляет решение
в целых числах уравнений с многими неизвестными.
§ 2. УРАВНЕНИЯ ПЕРВОЙ СТЕПЕНИ
С ДВУМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
Рассмотрим уравнение первой степени с двумя неиз-
неизвестными
ах + Ьу + с = 0,	C)
где а и Ъ — целые числа, отличные от нуля, ас — произ-
произвольное целое. Будем считать, что коэффициенты а п b
не имеют общих делителей, кроме единицы*). Действи-
Действительно, если общий наибольший делитель этих коэффи-
коэффициентов d =(а, Ь) отличен от единицы, то справедливы
равенства a = a\d, b = b{d; уравнение C) принимает
вид
и может иметь целые решения только в том случае, ко-
когда с делится на d. Таким образом, в случае (а, Ь) =
'= d Ф 1 все коэффициенты уравнения C) должны де-
делиться нацело на d, и, сокращая C) на d, придем к
уравнению
коэффициенты которого аг и bt взаимно просты.
*) Такие числа а и Ь называют взаимно простыми; обозначая
через (а, Ь) общий наибольший делитель чисел а и 6, для взаимно
простых чисел получим (а, 6) = 1.
8

Рассмотрим сначала случай, когда с = 0. Уравнение
C) перепишется так:
0.	' C0
Решая это уравнение относительно х, получим
Ъ
Ясно, что х будет принимать целые значения в том и
только в том случае, когда у делится на а без остатка.
Но всякое целое у, кратное а, можно записать в виде
где t принимает произвольные целые значения (t =»¦
= 0, ± 1, ± 2, ...). Подставим это значение у в преды-
предыдущее уравнение, тогда
и мы получаем формулы, содержащие все целые реше-
решения уравнения C'):
х= — Ы, y = at (* = 0, ±1, ±2, ...)•
Перейдем теперь к случаю с ф 0.
Покажем прежде всего, что для нахождения всех
целых решений уравнения C) достаточно найти какое-
нибудь одно его решение, т. е. найти такие целые числа
хо, Уо, для которых
ах0 + Ьу0 + с = 0.
Теорема I. Пусть а и Ь взаимно просты и [л:о, г/о] —•
какое-нибудь решение *) уравнения
ax + by + c = 0.	C)
Тогда формулы
х = х0 — Ы, г/ = г/о + at	D)
при t = 0, ±1, ±2, ... дают все решения уравне-
уравнения C).
Доказательство. Пусть [х, у]—произвольное
решение уравнения C). Тогда из равенств
ах + by + с = 0 и ах0 + Ьу0 + с = 0
*) Пару целых чисел, х л у, которые удовлетворяют уравнению,
будем называть решением и записывать [х, у].

получаем
ах — ахо + by — by0 = 0; у — у0 = а °,——.
Так как у — уо — целое число и числа а ш b взаимно
просты, то хо — х должно нацело делиться на Ь, т.е.
хо — х имеет вид
д:0 — х = Ы,
где t — целое. Но тогда
_ __ abt _ ¦
О
и получаем
Таким образом доказано, что всякое решение [х, у]
имеет вид D). Остается еще проверить, что всякая пара
чисел [хх, ух], получаемая по формулам D) при целом
t = tx, будет решением уравнения C). Чтобы провести
Такую проверку, подставим величины хх = хо—btx, yx =
= Уй + ah в левую часть уравнения C):
ахх + &</, + с = ах0 — abtx + Ьу0 + аЫх + с = ахо + Ьуо + с,
но так как [л;0, у о] — решение, то ах0 + Ьуо-\- с = 0 и, сле-
следовательно,
ахх + Ьух + с = О,
т. е. [хх,у{\ — решение уравнения C), чем теорема пол-
полностью доказана.
Итак, если известно одно решение уравнения шс-Н
+ by + с = 0, то все остальные решения найдутся из
арифметических прогрессий, общие члены которых
имеют вид
Х = х3-Ы, y = yo + at (/=.0, ±1, ±2, ...)•
Заметим, что в случае, когда с = 0, найденные рань-
раньше формулы решений
х = — Ы, у = at
могут быть получены из только что выведенных формул
если выбрать хо = уо = 0, что можно сделать, так как
значения х == 0, у = 0 являются, очевидно, решением
10

уравнения
ах + by = 0.
Как же найти какое-нибудь одно решение [хо, уо]
уравнения C) в общем случае, когда с ф 0. Начнем с
примера.
Пусть дано уравнение
127л; -52г/+ 1=0.
Преобразуем отношение коэффициентов при неизвест*
ных.
Прежде всего, выделим целую часть неправильной
дроби -=г:
_127__ ¦ 23
52 ~~ 1 "г" 52 '
23	1
Правильную дробь -=д- заменим равной ей дробью^.
23
Тогда получим
J27__9 . 1
52 ~~ l + _52_#
23
Проделаем такие же преобразования с полученной в
знаменателе неправильной дробью -53-:
52 — О I 6 _ О I *
23 ~ ^ 23 ' "Ч" 23 '
6
Теперь исходная дробь примет вид
127-9 _i__L_
~ЕГ~ 2+Х'
"б"
23
Повторим те же рассуждения для дроби -?-:
Л'
5
u

Тогда
127- = 2
52 —2+ 1 '
Выделяя целую часть неправильной дроби -д-,
придем к окончательному результату:
52
2+-
Мы получили выражение, которое называется конеч-
конечной цепной или непрерывной дробью. Отбросив послед-
последнее звено этой цепной дроби — одну пятую, превратим
получающуюся при этом новую цепную дробь в простую
/^ 127
и вычтем ее из исходной дроби -gj-: <¦
2 +
4
127 22 1143—1144
52 9 ~ 52-9 ~ 52-9 '
Приведем полученное выражение к общему знаменателю
и отбросим его, тогда
127-9-52-22+1=0.
Из сопоставления полученного равенства с уравнением
127л; — 52#+ 1=0
следует, что х = 9, у = 22 будет решением этого уравне-
уравнения и согласно теореме все его решения будут содер-
содержаться в прогрессиях
х = 9 + 52/, у = 22 +127* (/ = 0, ± 1, ±2, ...)..
12

Полученный результат наводит на мысль о том, что
и в общем случае для нахождения решения уравнения
ах + by -f с = 0 надо разложить отношение коэффици-
коэффициентов при неизвестных в цепную дробь, отбросить ее по-
последнее звено и проделать выкладки, подобные тем, ко-
которые были проведены выше.
Для доказательства этого предположения будут
нужны некоторые свойства цепных дробей.
Рассмотрим несократимую дробь у. Обозначим че-
через q\ частное и через г% остаток от деления а на Ь. То-
Тогда получим:
& + , Г2<Ъ.
Пусть, далее, q2— частное и г3 — остаток от деления Ь
на г2. Тогда
Ь- = q2r2 + г3, г3 < г2;
точно так же
г2 = ^з'з + U, г4 < г3,
Величины q\, q2, ... называются неполными частными.
Приведенный выше процесс образования неполных част-
частных называется алгоритмом Евклида. Остатки от деле-
деления г2, г3, ... удовлетворяют неравенствам
Ь > г2 > г3 > г4 > ... > О,	E)
т. е. образуют ряд убывающих неотрицательных чисел.
Так как количество неотрицательных целых чисел, не
превосходящих Ъ, не может быть бесконечным, то на не-
некотором шаге процесс образования неполных частных
оборвется из-за обращения в нуль очередного остатка г.
Пусть гп — последний отличный от нуля остаток в ряде
E); тогда rn+i = 0 и алгоритм Евклида для чисел а
и Ь примет вид
а = qxb + г2,
F)
13
: <7зГз + г а,

Перепишем полученные равенства в виде
а
b _
гг ^
Гп-1
rn-i
±2=1- = а
Гп q
1
'1 т-j-i
l
n-1 + ,
1
Заменяя значение — в первой строке этих равенств
соответствующим значением из второй строки, значение
—— выражением из третьей строки и т.д., получим
•3
а
разложение у в цепную дробь:
+ ¦
Яп-1 + —
Яп
Выражения, получающиеся из цепной дроби при отбра-
отбрасывании всех ее звеньев, начиная с некоторого звена,
назовем подходящими дробями. Первая подходящая
дробь 6j получится при отбрасывании всех звеньев, на-
начиная с —:
<72
Вторая подходящая дробь бг получается отбрасыванием
всех звеньев, начиная с -т-:
14

Точно так же
. . \	. а
вз*=<7Н	Г<Т'
Я2+17
1	«
 — VI 1	1 ^6
и т. д.
В силу способа образования подходящих дробей воз-
возникают очевидные неравенства:
si < бз < • • • < S2fe-i < у; б2 > S4 > • • • > s2fe > у •
Запишем &-ю подходящую дробь бй в виде
и найдем закон образования числителей и знаменателей
подходящих дробей. Преобразуем первые подходящие
дроби бь б2 и б3:
б1 = <?1=^ = -§-; Pi = qlt Qi = 1;
l = -g-; Р2 = ?.<?2+1; Q2 = <72;
„ 1	<?3	_ 9l<?2?3 + 91+93 _ -Рз .
?1+	-	^ТрТ	—-,
Отсюда получаем:
Применяя индукцию*), докажем, что соотношения того
же вида
Pk = Pk-iqk + Pk-2, Qk = Qk-iqk + Qk-2	G)
выполняются для всех k ^ 3.
Действительно, пусть равенства G) выполняются для
некоторого k ^ 3. Из определения подходящих дробей
*) См. книжку этой серии И. С. С о м и н с к и й, Метод мате-
математической индукции, «Наука», М., 1974.
15

непосредственно следует, что при замене в выражении
бй величины qh на qk +	Ьк перейдет в 6a+i. Согла-
сно индукционному предположению
Заменяя здесь qk на qk-\	, .получим:
4
Отсюда, так как б&+1= Qfe+1 ¦, следует, что
Таким образом, из выполнения равенств G) для некото-
некоторого k ^ 3 следует выполнение их для к -\- 1. Но для
& = 3 равенства G) выполняются и, следовательно, их
справедливость установлена для всех k ^ 3.
Покажем теперь, что разность соседних подходящих
дробей 6ft — 6ft-i удовлетворяет соотношению
б*-б*-1=1щгг (А:>1)-	(8)
Действительно,
А _А _ Pk	Pk-^l _ PkQk-l - QkPk-l
k k~' Qk Qk-i ~	QkQk-i
Пользуясь формулами G), преобразуем числитель полу-
полученной дроби:
PkQk-\ ~ QkPk-i = (Pk-iQk + Pft-з) Qk-i
- (Q*-i<7* + Qk-2
Выражение, стоящее в скобках, получается из исходного
заменой k на &— 1. Повторяя такие же преобразования
для получающихся выражений, получим, очевидно, цепь
16

