人教版初中数学《第21章不定方程》竞赛专题复习含答案
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第21章 不定方程§21.1 二元一次不定方程21.1.1★求不定方程2x y -=的正整数解.解析 因为312-=,422-=,532-=,…,所以这个方程的正整数解有无数组,它们是2,,x n y n =+⎧⎨=⎩其中n 可以取一切正整数.21.1.2★求11157x y +=的整数解.解析1 将方程变形得71511y x -=. 因为x 是整数,所以715y -应是11的倍数.由观察得02x =,01y =-是这个方程的一组整数解, 所以方程的解为215,111,x t y t =-⎧⎨=-+⎩t 为整数. 解析2 先考察11151x y +=,通过观察易得()()1141531⨯-+⨯=,所以()()114715377⨯-⨯+⨯⨯=,可取028x =-,021y =.从而 2815,2111,x t y t =--⎧⎨=+⎩t 为整数. 评注 如果a 、b 是互质的整数,c 是整数,且方程ax by c += ①有一组整数解0x 、0y .则此方程的一切整数解可以表示为00,,x x bt y y at =-⎧⎨=+⎩其中0t =,±1,±2,±3,….21.1.3★求方程62290x y +=的非负整数解.解析 因为(6,22)=2,所以方程两边同除以2得31145x y +=. ①由观察知,14x =,11y =-是方程3111x y += ②的一组整数解,从而方程①的一组整数解为()00454180,45145,x y =⨯=⎧⎪⎨=⨯-=-⎪⎩ 所以方程①的一切整数解为18011,45 3.x t y t =-⎧⎨=-+⎩因为要求的原方程的非负整数解,所以必有180110,4530.t t -⎧⎨-+⎩≥③≥④由于t 是整数,由③、④得15≤t ≤16,所以只有t =15,t =16两种可能.当t =15时,x =15,0y =;当t =16时,x =4,y = 3.所以原方程的非负整数解是15,0,x y =⎧⎨=⎩4,3.x y =⎧⎨=⎩21.1.4★求方程719213x y +=的所有正整数解.解析 这个方程的系数较大,用观察法去求其特殊解比较困难,碰到这种情况我们可用逐步缩小系数 的方法使系数变小,最后再用观察法求解.用方程719213x y +=①的最小系数7除方程①的各项,并移项得213193530277y y x y --==-+.② 因为x 、y 是整数,故357y u -=也是整数,于是有573y u +=.再用5除此式的两边得 373255u u y u --==-+.③ 令325u v -= (整数),由此得 253u v +=.④由观察知1u =-,1v =是方程④的一组解.将1u =-代入③得2y =.2y =代入②得x =25.于 是方程①有一组解025x =,02y =,所以它的一切解为2519,27.x t y t =-⎧⎨=+⎩0,1,2,t =±± 由于要求方程的正整数解,所以25190,270.t t ->⎧⎨+>⎩解不等式,得t 只能取0,1.因此得原方程的正整数解为25,2,x y =⎧⎨=⎩6,9.x y =⎧⎨=⎩21.1.5★求方程3710725x y +=的整数解.解析 因为10723733=⨯+,371334=⨯+,33841=⨯+.为用37和107表示1,我们把上述辗转相除过程回代,得1=33-8×4=37-4-8×4=37-9×4=37-9×(37-33)=9×33-8×37=9×(107-2×37)-8×37=9×107-26×37=37×(-26)+107×9,由此可知126x =-,19y =是方程371071x y +=的一组整数解.于是()02526650x =⨯-=-,0259225y =⨯=是方程3710725x y +=的一组整数解.所以原方程的一切整数解为650107,22537,x t y t =--⎧⎨=+⎩t 是整数. 21.1.6★求方程92451000x y z +-=的整数解.解析 设9243x y t +=,即38x y t +=,于是351000t z -=.原方程可化为38,351000.x y t t z +=⎧⎨-=⎩①② 用前面的方法可以求得①的解为38,3,x t u y t u =-⎧⎨=-+⎩u 是整数. ②的解为20005,10003,t v z v =+⎧⎨=+⎩v 是整数. 消去t ,得6000815,200035,10003,x u v y u v z v =-+⎧⎪=-+-⎨⎪=+⎩,u v 是整数.21.1.7★求方程23723x y z ++=的整数解.解析 设23x y t +=,则23,723.x y t t z +=⎧⎨+=⎩①②对于①,0x t =-,0y t =是一组特解,从而①的整数解为3,2,x t u y t u =--⎧⎨=+⎩u 是整数. 