равенств:
k-i = (-l)(P*-iQ*-2 - Qk-iPk-2) =
= (-1J (Pk-iQk-s - Qk-Л-в) = •..
PkQk-i - QkPk-i _ (-I)* _ (-1)*
Отсюда следует, что
Sft — 6ft-i=- QfeQj.,-	— QftQft_, — QkQb-Г-
Если разложение -|- в цепную дробь имеет п звеньев,
то п-я подходящая дробь бп совпадает с -у. Применяя
равенство (8), при k = n получим
Ь °"~1 — bQn-i '	ч
Вернемся теперь к решению уравнения
ах + Ьу + с = 0, (а, Ь) = 1. t A0)
Перепишем соотношение (9) в виде
_а	Я»-, (-1)"
Ь Qn-i. bQn-i '
Приводя к общему знаменателю и отбрасывая его, по-
получим
QWV(l)'\
Умножим это соотношение на (—l)" с. Тогда
Отсюда следует, что пара чисел [хо, УоЬ
хо = (-1)а-* cQn-n Уо = (— 1)" сРп-„	A1)
является решением, уравнения A0) и согласно теореме
все решения этого уравнения имеют вид
x = (-l)n-lcQn-l-bt, у = {-\)псРп-{-\-Ш
(* = 0, ±1, ±2, ...).	>ч
> 2 Д. О. Гельфояд	17

Полученный результат полностью решает вопрос э
нахождении всех целочисленных решений уравнения
первой степени с двумя неизвестными. Перейдем теперь
д рассмотрению некоторых уравнений второй степени.
§ 3. ПРИМЕРЫ УРАВНЕНИЙ ВТОРОЙ СТЕПЕНИ
С ТРЕМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
Пример I. Рассмотрим уравнение второй степени
с тремя неизвестными:
x2\y2 = z2.	A2)
Геометрически решение этого уравнения в целых числах
можно истолковать как нахождение всех пифагоровых
треугольников, т. е. прямоугольных треугольников, у ко-
которых и катеты х, у, и гипотенуза z выражаются целыми
числами.
Обозначим через d общий наибольший делитель чи-
чисел х и у: d = (x,y). Тогда
х = ххй, у = у id,
и уравнение A2) примет вид
Отсюда следует, что z2 делится на d2 и, значит, z крат-
кратно d: z = z\d.
Теперь уравнение A2) можно записать в виде
сокращая на d2, получим
Мы пришли к уравнению того же вида, что и исход-
исходное, причем теперь величины xi и у\ не имеют общих де-
делителей, кроме 1. Таким образом, при решении уравне-
уравнения A2) можно ограничиться случаем, когда х и у вза-
взаимно просты. Итак, пусть (х,у)= 1. Тогда хотя бы одна
из величин х и у (например, х) будет нечетной. Пере-
Перенося у2 в правую часть уравнения A2), получим
• Л2 = 22-^; x2 = (z + y)(z-y).	A3)
18

Обозначим через 'dx общий наибольший делитель выра-
выражений г + рг — у. Тогда
z-\- y = adu z — y — bdx,	A4)
где а и Ъ взаимно просты.
Подставляя в A3) значения z-\- у и г — у, получим
Так как числа а и & не имеют общих делителей, то полу*
ченное равенство возможно только в том случае, когда
а и Ь будут полными квадратами *) i
а —и2, b = v2.
2	2 2 j2
X =UV di
Но тогда
A5)
Найдем теперь у и z из равенств A4). Сложение этих
равенств дает:
2г = adi + bdx = иЧх + v2dv\ 2== »2 +
Вычипгая второе из равенств A4) из первого, получим
V=fldi-WlS=«4-o2d,;- ^=-^!^,. A7)
В силу нечетности л; из A5) получаем, что м, о и d\
также нечетны. Более того, <t\ = 1, так как иначе из
равенств
= uvdx и г/=
U2~V2
следовало бы, что величины х и у имеют общий делитель
d\ ф 1„ что противоречит предположению об их взаим-
взаимной простоте. Числа и и v связаны со взаимно простыми
числами а и Ь равенствами
а = и2, Ъ = v2 .
и в силу этого сами взаимно просты; о < и, так как
Ь <с а, что ясно из равенств A4),
*) Известно» что произведение двух взаимно простых чисел
может быть полным квадратом только тогда, когда каждый сомно-
сомножитель — полный квадрат,
2*	< 19

Подставляя в равенства A5) — A7) di = 1, получим
формулы:
22	2 + 2
x = uv, у = —2—. z = ——,
дающие при нечетных взаимно простых и и v (v < и)'
все свободные от общих делителей тройки целых поло-
положительных чисел х, у, z, удовлетворяющие уравнению
A2). Простой подстановкой хиу и z в уравнение, A2)
легко, проверить, что при любых и и v числа (.18) удо-
удовлетворяют этому уравнению.
Для начальных значений и и у формулы A8) приво-
приводят к следующим часто встречающимся равенствам:
32 + 42 = 52 (г/=1, м = 3),
52+122=132 (о=1, и = Ъ),
152 + -82=172 (у = 3, н = 5).
Как уже было сказано, формулы A8) дают только те
решения уравнения
х2 + у2 = 22г
в которых числа х, у и z не имеют общих делителей. Все
остальные целые положительные решения этого уравне-
уравнения получаются умножением решений, содержащихся в
формулах A8), на произвольный общий множитель d.
Тем же путем, каким мы получили все решения урав-
уравнения A2), могут быть получены и все решения других
уравнений того же типа.
Пример II. Найдем все решения уравнения
x2 + 2y2 = z2	A9)
в целых положительных попарно взаимно простых чис<
лах х, у, г.
Заметим, что если х, у, z есть решение уравнения
A9) и х, у, z не имеют общего делителя, отличного от
1, то они и попарно взаимно просты. Действительно,
если х и у кратны простому числу р > 2, то из равен-
равенства
следует, так как его левая часть — целое число, что z
кратно р. То же самое будет, если х и z или у и z де-
делятся на р.
Заметим, что х должно быть числом нечетным для
того, чтобы общий наибольший делитель х, у, z был ра-
20

вен 1. Действительно, если х четно, то левая часть урав-
уравнения A9) будет четным числом и, значит, z также бу-
будет четным. Но х2 и z2 будут тогда кратны 4. Отсюда
следует, что 2у2 должно делиться на 4, другими словами,
что у тоже должно быть четным числом. Значит,~есди х
четно, то все числа х, у, z должны быть четными. Итак,
в решении без общего отличного от 1 делителя х должно
быть нечетным. Отсюда уже следует, что и z должно
быть тоже нечетным. Перенося х2 в правую часть, мы
получаем:
2г/2 = z2 - х2 = (z + х) (z - х).
Но z -\- х и z — х лмеют общим наибольшим делителем 2.
Действительно, пусть их общий наибольший делитель
будет d. Тогда
z + х = kd, z — х = Id,
где k и / — целые числа. Складывая и вычитая эти ра-
равенства, мы будем иметь:
tj, 2x=d(k-t).
Но z и х нечетны и взаимно просты. Поэтому общий
наибольший делитель 2х и 2z будет 2. Отсюда следует,
что d = 2.	'
Итак, или 2*¦ , или г~^Х нечетно. Поэтому или
числа
Z— X
И
взаимно просты, или взаимно просты числа
г + х
-Г
В первом случае из равенства
и ZT
следует, что
z + х = п2, z — х = 2т2,
а во втором случае из равенства .
следует
z + х = 2m2, z — х = п2,
21

где пит — целые, т — нечетное число и п > 0, m > 0L
Решая эти- две системы уравнений относительно х и г и
находя г/, мы получаем или
1	1
или
z = -j {п2 + 2т2), х = -?¦ Bт2 — /г2), у = тп,
где т нечетно. Объединяя эти две формы представления
решения х, у, z, мы получаем общую формулу
х = ± -g- (и2 — 2т2), г/ = m«, z == -j (n2 + 2m2),
где m нечетно. Но для того чтобы z и х были целыми
числами, необходимо, чтобы п было четным. Полагая
п = 2Ь и m = а, мы получим окончательно общие фор-
формулы, дающие все решения уравнения A9) в целых по-
положительных без общего делителя, большего 1, числах
х, у, z:
х=±(аг-2Ь2), y = 2ab, z = a2 + 2b2, A9')
где а и Ь положительны, взаимно просты и а нечетно.
При этих условиях величины a a b выбираются произ-
произвольно, но так, чтобы х было положительно. Формулы
A9') действительно дают все решения в целых положи-
положительных и взаимно простых числах х, у, z, так как, с од-
одной стороны, мы доказали, что х, у, г в этом случае долж-
должны представляться по формулам A9'), а с другой стог
роны, если мы зададим числа а и Ь, удовлетворяющие
нашим условиям, то х, у, z будут действительно взаимно
просты и будут решением уравнения A9).
§ 4. УРАВНЕНИЯ ВИДА х^ — Аф = 1.
НАХОЖДЕНИЕ ВСЕХ РЕШЕНИЙ ЭТОГО УРАВНЕНИЯ
Перейдем теперь к решению в целых числах уравне-
уравнений второй степени с двумя неизвестными, имеющих вид
х2-Ау2=\,	B0)
где А — целое положительное число, не являющееся пол-
полным квадратом. Для того чтобы найти подход к реше-
решению таких уравнений, познакомимся с разложениями в
22

цепные дроби иррациональных чисел вида л/А. Из ал-
алгоритма Евжлида следует, что всякое рациональное
число разлагается в цепную дробь с конечным числам
звеньев. Иначе обстоит дело с иррациональными чис-
числами. Соответствующие им цепные дроби бесконечны.
Найдем, например, разложение в цепную дробь ирра-
иррационального числа у2.
Преобразуем очевидное тождество
V2-l=-
заменяя разность V2 — 1» полученную в знаменателе,
равным ей в силу тождества выражением
1
2 + (л/2 - 1)'
получим
2 +
2 + (V2 - 1)	2 + (V2 - 1)
Снова заменим скобку, стоящую в знаменателе послед»
него равенства,, равной ей дробью из того же тождества?
тогда
, ,	1
Продолжая этот процесс, получим следующее разложе*
ние V2 в бесконечную цепную дробь:
2 +
B1)

Заметим, что примененный выше метод разложения в
цепную дробь, основанный на использовании тождества
вида
(Vm2+l-m)(Vm2+l+m)= 1,
годится не для всякой иррациональности V'А. Этот ме-
метод, очевидно, можно применять в тех случаях, когда
целое число А может быть представлено в виде А =
= т2-\-\, где т — некоторое целое, отличное от нуля.
,'(В частности, при m '= 1 получае_м разложение У5;
m = 2 приводит к разложению V^ и т. д.) Однако и
в общем случае известны сравнительно несложные мето-
методы для разложения л/А в бесконечную цепную дробь*).
Как и раньше, в случае конечных цепных дробей, об-
образуем для бесконечной цепной дроби B1) последова-
последовательность подходящих дробей бь бг, бз, ... :
=1 Ч	4" =4' 63<V?	B2)
б4 > V2;
и т.д.
Из способа образования подходящих дробей следует,
что	_
6, <63< ••• < V2»
б2>б4> ••• >У2-
Вообще, если задано разложение в бесконечную цепную
дробь некоторого иррационального числа а,
*) См., например, книгу: И. В. Арнольд «Теория чисел»,
глава VI (Учпедгиз, 1939) или А. Я. Хинчин «Цепные дроби»
(Гостехиздат, 1949).
24

то для подходящих дробей выполняются неравенства!
б, < б3 < ... < 62ft+1 < ... < а < ...
... <62fe< ... <64<62. B3)
Представим подходящую дробь 6й в виде
s Qk .
Соотношения G)
полученные раньше для конечных цепных дробей, сохра-
сохраняются и для бесконечных цепных дробей, так как при
выводе этих соотношений мы нигде не использовали то,
что цепная дробь является конечной. Поэтому сохра-
сохраняется также и соотношение (8) между соседними под-
подходящими дробями: ,
(~1)Й •	B4)
Например, для подходящих дробей разложения -у/~2 в
цепную дробь при k = 3 и k = 4 получим из B2):
. . 7 3 -1
03 — 02 = -г — -S- =
5 2	10 '
°4 °3 12 5 ~~ 60 '
что, естественно, совпадает с результатом, указанным в
B4).
Из B4), в частности, следует, что
= Q2k+1Q2k -.
Покажем теперь, что справедливо неравенство
Действительно, левая часть этого неравенства получает-
получается сразу, так как согласно B3)
а<б2к==Ш'' aQu < ?2k'' 0<P2k~ aQ^-
Доказательство правой части неравенства B5) также
проходит без труда. В силу B3)
a < 62fe,
25

следовательно,
02ft — О <С 02? ~
Отсюда, заменяя 62fe на -^р-, получаем:
•§г~а< q»L+i •
Умножая это неравенство на Q2fe, приходим к желае-
желаемому результату:
Применим теперь полученные результаты к решению
уравнения
х2-2у2 = 1.	B6)
Преобразуем левую часть этого уравнения:
х2-2у2 = (х- л/2у) (х
Положим х — P2h и у = Qik, где P2h и Q2h — числитель
и знаменатель соответствующей подходящей дроби из
разложения л] 2 в цепную дробь. Тогда
Ptk - 2Q\k = (P2k - V2Q2ft) {P2k + V2Q2ft). B7)
Левая, а значит, и правая, часть полученного равенства
является целым числом. Покажем, что это целое число
больше нуля, но меньше двух и, следовательно, равно
единице. Для этого применим неравенство B5) при
а =-у/21
^	B8).
Отсюда видно, что оба сомножителя правой части B7)
положительны и, значит,
Plk - 2Qtk > 0.
С другой стороны,
1	Ч_
26

Но в силу B3)
Отсюда
2Р.
2to
и мы получаем два неравенства для сомножителей
правой части равенства B7):	'
Перемножение этих неравенств дает:
Применяя неравенство B8), получим отсюда
и так как для всех к ^ 1
1 ^ 1 _ 1
Q2ftQ2ft+i ^ Q2Qa Ю
то
±<2.
Таким образом мы доказали, что целое число P\k — 2Q\k
при любом k ^ 1 удовлетворяет неравенствам .
0<Pjh-2Qlk<2.
Следовательно,
т. е. числа д; = Р2н, У = Q2h при любом к ~^г 1 дают ре-
решение уравнения
^-2г/2=1.
Мы пока не знаем, будут ли найденные нами реше-
решения уравнения B6) представлять собой все решения это-
этого уравнения.
27

Теперь уже естественно возникает вопрос о том, как
получить все решения в целых числах х и у уравнения
Х?-Ау2=1	B9)
при А >¦ О целом и л/А иррациональном. Как мы пока-
покажем, это можно сделать, если известно хотя бы одно ре-
решение уравнения B9). На примере уравнения B6) мы
видели, что такие уравнения имеют решения. Мы зай-
займемся сейчас вопросом о том, как получить все решения
уравнения B9) из одного определенного его решения,
которое мы будем называть минимальным, или наимень-
наименьшим, оставляя пока открытым вопрос о том, всегда ли
уравнение B9) имеет хотя бы одно решение в целых
числах, отличное от тривиального х = 1, у = 0.
Допустим, что уравнение B9) имеет нетривиальное
решение [х0, у0], х0 > 0, у0 > 0, и
xl-Ayl=i.	C0)
(Напомним, что решением называется пара целых
чисел [хо, г/о], удовлетворяющих уравнению.) Мы будем
называть это решение [х0, уо] _наименыиим, если при
х = х0 и у = г/о двучлен х + л/Ау, V А > 0, будет иметь
наименьшую возможную величину из всех возможных
его значений, которые он будет принимать при подста-
подстановке вместо х и у всех возможных целых положитель-
положительных (отличных от нуля) решений уравнения B9). На-
Например, для уравнения B6). наименьшим .решением бу-
будет х = 3, у = 2, так как х -{-_л/2у при этих значениях х
и у примет значение 3 + 2 л/2, и не существует другого
решения уравнения' B6), что сразу видно при попытке
подбора малых целых положительных чисел, могущих
быть решениями, которое давало бы двучлену х + л]2у
значение, не большее, чем 3 + 2 л/2. Действительно, сле-
следующее по величине решение уравнения B6) будет
х = 17, у = 12, и ясно, что 17 + 12.V2 больше, чем 3 +
+ 2 л/2. Заметим также, что не существует двух наи-
наименьших решений уравнения B9). Допустим обратное,
т. е. что есть решения [х\, у\] и [х2, yd> которые дают одно
и то же значение двучлену х + л/Ау. Тогда
xi + л[Ау\ = *2 + л/АУг>	C1)
28

Но л/А — иррациональное число, а х\, уи х2, г/г — целые
числа. Значит, как это непосредственно следует из ра-
равенства C1),
Xi — x2 = (г/2 — г/,) УА,
что невозможно, так как Х\ — х2 — целое число,
(г/2 — У\) У А как произведение целого числа на ирра-
иррациональное будет иррациональным, а целое число не мо-
может быть числом иррациональным. Противоречие это
пропадает, если Х\ = х2 и г/i = г/2. — другими словами,
когда мы берем не два различных решения, а одно. Итак,
если существует наименьшее решение, то только одно.
Заметим теперь еще одно очень важное Ьвойство реше-
решений уравнения B9). Пусть [xuyi] будет решением урав-
уравнения B9). Тогда
¦v*2 , А */2 — .... 1
i '^У' " '' ^
или
(*, + УЛг/0 (Xl - УЛг/J = 1.	C2)
Возведем теперь обе части равенства C2) в целую поло-
положительную степень п:
C3)
Осуществляя возведение в степень по правилу сте-
степени бинома, мы получаем:
(xi + л/АухL =х" + пх?~1 -у' Аух +
C4)
где хп и уп будут целыми числами, так как первый, тре-
третий и вообще все нечетные члены разложения по пра-
правилу степени бинома будут целыми числами, а четные
члены будут целыми числами, умноженными на л/А .Со-
.Собирая в отдельности целые слагаемые и числа, кратные
-у'А, мы получаем равенство C4). Числа хп и г/„, как
мы сейчас докажем, будут также решением уравнения
B9). Действительно, из равенства C4), меняя знак у
У'А, мы получаем равенство
= хп -УЛг/,,.	C5)
29

Перемножая почленно равенства C4) и C5)" и восполь-
воспользовавшись равенством C3), мы будем окончательно
иметь:
^ - 4Й - Ь <36>
другими словами, что [хп, уп] есть также решение урав-
уравнения B9).
Теперь мы можем доказать основную теорему относи-
относительно решений уравнения B9).
Теорема II. Всякое решение уравнения B9)
при положительном А и иррациональном л/А имеет вид
[±хп, ± уп], где
> C7)
Уп = j^j K*b + «/о л/А У — (хо — г/о л/А )"], J
о [хо, г/о] — наименьшее решение.
Доказательство. Допустим обратное, именно,
что существует такое решение в целых положительных
числах уравнения B9) [х', у'], что равенство
х' + л/~Ау' = U + V^/оГ	C8)
невозможно ни при каком целом положительном п. Рас-
Рассмотрим ряд чисел
х0 + V^/o. (хо + л/АуоУ, (xQ + л/Ауо)\ ...
Это — ряд положительных неограниченно растущих чи-
чисел, так как хв ^ 1, г/о ^ 1 ихо + V^o > 1 • Вследствие
того, что [хо, г/о]—наименьшее решение, по определению
наименьшего решения
х'
Поэтому всегда найдется такое целое п^1, что
U + V^/o)" < а;л + VV < U + V^/o)"+ '• C9)
Но хо — V^#o > 0. так как-
(х0 + л/А~уо) (хо — л/Ауо) = х\ — Лг/о — 1 > 0.
80	,

Поэтому от умножения всех членов неравенств C9) на
одно и то же положительное число (xq — уАуо) знаки
неравенств сохранятся, и мы будем иметь
(х0 + л/АуоТ (хо — -у/АуоТ < (xf + л/Ay') (х0 — -у/Ауо)п <
< (хо + л/Ауо)П+Х (х0 - ^АуоТ. D0)
Так как
(х0 + -у/Ауо)п(хо - л/Ауо)п = (х1 - Ау1У= 1, D1)
то
(лг0 + л/АуоТ+1 (х0 - л/Jyof = х0 + л/Ау0. D2)
Кроме того,
U + VAS) (хо ~ VW = (х' + л/Ау*) (хп - л/Ауп) =
= х'хп - Ау'уа + У Л (#'%„ - х'уп) = х + ^Ау, D3)
где х и у — целые числа и
хп — л/Ауп = (х0 — У Лг/о)*-
Воспользовавшись соотношениями D1) — D3j И нера-
неравенствами D0), мы получим неравенства
КЯ + о/Ау <хо+ л/Ауо.	D4)
Покажем, что пара целых чисел х и у~ будет решением
уравнения B9). Действительно, перемножая почленно
равенство D3), т.е. равенство
х + л/Jy = (х' + л/Ау') (хо ~ ^Ауо)п>	D5)
и равенство
х - УАу = (^ - л/АУ) (х0 + л/Ау'оТ,	D6)
которое получается из D3) непосредственно, если пере*
менить знак у У А, получаем:
(jc + У Ау) (х -
= (х' + <^Ау') Ы - л/А!/) (хо + УАуо)п U -
=1, D7)
так как [xf, у'] и [xq, yQ] — решения уравнения B9). Дока-
Докажем, наконец, что х > 0 и у > 0. Прежде всего ясно,
31

нтс it не равно нулю. Действительно, если х = О, to из
равенства D7) мы будем иметь
что невозможно, так как А > 0. Далее, если у = О, то
х2 = 1, но из неравенств D4) следует х> 1, что невоз-
невозможно. Наконец, заметим, что знаки хну должны быть
одинаковы. Действительно, если предположить, что зна-
знаки х и у различны, то х и — у будут иметь уже одинако-
одинаковые знаки. Если мы сравним_гогда абсолютные вели-
величины чисел х-\--\/Ау и х — ^/Ау, то абсолютная вели-
величина первого из этих чисел должна быть. меньше
абсолютной величины второго числа, так как в первом
числе два числа одинаковых знаков вычитаются одно из
другого, а в другом складываются. Но мы уже знаем,
что
значит, х — V Ау также по абсолютной 'величине больше
единицы. Но
(х + л/Ау) (х - sjAy) = х2 - Ay* = 1,
и мы пришли к противоречию, так как произведение
двух чисел, каждое из которых по абсолютной величине
больше единицы, также должно иметь абсолютную вели-
величину, большую единицы. Итак, знаки хну одинаковы
н хфО к у фО. Но тогда из неравенства D4) уже сра-
сразу следует, что х >¦ 0 и у >¦ 0. Итак, предположив, что
существует такое решение [х', у'] уравнения
х?-Ау2=1, Л>0,
что равенство C8) невозможно ни при каком целом по-
положительном п, мы сумели построить решение [х, ij\ это-
этого уравнения, х >¦ 0, у >• 0, х и у — целые, удовлетво-
удовлетворяющее неравенствам D4), которые противоречат опре-
определению наименьшего решения [xq, yQ]. Этим мы и дока-
доказали, что предположение существования решения, не
представляющегося по формуле C8), приводит нас к
противоречию. Другими словами, мы доказали, что все
решения нашего уравнения могут быть получены из фор-
формулы C8).
Итак, всякое решение [х, у] уравнения B9) получает-
получается из соотношения
х + л/Ад = (хо + лДуоГ, я > 0,	D8)
32