又02t =,03z =是方程②的一组特解,于是②的整数解为3,27,z v t v =-⎧⎨=+⎩v 是整数. 所以,原方程的整数解为273,272,3.x v u y v u z v =---⎧⎪=++⎨⎪=-⎩u 、v 是整数.21.1.8★求方程组57952,35736x y z x y z ++=⎧⎨++=⎩的正整数解. 解析 消去z ,得 210z y +=. ①.易知04x =,02y =是它的一组特解,从而①的整数解为4,22,x t y t =-⎧⎨=+⎩t 是整数. 代入原方程组,得所有整数解为4,22,2.x t y t z t =-⎧⎪=+⎨⎪=-⎩t 是整数.由0x >,0y >,0z >得12t -<<,所以t =0,1,故原方程组的正整数解为4,2,2;x y z =⎧⎪=⎨⎪=⎩3,4,1.x y z =⎧⎪=⎨⎪=⎩21.1.9★求方程351306x y +=的正整数解的组数.解析 因为130651435233y y x y -+==-+,所以0x =437,01y =-是一组特解.于是方程的整数 解为4375,13.x t y t =-⎧⎨=-+⎩t 是整数. 由43750,130.t t ->⎧⎨-+>⎩ 得143735t <<. 所以t =1,2,…,87.故原不定方程有87组正整数解.21.1.10★★某国硬币有5分和7分两种,问用这两种硬币支付142分货款,有多少种不同的方法? 解析 设需x 枚7分,y 枚5分恰好支付142分,于是75142x y +=.①所以1427222855x x y x --==--. 由于7x ≤142,所以x ≤20,并且由上式知()5|21x -.因为(5,2)=1,所以5|1x -,从而x =1,6,11,16.①的非负整数解为1,6,11,16,27;20;13; 6.x x x x y y y y ====⎧⎧⎧⎧⎨⎨⎨⎨====⎩⎩⎩⎩所以,共有4种不同的支付方式.评注 当方程的系数较小时,而且是求非负整数解或者是实际问题时,这时候的解的组数往往较少,可以用整除的性质加上枚举,也能较容易地解出方程.21.1.11★★今有公鸡每只五个钱,母鸡每只三个钱,小鸡每个钱三只,用100个钱买100只鸡,问公 鸡、母鸡、小鸡各买了多少只?解析 设公鸡、母鸡、小鸡各买x 、y 、z 只,由题意列方程组153100,3100.x y z x y z ⎧++=⎪⎨⎪++=⎩①② ①化简得159300x y z ++=.③③-②得148200,x y +=即74100.x y +=解741x y +=得1,2.x y =-⎧⎨=⎩于是74100x y +=的一个特解为00100,200.x y =-⎧⎨=⎩所以74100x y +=的所有整 数解为1004,2007,x t y t =-+⎧⎨=-⎩t 是整数. 由题意知,0x <,y ,100z <,所以,01004100,02007100.t t <-+<⎧⎨<-<⎩解得2550,241428.77t t <<⎧⎪⎨<<⎪⎩ 故425287t <<. 由于t 是整数,故t 只能取26,27,28,而且x 、y 、z 还应满足100x y z ++=.所以 t x y z26 418 78 27 8 11 8128 12 484即可能有三种情况:4只公鸡,18只母鸡,78只小鸡;或8只公鸡,11只母鸡,81只小鸡;或12只公鸡,4只母鸡,84只小鸡.21.1.12★★小明玩套圈游戏,套中小鸡一次得9分,套中小猴一次得5分,套中小狗一次得2分.小明共套10次,每次都套中了,每个小玩具都至少被套中一次.小明套lO 次共得61分,问:小鸡至少被套中几次?解析 设套中小鸡x 次,套中小猴y 次,套中小狗z 次,则根据题意得95261,10.x y z x y z ++=⎧⎨++=⎩①② 我们要求这个方程组的正整数解.消去z :从①中减去②×2得7341x y +=,于是4173x y -=.③ 由③可以看出417x <.从而x 的值只能是1,2,3,4,5.将③写成 21323x y x -=-+, 由于y 是整数,所以2x -必须是3的倍数.从而只有2、5两个值满足这一要求.但2x =时,9y =,1z =-不是正整数.在5x =时,2y =,3z =是本题的解. 因此小鸡被套中5次.评注 本题问“小鸡至少被套中几次?”实际上却只有一个解,“至少”两字可以省去.21.1.13★★今有浓度为5%、8%、9%的甲、乙、丙三种盐水分别为60克、60克、47克,现要配制成浓度为7%的盐水100克,问甲种盐水最多可用多少克?最少可用多少克?解析 设甲、乙、丙盐水分别各取x 克、y 克、z 克,配成浓度为7%的盐水100克,依题意有 100,589700.x y z x y z ++=⎧⎨++=⎩其中060x ≤≤,0≤y ≤60,0≤z ≤47.解方程组可得2004,3100.y x z x =-⎧⎨=-⎩由0200460,0310047.x x -⎧⎨-⎩≤≤≤≤ 得3549x ≤≤.