где [Хо, yd\ — наименьшее р.ешение. Меняя в этом послед-
последнем равенстве знак у У А, мы будем иметь также ра-
равенство
_ D9)
Складывая и вычитая эти равенства и деля обе части
соответственно на 2 или 2-\fA, мы получаем:
Ауо) — {х0 — л/Ауо) ], I
E0)
другими словами, — явные выражения для любого реше-
решения [х, у] при положительных х и ¦д'. Всякое решение по-
получается из этих, если брать произвольные знаки при
хп и уп.
Например, так как мы уже видели выше, что наи-
наименьшим решением для уравнения х2 — 2у2 — I будет
х = 3, у = 2, то все решения этого уравнения будут со-
содержаться в формулах
откуда при п= 1, 2, 3 мы получаем решения: [3, 2],
[17, 12], [99, 70].
Заметим, что числа хп и уп с ростом п растут со ско-
скоростью геометрической прогрессии со знаменателем
Xq + л/Ауо, так как вследствие разенства
(х0 + ^Ауо) (х0 —
мы можем утверждать* что
0 < х0 — д/^г/о < 1
и, значит, что (л;0 — У\/Ауо)п всегда стремится к нулю с
ростом п.
Заметим теперь, что если уравнение B9) имеет хотя
бы одно нетривиальное решение, — другими словами,
хотя бы одно решение при у ф 0, — то будет существо-
существовать наименьшее решение этого уравнения и тогда все
его решения могут быть получены из формул E0).
33

Вопрос о существовании нетривиального решения этого
уравнения при произвольном целом положительном А н
V'А иррациональном мы пока оставляли открытым, а
теперь вернемся к нему.
§ 5. ОБЩИЙ СЛУЧАЙ УРАВНЕНИЯ ВТОРОЙ СТЕПЕНИ
С ДВУМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
Мы докажем в этом параграфе, что при любом целом
положительном А и иррациональном -\JА уравнение
Х2~Д/=1	E1)
всегда имеет нетривиальное решение, другими словами,
существует пара целых чисел хо и г/о, *о, Уо Ф 0, которая
ему удовлетворяет. Прежде всего, укажем прием, позво-
позволяющий разложить в цепную дробь произвольное поло-
положительное число. Выше мы пользовались для разложе-
разложения в цепную дробь специальными свойствами числа
д/2. Пусть а — любое положительное число. Тогда все-
всегда существует целое число, которое будет меньше или
равно а и больше а— 1. Такое целое число носит назва-
название целой части а и обозначается [а]. Разность между а
и его целой частью называется дробной частью числа а
н обозначается {а}. Из определений целой части и дроб-
дробной части числа а непосредственно следует соотношение
между ними, именно:
а— [а] = {а}
или
а = [а] + {«}.	E2)
Так как дробная часть числа есть разность между поло-
положительным числом и наибольшим целым числом, его не
превосходящим, то дробная часть числа всегда меньше
единицы и неотрицательна. Например, целая часть -т-
есть 5, а дробная его часть есть -g-; целая часть у 2
есть 1, а дробная часть равна V 2 — 1; целая часть ^52
равна 3, а дробная часть равна ^52 — 3, и т. д.
Введенное нами определение целой части н дробной
части положительного числа а может быть использовано
34

для разложения этого числа в цепную дробь. Положим!
Тогда
E3)
. Так как {а} всегда меньше единицы, то ai всегда больше
единицы. Если бы а было само целым числом, то его
дробная часть равнялась бы нулю, а\ было бы равно
бесконечности и мы имели бы равенство a = q\. Отвле-
Отвлекаясь от этого частного случая, который исключается
тем, что мы разлагаем в непрерывную дробь иррацио-
иррациональное число, мы можем утверждать, что а\ — положи-
положительное число, большее единицы. С этим числом ai мы
поступаем так же, как и с а, и пишем равенство
1	¦	i
Продолжая этот процесс, мы получаем ряд равенств:
CSi
' = <7i -\	. <7i — fol,
— Чч + 7Г~' Чч =[aib
-~
«re
E4)
Этот процесс последовательного образования целых чи-
чисел <7ь q% qz, • ¦ •, Цп, • • ¦ в случае, когда a — рациональ-
рациональное число, — другими словами, когда а=у, где а и
Ъ — целые положительные числа, — как нетрудно заме-
заметить, ничем Не отличается по своим результатам от по-
получения неполных частных с помощью алгоритма Евкли-
Евклида (сиг формулы F)). Он должен поэтому оборваться
при а рациональном. При а иррациональном этот дро-
цеев должен быть бесконечным. Действительно, если бы
при каком-нибудь п а.п было целым числом, то от-
отсюда следовало бы, что ап~\ было бы рациональным, что
в евою очередь влекло бы за собой рациональность а„_2
35

и т. д. Hi наконец, рациональность аь Из формул E4J,
делая последовательные замены, исключая а\, оег, ...
..., осп-ь мы получим цепную дробь
a =.<7i -\	—	,	E5)
которую, так как п можно взять сколь угодно большим,
можно записывать и в форме бесконечной цепной дроби
92
Как мы уже говорили в § 4, соотношение (8) между
подходящими дробями сохраняется в этом случае, так
как оно не зависит от конечности или бесконечности дро-
дроби. Из этого соотношения (8), как мы уже видели, сле-
следует для четных подходящих дробей неравенство B5).
Это неравенство B5) будет опять лежать в основе дока-
доказательства существования решения у уравнения E1), но
само доказательство будет сложнее, чем в частном слу-
случае, когда А = 2. За дальнейшими сведениями из теории
цепных дробей мы можем отослать читателя к книге
А. Я. Хинчина «Цепные дроби».
Теорема III. При любом целом положительном А
и иррациональном V'А уравнение E1)
имеет нетривиальное решение [хо, г/о], хо > 0, уо > 0.
Доказательство. Ввиду некоторой сложности
доказательства существования решения уравнения E1)
мы разобьем это доказательство на ряд шагов. Первый
шаг доказательства будет заключаться в том, что мы
докажем существование целого положительного числа к,
36

обладающего тем свойством, что уравнение
x2 — Ay2 = k	E6)
будет иметь бесчисленное множество решений в целых
положительных числах х и у. Действительно, рассмот-
рассмотрим двучлен х2 — Ау2 и будем в него вместо х и у под-
подставлять числители и знаменатели последовательных
четных__подходящих дробей к иррациональному числу
а = л] А. Тогда
«а. = Р1 ~ Щп = (Л* -'«W (Р» + «W- E?)
Но из того, что
непосредственно следует:
О < Р2п + aQ2n = 2aQ2n + Р2п - aQ2n < 2aQ2n +
Используем этн два последних неравенства для оценки
Z2n. Заменяя оба множителя в правой части равенства
E7) с помощью этих неравенств большими величинами,
мы получаем для г2п неравенство
так как Q2n меньше Q2n+i. При подстановке в двучлен
вместо х и у соответственно Р2п и Q2n, z принимает, це-
целое положительное значение. Итак, все числа г2, z4, • • •
..., Z2n. ¦ • ¦ будут целыми положительными числами, не
превышающими одного и того же числа 2a -f-1. Но так
как a = л}А иррационально, то цепная дробь будет бес-
бесконечной и, значит, таких пар чисел Р2п , и Q2n будет
бесконечно много. Различных же среди целых положи-
положительных чисел г2, zit ..., z2n, . •. будет лишь конечное
число, так как между 1 и вполне определенным числом
2a-f-1, от п не зависящим, может лежать не более
[2а + 1] целых чисел. Другими словами, бесконечный
ряд чисел z2, Z\, ..., z2n, ... есть не что иное, как после-
последовательность каким-то образом повторяющихся целых
чисел 1, 2, 3, ..., [2а + 1], причем не обязательно даже,
что все эти числа встречаются в нашей последовательно-
последовательности 22, 24, z6, ... Так как последовательность z2, 24, ...
«•., 22т ... бесконечна, а число различных ее членов
37

конечно, то хотя бы одно число k (I sg: & г^ [2а-f-1]) в
этой последовательности повторяется бесчисленное мно*
жество раз. Другими словами, среди пар чисел [Р2, Qz],
[Pi, QJ, • •., [Pin, Q2n], ¦ ¦ ¦ найдется бесчисленное мно-
множество таких пар, что-величина z = xz — Ay2 принимает
при подстановке этих чисел вместо хну одно и то же
значение k. Итак, мы доказали существование целого
положительного числа k, при. котором уравнение E6)'
имеет бесчисленное множество решений в целых числах
х и у. Перенумеруем снова эти пары чисел, служащие
решениями уравнения E6) при данном k, обозначив их
[Mi,i>i], [«2, Ы ..., [un,vn], ... Мы будем тогда иметь,
что
ul-Av\ = k.	E9)
Заметим, что последовательность пар \и\, vt], [иг, v2], ...
..., [и„, vn], ... будет частью последовательности пар
числителей и знаменателей четных подходящих дробей
числа ее. Если бы мы могли утверждать, что k=l, то
мы бы уже доказали, что уравнение E1) имеет бесчис-
бесчисленное множество решений в целых числах. Так как мы-
этого утверждать не можем, то допустим, что k > 1
(в противном случае, когда k = 1, все уже доказано),
и перейдем ко второму шагу нашего доказательства. До~
кажем теперь, что среди пар целых чисел [ии v{\, ...
..., [ип, vn], ... будет бесконечно много пар чисел, даю-
дающих одни и те же остатки при делении на число к,—
другими словами, что существуют такие два целых не-
неотрицательных числа р и <7, меньших k, что для бесчис-
бесчисленного множества пар [щ, v{], ,.., [и„, »„}, ... будут
иметь место равенства
ип = ank + p, vn = bnk -f q,	F0)
где ап и Ьп — частные от деления и„ и vn на k, a p и <7 —
остатки. Действительно, если мы разделим «„ и vn на
целое число k, /г > 1, то мы получим соотношения ви-
вида F0), где остатки от деления будут, как всегда, нахо-
находиться между нулем и k— 1. Так как остатками от деле-
деления чисел «„ на k могут быть только числа 0, 1, 2, ...
..., k — 1 и, совершенно так же, остатками от деления
чисел vn на k могут быть тоже только эти же числа
0, 1, 2, ..., k— 1, то число возможных пар остатков при
делении чисел ип и vn на k будет k-k = k2. Это ясно
также из того, что каждой паре [и„, vn] соответствует па^
38

р>а остатков [рп, qn), причем рп и qn, каждый в отдель-
отдельности, не могут принимать более k различных значений,
а число пар поэтому будет не более k2. Итак, каждой
Паре целых чисел [«„, vn] соответствует пара остатков
\рп, Яп] при делении на k. Но число различных пар
остатков конечно, не превышает к2, а число пар [ы„, vn]
бесконечно. Значит, так как в ряду пар [pi, qi[, [р2, q2],...
• ••» [рп, qn], ... имеется лишь конечное число различных
пар, то хотя бы одна пара повторяется бесчисленное
множество раз. Обозначая эту пару остатков [р, q\ мы
и получаем, что существует бесчисленное множество пар
[ип, vn], для которых имеют место равенства F0). Так
как не все пары [ип, vn] удовлетворяют равенствам F0)
при некоторых определенных р и q, существование ко-
которых мы сейчас доказали, то мы снова перенумеровы-
перенумеровываем все те пары [и„, vn], которые удовлетворяют равен-
равенствам F0), и будем эти пары, обозначать [/?„, Sn]. Итак,
бесконечная последовательность пар [R\, Si], [R2, S2], ...
..., [Rn, Sn], ... есть часть последовательности пар
[ип, vn], которая в свою очередь есть часть последова-
последовательности пар числителей и знаменателей четных под-
подходящих дробей числа а. Пары чисел этой последова-
последовательности удовлетворяют уравнению E9) и дают одни
и те же остатки р я q при делении на k.
Теперь, после того как мы установили существование
бесчисленного множества таких пар целых положитель-
положительных чисел Rn и Sn, мы можем перейти к третьему и по-
последнему шагу нашего доказательства..
Заметим прежде всего, что пары [Rn, Sn], будучи па-
парами числителей и знаменателей подходящих дробей,
должны быть парами взаимно простых чисел, т. е. не
иметь общих делителей. Действительно, если в соотно-
соотношении B4) заменить k на 2k и положить б2й = ~~,
62ft_i = Jk~l , то из равенства
Q2k	Q2k-l
умножив обе его части на Q^kQik-u мы получаем ра-
равенство
= 1.	F1)
Это соотношение между целыми числами Рщ, Qih, /W-i,
Q<ih-i показывает, что если P2h и Q2h имеют общий
39

делитель, больший единицы, то вся левая часть его
. должна нацело делиться, на этот общий делитель. Но
справа в равенстве стоит единица, которая не может де-
делиться ни на какое целое число, большее единицы. Та-
Таким образом, взаимная простота чисел Rn и Sn, которые
могут быть только числителями и знаменателями подхо-
подходящих дробей, установлена. Из соотношений G) также
непосредственно следует, что
Из взаимной простоты чисел Rn и Sn и того обстоятель-
обстоятельства, что числа Si, S2, ..., Sn, ..., которые взяты из по-
последовательности различных между собой чисел Q2n,
также между собой различны, непосредственно следует,
что в бесконечном ряду дробей
Ri R2	Rn
нет одинаковых чисел. Напишем два равенства, следую-
следующих из определения чисел Rn и Sn:
R*-AS2 = (Rl-aSl)(R1 + aS1) = k	F2)
Rl-AS* = (R2-aS2)(R2 + aS2) = k,	F3)
где по-прежнему а = л/А.
Далее имеем
(Я, - aS,) {R2 + aS2) = R& - AS& + a (/?,S2 - S,/?2), F4)
так как а2 = Л, и совершенно так-же
,) {R2 - aS2) = R^2 - AS^ — a (/?,S2 - S,/?2). F5)
Ho Rn и Sn при делении на k дают одни и те же не за-
зависящие от п остатки. Следовательно, в силу соотноше-
соотношений F0)
Rn = cnk + p, Sn = dnk + q.	F6)
Поэтому с помощью легких преобразований и замен
мы получаем равенства:
RiR2 ~ AS& = Я, (c2k + р) - AS, (d2k + q) =
= Ri [(с* -ci)k + Clk + p]- ASi [(d2 - dx) k + dxk + q] =
- Я. [fe - c,) fe + /?,] - ASt №2 ~d,)k + S,] =
= k [R, (c2 - Cl) - AS, (d2 - d,)] + R\ - AS\ =
= k[Rx (c2 - cx) - AS, (d2 - d,) + 1] = kxu - F7)
40

где хх — целое число, так как R\ — AS\*=k. Совершенно
так же
= /?i [(d2 - dx) k + dyk + q]-Sl \{c2 - cx) k + cxk + p] =
= Я, [(d2 - d,) & + S,] - S, [(<?2 - cx),k>+ Rx] =
= &[/?1(d2-d1)-S1(c2-c1)] = %1, F8)
где г/i — опять целое число. Можно утверждать, что ух
не равно нулю. Действительно, если ух = 0, то
kyx - RXS2 - ^2S, = О,
откуда
Это последнее равенство невозможно, так как мы уста-
установили, что все дроби -<р- между собой различны. Ра-
Равенства F7) и F5) показывают, что
(/?, - aS,) (Д2 + aS2) = kxx + а&г/, = k (xx + аг/,) F9)
и
(Я, + aS,) (Я2 - aS2) = их, - а%, = fe (x, - аг/,). G0)
Перемножая теперь почленно равенства F2) и F3) и
воспользовавшись равенствами F9) и G0), мы полу-
получаем:
= (Rx - aSx) (Я2 + aS2) (Rx +. aSx) (R2 - aS2) =
- «=ft2(*I + a^)(*1'-a^1) = ft2(^^^). G1)
Сокращая на k2, окончательно получим:
x\-Ay\=\.	G2)
Но г/i не равно нулю, а значит, и хх не может быть ну-
нулем. В противном случае слева стояло бы отрицательное
число, а справа — единица. Итак, даже в предположе-
предположении, что k не равно единице, мы нашли два целых не
равных нулю числа хх и уи которые удовлетворяют урав-
уравнению E1). Этим полностью завершается теория урав-
уравнений типа E1), так как мы_знаем, что такие уравне-
уравнения при А целом, А > 0 и л/А иррациональном всегда
имеют' решение, а с помощью наименьшего решения,
41

существование которого тем самым доказано, мы умеем
и строить все его решения.
Практически наименьшее решение можно искать пу«
тем подбора х0 и у0.
Мы полностью рассмотрели, таким образом, случай
А > 0 и а = <\] А иррационально в уравнении
Если Л > О и а = -у/А— целое число, то это уравнение
может быть записано в форме
х2 — а2у2 = (х + ау) (х — ад) = 1,
и так как а — целое число, то если Хо и г/о— целые чис«
ла, ему удовлетворяющие, должны иметь место в отдель-
отдельности равенства
Хо + ауо—1, хо — ауо=1
или равенства
*о + сн/о = —1, хо — ауо — —\,
так как произведение двух целых чисел может быть
равно единице тогда и только тогда, когда каждое из
этих чисел в отдельности равно +1 или —1. Обе эти
системы двух уравнений с двумя неизвестными х0 и уо
имеют только системы тривиальных решений: хо=\,
г/о = 0; х0 = —1, t/o = O. Итак, уравнение E1) при А,
равном квадрату целого числа, имеет в целых числах
только тривиальные решения *0 = ±1, Уо=Ъ- Такие
же тривиальные решения имеет в целых числах уравне-
уравнение E1) при А целом и отрицательном (при Л = —1
имеются симметричные тривиальные решения х0 = 0,
Уо = ±1).
Рассмотрим теперь уравнение бтее общего вида,
Х2 - Ау2 = С,	G3)
где А > 0 — целое, С — целое число, а = л/А — иррацио-
иррациональное число. Мы уже видели, что при С = 1 это урав-
неаие всегда имеет бесчисленное множество решений в
целых' числах х и у: При произвольных С и Л такое
уравнение может вообще не иметь решений.
Пример. Покажем, что уравнение
д2 _ Зг/2 = - 1	G4)
вообще не разрешимо в целых числах х и у. Заметим,
прежде всего, что квадрат нечетного числа при делении
42

на 8 всегда дает в остатке 1. Действительно, так как
всякое нечетное 'число а может быть записано в форме
а = 2N -f- 1, где N — целое число, то
, G5)
где М — целое число в силу того, что или N, или N -{- I
должно быть четным числом. Далее, если [jco, г/о] — реше-
решение уравнения G4), то х0 и г/0 не могут быть числами
одинаковой четности. Если бы Хо и у0 были одновремен-
одновременно четными или нечетными, то х\ — Зг/^ было бы четным
числом и не могло быть равно 1. Если же Хо нечетно, а
у0 четно, то при делении на 4 хй0 давало бы в остатке
1, — Ъу\ делилось бы на 4 и х0 — Зг/g при делении на 4
давало бы в остатке 1. Это невозможно, так как при
делении на 4 правая часть тривиально дает в остатке
— 1 или 3 = 4— 1. Наконец, если х0 четно, а г/о нечетно,
то х2 делится на 4, — Зг/2 на основании G5) может быть
записано в форме
= -24М— 3 = 4(-6М— 1)+ 1
и, значит, при делении на 4 дает в остатке 1. Поэтому
•х20 — Зг/<* при делении на 4 должно опять давать в остат-
остатке 1, что, как мы уже видели, невозможно. Поэтому не
существует целых чисел х0 и г/о, которые могли бы удов-
удовлетворять уравнению G4).
Не останавливаясь на вопросе, лри каких условиях,
•наложенных на С и А, уравнение G3) будет иметь ре-
решение, — вопросе трудном и разрешимом с помощью
общей теории квадратических иррациональностей в алге-
алгебраической теории чисел, — мы остановимся на случае,
когда уравнение G3) имеет нетривиальные решения. По-
лрежнему нетривиальным решением мы будем называть
решение [х', у'], если х', у' ф 0. Итак, пусть уравнение
G3) имеет нетривиальное решение [х', у']; другими сло-
словами, пусть
хг2-Ау'2 = С.	G6)
Рассмотрим при том же А уравнение
x*-Af=\.	G7)
.Это уравнение имеет бесчисленное множество решений
в целых числах при Л > 0 и иррациональном a = VA
43

и любое такое его решение [х, у] будет:
Х=±Хп, У=±Уп,
где хп и уп определяются по формулам E0). Так как
[х, у] — решение уравнения G7), то
х2 — Ау2 = (х + ау) (х — ау) = 1.
Равенство G6) в свою очередь может быть переписано
в форме
Перемножая почленно эти два последних равенства, мы
получаем
{/ + ау') (х + ay) (xf - а/) (х - ау) = С. G8)
Но
{х1 -hay') (х + а^) = х'х + Ау'у + а {х?у + у'х)
и совершенно так же
(*' - a/) (i - ау) = х'х + Ау'у - а (х'у + у'х).
Воспользовавшись этими двумя равенствами, мы можем
переписать равенство G8) в форме
[х'х + Ау'у + а {х'у + у'х)] [х'х + Ау'у - а tfy + у'х)] = С
или в форме
(•*.+ Ay'yf -А(х/д-{- у'хJ = С.
Этим мы доказали, что если [х\ у1] — решение уравне-
уравнения G3), то этому уравнению будет удовлетворять и
пара чисел [х, у]:
х = х'х -f Ау'у, у = х'у-\-у%	G&)
где [х, у\ — любое решение уравнения G7). Таким обра-
образом, мы доказали, что если уравнение G3) имеет хотя
бы одно решение, то оно имеет их бесчисленное множе-
множество.
Нельзя, конечно, утверждать, что формулами G9)
даются все решения уравнения G3). В теории алгебраи-
алгебраических чисел доказывается, что все решения уравнения
G3) в целых числах можно получить,- взяв некоторое
конечное и определенное зависящее от Л и С число ре-
решений этого уравнения и размножив их с помощью фор-
формул G9). Уравнение G3) при А отрицательном или
равном квадрату целого числа может иметь не более
44