又35x =,60y =,5z =和49x =,4y =,47z =均满足题设,故甲种盐水最少可用35克,最 多可用49克.§21.2 勾股数21.2.1★★★满足方程222x y z +=的一切基本勾股数x 、y 、z (y 为偶数),都可表示为以下形式:22x p q =-,2y pq =,22z p q =+,①其中p 、q 为正整数,(p ,q )=1,p q >,p 、q 一奇一偶.解析 设正整数p 、q 满足(p ,q )=1,p q >,p 、q 一奇一偶,则()()2222222x y p q pq +=-+ 42242224p p q q p q =-++()2222p q z =+=. 所以一切形如①的正整数x 、y 、z 都是方程222x y z +=的解.下面证明这样的x 、y 、z 是基本勾股 数.设(),,x y z d =,由于p 、q 一奇一偶,所以22p q -是奇数,由22|d x p q =-,于是d 是奇数.又由22|d p q +,得()()2222|d p q p q ++-,即2|2d p ,同理2|2d q .因为d 是奇数,所以2|d p ,2|d q ,于是()22|,d p q .由(),1p q =得()22,1p q =,所以1d =.这就证明了由①确定的x 、y 、z 是一组基本 勾股数.反过来,设x 、y 、z 是一组基本勾股数,且y 是偶数,x 和z 都是奇数,则2z x -和2z x +都是整数. 设,22z x z x d -+⎛⎫= ⎪⎝⎭,则存在正整数a 和b ,使 2z x da -=,2z x db +=,(),1a b =, 于是()z d b a =+,()x d b a =-.由于(),1z x =,所以1d =,即,122z x z x -+⎛⎫= ⎪⎝⎭. 由222x y z +=得2222y z x z x +-⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭. 这就可推出上式中右面两个因式都是平方数.设22z x p +=,22z x q -=, 这里0p q >>.(,)1p q =,于是可得2222,2,x p q y pq z p q =-==+.由于z 是奇数,所以p 、q 一奇一偶.这就证明了方程222x y z +=的任意一组解x 、y 、z (y 为偶数) 都可由①表示.评注 如果正整数x 、y 、z 满足方程222x y z +=,那么就称x 、y 、z 是一组勾股数.边长为正整数的直角三角形就称为勾股三角形.在勾股数x 、y 、z 中,如果这三个数的最大公约数是1,那么这样的勾股数就称为基本勾股数.如果 (x ,y ,z )=1d >,那么设x dx =′,y dy =′,z dz =′,则有(x ′,y ′,z ′)=1,并且由222x y z +=得222222d x d y d z '+'=',两边除以2d ,得222x y z '+'='.所以我们只需研究基本勾股数.在基本勾股数x 、y 、z 中,x 和y 必定一奇一偶.这一点可以用反证法证明:假定x 和y 的奇偶性相同,那么有两种可能的情况:①x 和y 同奇,②x 和y 同偶.如果x 和y 同奇,由于奇数的平方是4的倍数加1,所以22x y +是4的倍数加2,于是2z 是偶数,z 也是偶数,而偶数的平方是4的倍数,这与4的倍数加2矛盾,所以x 和y 不能都是奇数.如果x 和y 都是偶数,那么z 也是偶数,这与x 、y 、z 是基本勾股数矛盾,所以x 和y 中一奇一偶.由此也可推出z 是奇数.21.2.2★设x 、y 、z 是勾股数,x 是质数,求证:21z -和()21x y ++都是完全平方数.解析 ()()222x z y z yz y =-=+-.因为x 是质数,所以2x 只有1、x 、2x 三个正约数.由于0z y z y +>->,所以有 2,1.z y x z y ⎧+=⎨-=⎩ 由此得221z x -=,()21222x y x y ++=++()222121x x x =+-+=+,所以21z -和2(1)x y ++都是完全平方数.21.2.3★求证:222n n +、21n +、2221n n ++(n 是正整数)是一组勾股数.解析 因为n 是正整数,2222122n n n n ++>+,222121n n n ++>+.由 ()()2222221n n n +++ ()22222441n n n n =++++ ()()222222221n n n n =++++ ()22221n n =++, 所以222n n +、21n +、2221n n ++是一组勾股数.21.2.4★若勾股数组中,弦与股的差为1,则勾股数组的形式为21n +、222n n +、2221n n ++,其中n 为正整数.