конечного числа решений. Это просто доказываемое
утверждение мы предоставляем доказать читателю. Ре-
Решение самых общих уравнений второй степени с..двумя
неизвестными в целых числах, уравнений вида
Axt + Bxy+Ct/t + Dx + Ey + F^O,	(80)
где числа A,B,C,D,E и F — целые, сводится с помощью
замен переменных к решению уравнений вида G3) с
положительным или отрицательным А. Поэтому харак-
характер поведения решений, если они существуют, такой же,
как и у уравнения типа G3). Подводя итог всему
изложенному, мы можем теперь сказать, что уравне-
уравнение второй степени с двумя неизвестными типа (80) мо-
может не иметь решений в целых числах, может иметь их
только в конечном числе и, наконец, может имет$ бес-
бесконечное множество таких решений, причем эти решения
берутся тогда из конечного чиЬла обобщенных геометри-
геометрических прогрессий, даваемых формулами G9). Сравни-
Сравнивая поведение и характер решений уравнений второй
степени с двумя неизвестными в целых числах с поведе-
поведением решений уравнений первой степени, мы можем-
установить одно весьма существенное обстоятельство.
Именно, если решения уравнения первой степени, когда
они существуют; образуют арифметические прогрессии,
то решения уравнения второй степени, когда их имеется
бесконечно много, берутся из конечного числа обобщен-
ных геометрических прогрессий. Другими словами, в
случае второй степени пары целых чисел, которые могут
быть решениями уравнения, встречаются значительно
реже, чем пары целых чисел, которые могут быть реше-
решениями уравнения первой степени. Это обстоятельство не
случайно. Оказывается, что уравнения с двумя неизве-
неизвестными степени выше второй, вообще говоря, могут иметь
только конечное число решений. Исключения из этого
правила крайне редки.
§ 6. УРАВНЕНИЯ С ДВУМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
СТЕПЕНИ ВЫШЕ ВТОРОЙ
Уравнения с двумя неизвестными степени выше вто-
второй почти всегда.за редкими исключениями,могут иметь
только конечное число решений в целых числах х и у.
Рассмотрим, прежде всего, уравнение
y2+ ... +апу* = с, (81)
45

где п — целое число, большее двух, и все числа по, а\,
а2	пп, с — целые числа.
Как доказал в начале нашего столетия А. Туэ, такое
уравнение имеет только конечное число решений в це-
целых числах х и у, за исключением, может быть, случаев,
когда левая однородная часть этого уравнения есть сте-
степень однородного двучлена первой степени или трехчле-
трехчлена второй степени. В этом последнем случае наше урав-
уравнение- будет иметь одну из двух форм:
{ах + Ьу)п = с0, (ах2 + Ьху + cff = с0,
и тем- самым сводится к уравнениям первой или второй
степени, так как для существования у него решений с0
должно быть л-й степенью целого числа. Мы не можем
здесь изложить метод А. Туэ ввиду его сложности и
ограничимся некоторыми пояснительными замечаниями,
дающими указания на характер доказательства конеч-
конечности числа решений уравнения (81) *).
Разделим обе части уравнения (81) на уп. Нате урав-
уравнение примет тогда вид
Для простоты изложения будем предполагать не только,
что все корни уравнения
a,zn + axzn~l + ... +an_,a + a» =0	(83)
различны и что аоап Ф 0, но и что корни этого уравне-
уравнения не могут быть корнями уравнений с целыми коэф-
коэффициентами низшей степени. Этот случай является основ-
основным в нашем вопросе.
В высшей алгебре доказывается, что всякое алге-
алгебраическое уравнение имеет хотя бы один корень, отку-
откуда уже весьма просто на основании того, что всякий
многочлен делится нацело на z— а, если а — его ко-
корень, следует представление многочлена, в виде произве-
произведения;
а&Р--f axzn-'-f ... -f an =
= Oq {z — сц), (г — а2) ... (г — а„)„ (84)
*) Литература по этому вопросу собрана, например, в обзорной
статье А. О. Гельфонда «Приближения алгебраических чисел алгеб-
алгебраическими же числами и теория трансцендентных чисел», УМН 4,
№ 4 A949), стр. 19.
46

где аи «2, •.., ап •— все п корней данного многочлена.
Пользуясь этим выражением многочлена в виде произ-
произведения, мы можем переписать уравнение (82) в виде
i-*)-?- <8б>
Допустим, что существует бесчисленное множество
решений [xh, yh] уравнения (85) в целых числах. Это зна-
значит, что существуют решения со сколь угодно большими
по абсолютной величине у^ Если бы существовало бес-
бесчисленное множество пар с ограниченными yk, меньши-
меньшими по абсолютной величине какого-то определенного"
числа, и сколь угодно большими х&, то для таких х^
левая часть была бы сколь угодно велика, а правая
оставалась бы ограниченной, что невозможно. Пусть Ун
будет очень велико. Тогда правая часть уравнения (85)
будет мала, а значит, должна быть мала и левая часть.
Но левая часть уравнения есть произведение п сомно-
жителей, содержащих—- и а0, которое, -будучи целым,
У к
будет не меньше 1. Значит, малость левой части может
обусловливаться только тем,, что ло абсолютной вели-
величине мала какая-то из разностей
a
9k ""
Ясне, что эта разность может быть мала только в том
случае, когда о™ действительно, — другими словами, не
имеет места равенство а™ = а + Ы, Ъ ф 0. В противном
случае модуль нашей разности не может "быть сколь
угодно мал, так как
Две разности, два множителя левой части уравнения
(85) не могут' быть одновременно малы по модулю, так
как	'	'
I * ...	Ч	> j.	Ч I
= | ат — as | ф 0 (86)
в силу того, что среди чисел От нет одинаковых. Если
одна разность меньше по модулю, или абсолютной
47

величине, чем ? I ат — as I» т0 другая в силу (86) должна
быть больше -j\am — as\. Это есть следствие того, что
абсолютная величина суммы не превосходит суммы, аб-
абсолютных величин. Так как все числа ат различны меж-
между собой, то наименьшая по абсолютной величине, или
модулю, разность |am —as| будет больше нуля (m#s).
Обозначая ее величину через 2d, мы будем иметь, что
если при каком-нибудь достаточно большом ун, что
должно случиться, так как уи неограниченно растет,
Ук
— а„
то
= \, 2, ..., п,
(87)
Тогда, так как абсолютная величина, или модуль,
произведения равна произведению абсолютных величин,
или модулей, сомножителей, мы будем иметь из уравне-
уравнения (85), что
""'К—
— am-l
\Ук\
(88)
Но если в этом равенстве каждую из разностей
s ф т, заменить меньшей величиной d, а
единицей, меньше которой целое число \а0
ао\ заменить
быть не мо-
может, то левая часть (88) станет меньше правой, и мы
получаем неравенство
\с\
<
\Ук\"
или неравенство
Ук
\yk\
м-\ >
(89)
где Ci не зависит от хп и уп- Чисел ат не более п, а пар
[Хк, Ук], для которых должно быть при каком-нибудь т
справедливо неравенство (89), бесчисленное множество.
Поэтому существует какое-то определенное т такое, что
48

для соответствующего ат неравенство (89) выполняется
бесконечное множество раз. Другими словами, если
уравнение (81) имеет бесконечное множество решений
в целых числах, то алгебраическое уравнение (83) ,с
целыми коэффициентами имеет такой корень а, для ко-
которого при сколь угодно больших q будет выполняться
неравенство
' i-jr,	(90)
где А — постоянное, не зависящее от р и q числ"о, р и
q — целые числа, а п — степень уравнения, которому а
удовлетворяет. Если бы а было произвольным действи-
действительным числом, то можно было бы его выбрать так, что
действительно существовало бы бесчисленное множест-
множество решений неравенства (90) в целых числах р и q.
Но в нашем случае а есть корень алгебраического урав-
уравнения с целыми коэффяциентами. Такие числа назы-
называются алгебраическими и обладают особыми свойства-
свойствами. Степенью алгебраического числа называется степень
того алгебраического уравнения с целыми коэффициен-
коэффициентами наименьшей степени, которому это число удовлет-
удовлетворяет.
А. Туэ доказал, что для алгебраического числа а
степени п неравенство
'-, я>3,	(91)
может иметь только конечное число решений в целых
числах р и q. Но если п ^ 3, то правая часть неравен-
неравенства (90) при достаточно большом q станет меньше
правой части неравенства (91), так как п > -5-+ 1. По-
Поэтому если неравенство (91) может иметь только конеч-
конечное число решений в целых числах р и q, то неравенство
(90) и подавно имеет только конечное число решений.
Значит, уравнение (81) может иметь только конечное
число решений в целых числах, когда все корни уравне-
уравнения (83) не могут быть корнями уравнения с целыми
коэффициентами степени, меньшей п. При п = 2, как
легко можно установить, неравенство (90) действитель-
действительно может иметь бесчисленное множество решений в це-
целых р и q при некотором А. Теорема А. Туэ была в даль-
дальнейшем значительно усилена. Следует только отметить,
49

что метод доказательства его теоремы принципиально не
дает возможности найти верхнюю границу для величины
решений, — другими словами, границу возможных вели-
величин |*| и \у\ по его коэффициентам а0, аи ..., ап и с.
Этот вопрос и сегодня остается открытым. Не давая воз-
возможности найти границу величины решений, метод
А. Туэ дает зато возможность найти границу для числа
решений уравнения (83), правда, достаточно грубую.
Для отдельных классов уравнений типа (83) эта грани-
граница может быть значительно уточнена. Например, совет-
советский математик Б. Н. Делоне*) показал, что уравнение
ах? + у3 = 1
при а целом может иметь, кроме тривиального х = О,
у= 1, не более одного решения в целых числах х и у.
Кроме того, он показал, что уравнение
может иметь не более пяти решений в целых х и у при
целых а, Ь, с и й.
Пусть Р (х, у) — произвольный многочлен с целыми
коэффициентами относительно х и у, — иначе говоря,
где Aks — целые числа. Мы будем говорить, что этот
многочлен неприводим, если его нельзя представить в
виде произведения двух других многочленов с целыми
коэффициентами, каждый из которых не есть просто
число.
Особым и весьма сложным методом К. Зигель дока-
доказал, что уравнение
Р(х,у) = 0,
где Р (х, у) — неприводимый многочлен выше чем вто-
второй степени относительно х и у (т. е., если в него входит
член вида Ahsxhys, где k + s > 2), может иметь беско-
бесконечное множество решений в целых х и у только тогда,
когда существуют числа
а„, ап_ь ..,, по, а-и ..., а-п
*) Литературу по этому вопросу см. в статье А. О. Гельфонда
«Теория чисел» в сборнике «Математика в СССР за тридцать лет»,
Гостехиздат, М., 1948.
50

в
bn, bn-u ..., bo, fe-i	b-n
такие, что при подстановке вместо х и у в наше урав-
уравнение
b.,
мы получим тождество
Р(х,у)^0
относительно t Здесь п — некоторое целое число.
§ 7. АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЫШЕ
ВТОРОЙ С ТРЙМЯ НЕИЗВЕСТНЫМИ
И НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Если для уравнений с двумя неизвестными мы мо-
можем дать ответ на вопрос о существовании конечного
или бесконечного числа решений в целых числах, то для
уравнений с более чем двумя неизвестными степени вы-
выше второй дать ответ на этот вопрос мы можем только
для весьма частных классов уравнений. Тем не менее в
этом последнем случае поддается разрешению и более
трудный вопрос об определении всех решений уравнения
в целых числах. В качестве примера остановимся на
так называемой великой теореме Ферма.
Замечательный французский математик Пьер Ферма
высказал утверждение, что уравнение
^+«/" = 2*	(92)
при целом п^З не имеет решений в целых положи*
тельных числах х, у, z (случай xyz = 0 исключается по*
ложительностью х, у, z). Несмотря на то, что П. Ферма
утверждал, что он имеет доказательство (по-видимому,
методом спуска, о котором речь будет ниже) этого
утверждения, его доказательство впоследствии не было
найдено. Более того, когда математик Куммер попы*
тался его найти и даже думал одно время, что бн его
нашел, он обнаружил, что одно положение, верное в об*
ласти обычных целых чисел, оказывается неверным для
51

более сложных числовых образований, с которыми, есте-
естественно, приходится сталкиваться при исследовании
проблемы Ферма. Это обстоятельство заключается в том,
что так называемые целые алгебраические числа, —
другими словами, корни алгебраических уравнений с
целыми рациональными коэффициентами и с коэффици-
коэффициентом при старшей степени, равным 1, — могут не един-
единственным способом быть разложены на простые нераз-
неразложимые целые сомножители той же алгебраической
природы. Обычные же целые числа разлагаются на про-
простые множители единственным образом. Например, 6=
= 2-3 и не допускает никаких других разложений вну»
три совокупности обычных целых чисел. Рассмотрим
совокупность всех целых алгебраических чисел вида
tn-\- n^J— 5, где т и п — обычные целые числа. Легко
видеть, что сумма и произведение двух таких чисел
опять будут числами той же совокупности. Совокупность
чисел, обладающая тем свойством, что она содержит
любые суммы и произведения чисел, в нее входящих,
называется кольцом. По определению, в нашем кольце
содержатся числа 2, 3, 1 + V — 5, 1 — V — 5. Каждое
из указанных чисел в этом кольце, как легко можно
установить, будет простым, т. е. не будет представляться
в виде произведения двух не равных единице целых чи-
чисел нашего кольца. Но
другими словами, число 6 не единственным образом
разлагается на простые сомножители в нашем кольце.
То же обстоятельство, неединственность разложения да
простые сомножители, может иметь место и в других,
более сложных, кольцах алгебраических целых чисел.
Обнаружив это обстоятельство, Куммер убедился, что
его доказательство общей великой теоремы Ферма не-
неверно. Для преодоления трудностей, связанных с не-
неединственностью разложения на множители, Куммером
была построена теория идеалов, которая играет в на-
настоящее время исключительно большую роль в алгебре
и теории чисел. Но даже с помощью этой новой теории
полностью доказать великую теорему Ферма Куммер не
смог и доказал ее только для п, делящихся хотя бы на
одно из так называемых регулярных простых чисел. Не
останавливаясь на расшифровке понятия регулярного
52

простого числа, мы можем указать только, что до на-
настоящего времени не известно, существует ли только
конечное количество таких простых чисел или их бес-
бесконечное множество.
В настоящее' время великая теорема Ферма доказана
для многих п, в частности, для любого п, делящегося на,
простое число, меньшее 100. Великая теорема Ферма
сыграла большую роль в развитии математики благода-
благодаря связанному с попытками ее доказательства открытию
теорий идеалов. Но при этом следует отметить, что сов-
совсем другим путем и по другому поводу эта теория была
построена замечательным русским математиком Е. И. Зо-
Золотаревым, умершим в расцвете своей научной деятель-
деятельности. В . настоящее время доказательство великой тео-
теоремы Ферма, особенно доказательство, построенное на
соображениях теории делимости чисел, может иметь
только спортивный интерес/ Конечно, если это доказа-
доказательство будет получено новым и плодотворным мето-
методом, то значение его, связанное со значением самого
метода, может быть и очень большим. Следует отметить,
что попытки, делающиеся любителями математики и в
наше время, доказать теорему Ферма совсем элементар-
элементарными средствами обречены на неудачу. Элементарные
соображения, опирающиеся на теорию делимости чисел,
были использованы еще Куммером и дальнейшая их
разработка самыми выдающимися математиками пока
ничего существенного не дала.
Мы приведем здесь доказательство теоремы Ферма
для случая п — 4, так как метод спуска, на котором это
доказательство построено, очень интересен.
Теорема IV. Уравнение Ферма
х* + у* = г*	(93)
не имеет решений в целых числах х, у и г,- xyz Ф 0.
Доказательство. Мы докажем даже более силь-
сильную теорему, именно, что уравнение
не имеет решений в целых числах х, у, z, xyz Ф 0. Из
этой теоремы уже следует непосредственно отсутствие
решений у уравнения (93). Если уравнение (94) имеет
решение в целых отличных от нуля числах х, у, г, то
можно предполагать, что эти числа попарно взаимно
63

просты. Действительно, если есть решение, в котором
числа х та у имеют общий наибольший делитель d > 1,
то
х = dxh у = dyu
где (х\, ух) =*г \. Разделив обе части уравнения (94) на
di, мы будем иметь, что
" = z\.	(95)т
Но х\ иг/i — целые числа, значит, zi = "Jr — тоже це-
целое число. Если бы у zx и г/i был общий делитель k>\,
то х\ в силу (95) должно было бы делиться на k, а зна-
значит, Х\ и k не могли бы быть взаимно просты. Итак, мы
доказали, что если существует решение уравнения (94)
в целых отличных от нуля числах, то существует Также
решение в целых отличных от+нуля и взаимно простых
числах. Поэтому нам достаточно доказать, что уравне-
уравнение (94) не имеет решений в целых отличных от нуля
и попарно взаимно простых числах. В дальнейшем ходе
доказательства мы, говоря, что уравнение (94) имеет
решение, будем предполагать, что оно имеет решение
в целых положительных и попарно взаимно простых чи«
ел ах,
В § 3 мы доказали, что все решения уравнения A2)
х2 + у2 = z2	(96)
в целых положительных попарно взаимно простых чис-
числах определяются по формуле A8) и имеют вид '
и2 - v2
x = uv, у = —5—.
где и в v — два любых нечетных взаимно простых по-
положительных числа.
Придадим несколько другой вид формулам (97),
определяющим все решения уравнения (96). Так как и
и v — нечетные числа, то, положив
H^L^b,	(98)
мы определим числа и и v равенствами
u = a + b, v=a — b,	(99)
где а н Ь — целые числа разной четности. Равенства (98)§
54

и (99) показывают, что любой паре нечетных взаимно
простых чисел и и V соответствует пара взаимно про-
простых чисел а и b разной четности и что любой паре
взаимно простых чисел а и b разной четности соответ-
соответствует пара взаимно простых нечетных чисел и и v. По-
Поэтому, сделав в формулах (97) замену и и v на а и Ь,
мы получим, что все тройки целых положительных и
Попарно взаимно простых чисел х, у, z (х— нечетное),
являющиеся решениями уравнения (96), определяются
по формулам
Х^аг-Ь2, y = 2ab, z = a2 + b\	A00)
где а и b — два любых взаимно простых числа разной
четности при условии, что х > 0. Эти формулы показы-
показывают, что х и у — разной четности. Если уравнение (94)
имеет решение [ха, уа, z0], то это значит, что
Гг22 _1_ Г,,212 _- ~2
L*oJ т^ L"oJ zc
т. е. что тройка чисел {х\, у2, гЛ является решением
уравнения (96). Но тогда должны существовать два чи-
числа а и Ь, а >¦ Ь, взаимно простых и разной четности,
таких, что
X2 = a2-b2, yl = 2ab, zo = a2 + b2. A01)
Мы допускаем при этом для определенности, что Хо не-
нечетно,, а г/о четно. Противоположное допущение ничего
не изменило бы, так как было бы достаточно Хо заме-
заменить на г/о и наоборот. Но мы уже знаем (см. равенство
G5)), что квадрат нечетного числа при делении на 4
дает в остатке 1. Поэтому из равенства
х20 = а2 -Ь2	A02)
следует, что д нечетно, a b четно. В противном случае
левая часть этого равенства при делении на 4 давала
бы в остатке 1, а правая, так как мы предположили а
четным, a b нечетным, —1. Так как а нечетно и (а, Ь)=.
¦«= 1, то и (а, 2Ь)= 1. Но тогда из равенства
следует, что
a = t2, 2b = s2,	A03)
55

где t и s — какие-то целые числа. Но из соотношения
A02) следует, что [х0, Ь, а] есть решение уравнения (96).
Значит,
хй = т2 — п2, b = 2тп, а*=т2 + >
где m и п — некоторые взаимно простые числа разной
четности. Из A03) имеем
откуда в силу взаимной простоты тип следует, что
т = р2, n = q2,	A04)
где р и q — отличные от нуля целые числа. Так как а =
= t2 и а = т2 + я2, то
qi + pi = t2.	A05)
Но	-	.
Поэтому
0< / = V« < V^O < 20 B0>1).	A06)
Положив q = х\, р = у\ и t = zu мы видим, что если
существует решение [xQ, y0, z0], то должно существовать
и другое решение [хи у\, Z\\, причем 0 < Zy < z0. Этот
процесс получения решений уравнения (94) можно про-
продолжить неограниченно, и мы получим последователь-
последовательность решений
%0> Уо> Zq\, [Xi, У\, Z\\t . . ., \Хп, уп, Zn\, . . .,
причем целые положительные числа z0, zu z2, ..., zn, ...
будут монотонно убывать; другими словами, для них
будут верны неравенства
2q J^~ 2j ^> %2 ^^ • • • ^* <?ji ^" • • •
Но целые положительные числа не могут образовывать
бесконечную монотонно убывающую последовательность,
так как в такой последовательности не может быть
больше 20 членов. Мы пришли, таким образом, к про-
противоречию, предположив, что уравнение (94) имеет хотя
бы одно решение в целых х, у, z, xyz ф 0. Этим дока-
доказано, что уравнение (94) не имеет решений. Следова-
Следовательно, и уравнение (93) не имеет решений в целых
56

положительных числах [х, у, z], так как в противном
случае, если [х> у, z]— решение (93), то [х, у, z2] — ре-
решение (94).
Метод доказательства, которым мы пользовались, за-
заключавшийся в построении с помощью одного решения
бесчисленной последовательности решений с неограни-
неограниченно убывающими положительными г, называется ме-
методом спуска. Как мы уже говорили выше, осуществить
этот метод в общем случае теоремы Ферма мешает
пока неединственность разложения целых чисел алгеб-
алгебраических, колец на простые сомножители из того же
кольца *).
Заметим, что мы доказали отсутствие целых решений
не только у уравнения (94), но и у уравнения
Любопытно отметить, что уравнение
имеет бесчисленное множество решений в целых поло-
положительных числах, например х = 2, у = 3, z = 5. Най-
Найти вид всех решений этого уравнения в целых положи-
положительных х, у, z мы предоставляем читателю.
Приведем еще один пример на метод спуска, несколь-
несколько изменив ход рассуждений.
Пример. Докажем, что уравнение
xi-\-2yi = z2	A07)
не имеет решений в целых отличных от нуля числах х,
у, z. Допустим, что уравнение A07) имеет решение в це-
целых положительных числах [xq, у0, z0]. Эти числа мы
сразу можем предполагать взаимно простыми, так как
если бы они имели общий наибольший делитель d> 1,
то числа 4т-1 Щ-, -4f- также были бы решением урав-
уравнения A07). Наличие же общего делителя у двух из
них влекло бы за собой существование общего делителя
у всех трех. Кроме того, предположим, что zQ— наимень-
наименьшее из всех возможных z в решениях A07) в целых
положительных числах. Так как [х0, г/0, %о] — решение
*) За дальнейшими сведениями относительно великой теоремы
Ферма мы отсылаем к книге: А. Я. X и н ч и н, Великая теорема
Ферма, ГТТИ, М., 1934.
57