解析 设弦长为c ,股长为1c -,勾为x .因为(c ,1c -)=1,所以x 、1c -、c 为一组基本勾股数.又c 为奇数,1c -为偶数,则x 为奇数.设21x n =+,则()()222211n c c ++-=,得2221c n n =++,2122c n n -=+.所以,勾股数组具有形式21n +、222n n +、2221n n ++.21.2.5★★求证:勾股三角形的直角边的长能取任何大于2的正整数. 解析 当n 是大于1的奇数时,212n -和212n +都是正整数,并且 222221122n n n ⎛⎫⎛⎫-++= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭. 当n 是大于2的偶数时,214n -和214n +都是正整数,并且 222221144n n n ⎛⎫⎛⎫+-=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭.由以上两式可以看出,勾股三角形的一直角边n 可取大于2的任何正整数.21.2.6★★求证:在勾股三角形中,(1)必有一条直角边的长是3的倍数;(2)必有一条直角边的长是4的倍数;(3)必有一条边的长是5的倍数.解析 设该勾股三角形的三边的长分别为a 、b 、c (c 是斜边),则222a b c +=.只要证明a 、b 、c 是基本勾股数时的情况.不失一般性,设b 为偶数,则22a p q =-,2b pq =,22c p q =+,其中p 、q 满足上述定理中的条件.(1)若p 、q 中至少有一个是3的倍数,则b 是3的倍数;若p 、q 都不是3的倍数,设31p k =±,31q l =±,则()()22223131a p q k l =-=±-±()22996k l k l =+±±是3的倍数.(2)由于p 、q 一奇一偶,所以2b pq =是4的倍数.(3)若a 、b 都不是5的倍数,则2a 的末位数是1或9;2b 的末位数字是4或6.1+4=5,1+6=7,9+4=13,9+6=15,由于一个完全平方数的末位数不可能是7和3,所以222c a b =+的末位数只可能是5.于是c 的末位数是5.评注 由此可推出,勾股三角形的面积必是6的倍数;三边之积必是60的倍数. 21.2.7★★求基本勾股数组,其中一个数是16.解析 设勾股数组x 、y 、z ,其中x =16.x =16=2×4×2=2×8×1,若4m =,2n =,有(,m n )-2≠1,从而只有8m =,1n =,(,)1m n =,且m 和n 为一奇一偶.于是 22228163y m n =-=-=,22228165z m n =+=+=.从而,只有一组基本勾股数16、63、65.评注 若不要求基本勾股数,则x =16=2×4×2,设4m =,2n =,得2212y m n =-=,2220z m n =+=.即16、12、20为一组勾股数.又22164322x ==⨯⨯,设232m =,22n =,得2230y m n =-=,2234z m n =+=.即16、30、34为一组勾股数.21.2.8★★设p 、m 、n 为一组勾股数,其中p 为奇质数,且n >p ,n >m .求证:21n -必为完全平方数.解析 因为p 、m 、n 为一组勾股数,n p >,n m >,则有222n m p =+.()()222m n p n p n p =-=+-,m n p >-.设()1m n r r p =-<≤,则有()()222222p n m n n r r n r =-=--=-.因为1r p <≤,p 为奇质数,则1r =(否则,若1r p <<,则|r 2p ,矛盾).由1r =,得221p n =-,从而21n -是完全平方数.21.2.9★★直角三角形的三边的长都是正整数,其中有一条直角边的长是35,它的周长的最大值和 最小值分别是多少?解析 设直角三角形的三边长分别是35,b ,c ,则22235b c +=, 即()()1225c b c b +-=.1225的大于35的正约数可作为c b +,其中最大的是1225,最小的是49,所以,直角三角形的周长的 最大值是35+1225=1260,最小值是35+49=84.21.2.10★★设n 为大于2的正整数.证明:存在一个边长都是整数的直角三角形,它的一条直角边长 恰为n .解析 只需证明不定方程222x n z +=,有正整数解.利用()()2z x z x n -+=,结合z x -与z x +具有相同的奇偶性,故当n 为奇数时,由(z x -,z x +)=(1,2n ),可得不定方程的一组正整数解(x ,z )=2211,22n n ⎛⎫-+ ⎪⎝⎭; 而当n 为偶数时,由条件,知n ≥4.利用(z x -,z x +)=22,2n ⎛⎫ ⎪⎝⎭, 可得不定方程的一组正整数解(x ,z )=2244,44n n ⎛⎫-+ ⎪⎝⎭. 综上,可知命题成立。