уравнения A07), то \х\, у% z0] будут решением урав-
уравнения
x? + 2y2 = z2. .	A08)
Пользуясь формулами A9') § 3, дающими все целые
положительные решения A08), мы видим, что сущест-
существуют такие целые положительные а и Ь, (а, Ь) = 1,
а нечетно, которые удовлетворяют равенствам
y2 = 2ab, zQ = a2 + 2b*. A09)
Из равенства у2 = 2аЪ следует, что Ь само должно
быть четно, так как у0 четно, у\ делится на 4, а а не-
нечетно. Так как у и а взаимно просты, то из равенства
непосредственно следует, что
9	Ь
a 2
где т и п — целые положительные числа и (т, 2п) = 1.
Но из A09) следует
х\ = ± (а2 - 2Ь*) = ± [а2 - 8 (|J],	A10)
где Хо и а нечетны. Мы уже видели, что квадрат нечет-
нечетного числа при делении на 4 дает в остатке 1. Поэтому
левая часть (ПО) при делении на 4 дает в остатке 1, а
а2 — 8 Г-о") при делении на 4 тоже дает в остатке 1.
Значит, в равенстве (ПО) скобка в правой части может
входить только с плюсом. Теперь равенство (ПО) мож«
но записать уже в форме
х\ = m4 — 8ft4
или в форме
B2 = (m2J,	A11)
где х0, п и т — целые положительные и взаимно про-
простые числа. Значит, числа Хо, 2п2, т2 образуют решение
уравнения A08), причем х0, 2п2 и т2 взаимно просты.
Поэтому опять в силу формул A9') § 3 найдутся такие
58

целые числа /? и q, p нечетно, (р, q) = l, что
2n2*=2pq, п#*~р2 + 2ф, ло = ±(р2-2^. A12)
Но так как (р, q) = 1 и п2 = pq, то
рш*!!2, q*=r2,
где s н г—целые взаимно простые числа. Отсюда окон-
окончательно следует соотношение
r4 = m2,	A13)
которое показывает, что числа s, г, m образуют решение
уравнения A07). Но из полученных выше равенств
z0 = а2 + 262, а = т2,
следует, что z0 > m. Итак, имея решение [х0, уо, z0], мы
нашли другое решение [s, г, т.], причем 0 < т <, г0. Это
же противоречит предположению, которое мы сделали,
что решение [х0, у0, г0] имеет z0 наименьшим из возмож-
возможных. Таким образом, мы пришли к противоречию, допу*
стив существование решения у уравнения A07), и дока-
доказали, что это уравнение неразрешимо в целых отличных
от нуля числах.
Мы предоставляем теперь читателям доказать, что
уравнения
*4 + 4«/4 = z2, xi-yi =z2,
неразрешимы в целых положительных числах.
В заключение сделаем несколько замечаний о пока-
показательных уравнениях. Уравнение
ax + bv = cz,	A14)
где а, Ъ и с — целые не равные степени двойки и нулю,
может иметь не более чем конечное число решений
в целых числах х, у, г. Это же утверждение с небольшим
дополнительным условием остается в силе, когда а, Ь и
с будут произвольными алгебраическими числами. Бо-
Более того, уравнение
••• Yp" = 0, A15)
где А, В, С, ABC Ф 0, — целые, аь .... а„, ft, ..., р„,
Yu •••, Vn — Целые и числа а, & y.
а = щ...ап, P = Pi...pm, Y = Yi-.-Yp>
69

взаимно просты, может иметь только конечное число ре-
решений в целых числах хи .... хп, уи ..., ут) zu ..., zv.
Это утверждение также обобщается на случай А, В, С
и at, Pfe, уа алгебраических*). Уравнения типа A15) и
их обобщения представляют большой интерес, так как
в теории алгебраических чисел доказывается, что каж-
каждому алгебраическому уравнению типа (81) соответст-
соответствует некоторое показательное уравнение типа A15),
причем каждому решению уравнения (81) соответствует
решение уравнения A15) в целых числах. Такое соот-
соответствие распространяется и на уравнения более общего
типа, чем (81) и A15).
*) См. обзорную статью А. О. Гельфонда, цитировавшуюся иа
стр. 50.

ПОПУЛЯРНЫЕ ЛЕКЦИИ ПО МАТЕМАТИКЕ
Вып. 1. А. И. Маркушевич. Возвратные последовательности.
Вып. 2. И. П. Натансон. Простейшие задачи на максимум н
минимум.
Вып. 3. И. С. С о м и н с к и й. Метод математической индукции.
Вып. 4. А. И. М а р к у ш е в и ч. Замечательные кривые.
Вып. 5. П. П. Коро'вкин. Неравенства.
Вып. 6. Н. Н. Воробьев. Числа Фибоначчи.
Вып. 7. А. Г, К у р о ш. Алгебраические уравнения произвольных
степеней.
Вып. 8. А. О. Г е л ь ф о н д. Решение уравнений в целых числах.
Вып. 9. А. И. М а р к у ш е в и ч. Площади и логарифмы.
Вып. 10. А. С. С м о г о р ж е в с к и й. Метод координат.
Вып. 11. Я- С. Дубнов. Ошибки в геометрических доказательствах.
Вып. 12. И. П. Натансон. Суммирование бесконечно малых ве-
величин.
Вып. 13. А. И. Маркушевич. Комплексные числа и конформные
отображения.
Вып. 14. А. И. Фетисов. О доказательствах в геометрии.
Вып. 15. И. Р. Ш а ф а р е в и ч. О решении уравнений высших сте-
степеней.
Вып. 16. В. Г. Шерватов. Гиперболические функции.
Вып. 17. В. Г. Болтянский. Что такое дифференцирование?
Вып. 18. Г. М. М и р а к ь я н. Прямой круговой цилиндр.
Вып. 19. Л. А. Л ю с т е р н и к. Кратчайшие линии.
Вып. 20. А. М. Л о п ш и ц. Вычисление площадей ориентированных
фигур.
Вып. 21. Л. И. Головина и И. М. Яглом. Индукция в гео-
геометрии.
Вып. 22. В. Г. Болтянский. Равновеликие и равносоставленные
фигуры.
Вып. 23. А. С. С м о г о р ж е в с к и и: О геометрии Лобачевского.
Вып. 24. Б. И. Аргунов и Л. А. Скорняков. Конфигурацион-
Конфигурационные теоремы.
Вып. 25. А. С. См огор жев ски й. Линейка в геометрических по-
построениях.
61

Вып. 26. Б. А. Т р а х т е н б р о т. Алгоритмы и машинное решение
задач.
Вып. 27. В. А. Успенский. Некоторые приложения механики к
математике.
Вып. 28. Н. А. Архангельский и Б. И. Зайцев. Автоматиче-
Автоматические цифровые машины.
Вып. 29. А. Н. Костовский. Геометрические построения одним
циркулем.
Вып. 30. Г. Е. Шилов. Как строить графики.
Вып. 31. А. Г. Дорфман. Оптика конических сечений.
Вып. 32. Е. С. Вентцель. Элементы теории игр.
Вып. 33. А. С. Барсов. Что такое линейное программирование.
Вып. 34. Б. Е. М а р г у л и с. Системы линейных уравнений.
Вып. 35. Н. Я. В и л е и к и н. Метод последовательных приближений.
Вып. 36. В. Г. Болтянский. Огибающая.
Вып. 37. Г. Е. Шилов. Простая гамма (устройство музыкальной
шкалы).
Вып. 38. Ю. А. Ш р е и д е р. Что такое расстояние?
Вып. 39. Н. Н. Воробьев. Признаки делимости.
Вып. 40. С. В. Фомин. Системы счисления.
Вып. 41. Б. Ю. Коган. Приложение механики к геометрии.
Вып. 42. Ю. И. Л ю б и ч и Л. А. Шор. Кинематический метод в
геометрических задачах.
Вып. 43. В. А. Успенский. Треугольники Паскаля.
Вып. 44. И. Я. Б а к е л ь м а н. Инверсия.
Вып. 45. И. М. Я г л о м. Необыкновенная алгебра.
Вып. 46. И. М. С о б о л ь. Метод Монте-Карло.
Вып. 47. Л. А. К а л у ж н и н. Основная теорема арифметики.
Вып. 48. А. С. Солодовников. Системы линейных неравенств.
Вып. 49. Г. Е. Шилов. Математический аналдз в области рацио-
рациональных функций.
Вып. 50. В. Г. Болтянский, И. Ц. Гохберг. Разбиение фигур
на меньшие части.
Вып. 51. Н. М. Бе скин. Изображения пространственных фигур.
Вып. 52. Н. М. Вески н. Деление отрезка в данном отношении.
Вып. 53. Б. А. Розенфельд и Н. Д. Сергеева. Стереографи-
Стереографическая проекция.

Александр Осипович Гельфонд
РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ В ЦЕЛЫХ ЧИСЛАХ
(Серия: «Популярные лекции по математике»)
М., 1978 г., 63 стр. с илл.
Редактор В. В. Донченко
Техн. редактор Е. В. Морозова
Корректоры Е. А. Белицкая, М. Л. Медведская
Сдано в набор 15.07.1977 г. Подписано к печати
24.11.1977г. Бумага 84XI08Vs2 тип. № 3. Физ. печ.
л. 2. Услови. печ. л. 3,36. Уч.-изд. л. 2,81.
Тираж 125 000 экз. Цена 10 к. Заказ № 680.
Издательство «Наука*
Главная редакция
физико-математической литературы
117071, Москва, В-71, Ленинский^проспект, 15
Ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградская типография № 2
имени Евгении Соколовой Союзполиграфпрома
при Государственном комитете
Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли.
198052. Ленинград, Л-52,
Измайловский проспект, 29

издательство «наука»
главная редакция
физико-математической литературы
117071, Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.
ГОТОВИТСЯ К ПЕЧАТИ В. 1978 ГОДУ:
Понтрягин Л. С, Знакомство с высшей матема-
математикой. Анализ бесконечно малых.
Книга является второй нз четырех небольших науч-
научно-популярных книг, издаваемых под общим заглавием
«Знакомство с высшей математикой», и посвящена изло-
изложению некоторых вопросов математического анализа.
Она задумана как книга, доступная молодым читателям,
увлекающимся математикой. Ее характерной чертой
является одновременное изложение теории функций дей-
действительного и комплексного переменного.
Первая книга «Метод координат» вышла в 1977 г.
3-я и 4-я книги будут выпущены в 1979—1980 гг.
Предварительные заказы на данное издание прини-
принимаются без ограничения всеми магазинами Книготорга,
Центркоопкниги и Академкниги.

г
Цена 10 кон.