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数论 · 第 21 章

不定方程

答案必须是整数的方程:先因式分解,再列出因数对,让整数帮你完成剩下的工作。

你需要先会
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21.10%

二次式的因式分解

在本节中,你将能够 发现藏在数或式子里的平方,再用 a² − b² = (a − b)(a + b) 把它拆成两个因数的积。

你能心算 53 × 47 吗?看起来很难。但是 53 × 47 = (50 + 3)(50 − 3) = 2500 − 9 = 2491。平方就藏在乘积里!

不定方程是要求解必须是整数的方程。就这一条规则,却是一种超能力:往往一个含两个未知数的方程就足以求出答案。

窍门是因式分解。一个数一旦写成乘积,你就能列出它的所有因数对。留意平方:两个平方数的差总能拆成两个因数的积。

动手探索先玩,再学公式

7² − 3² = 4 × 10 = 40

a7
b3
−3²a = 7a = 7
72−32=4×10=407^2 - 3^2 = 4 \times 10 = 40

7² − 3² = 4 × 10 = 40

认识概念

注 21.0.1

不定方程问题常常需要把数和式子改写成含未知数的形式,并把代数和数论结合起来使用。说到底,它们就是要求整数解的方程。

概念 21.0.2

对于一般的代数方程,如果有 nn 个未知数要求,就需要 nn 个方程。但不定方程不是这样,因为我们多了一个条件:每个未知数都是整数。这个条件正是解不定方程的关键。

定理 21.1.1 · 平方差公式

x2−y2=(x−y)(x+y)x^2 - y^2 = (x - y)(x + y)

定理 21.1.2 · 完全平方公式

(x+y)2=x2+2xy+y2=(x−y)2+4xy(x + y)^2 = x^2 + 2xy + y^2 = (x - y)^2 + 4xy
(x−y)2=x2−2xy+y2=(x+y)2−4xy(x - y)^2 = x^2 - 2xy + y^2 = (x + y)^2 - 4xy
(x+y)2+(x−y)2=2(x2+y2)(x + y)^2 + (x - y)^2 = 2(x^2 + y^2)
(x+y)2−(x−y)2=4xy(x + y)^2 - (x - y)^2 = 4xy
(x+y+z)2=x2+y2+z2+2(xy+yz+xz)(x + y + z)^2 = x^2 + y^2 + z^2 + 2(xy + yz + xz)

看例题先预测,再揭晓

例 21.3

Omega Learn

9984 有多少个因数?

100² − 4² = 96 × 104 = 9,984

−4²a = 100a = 100
1002−42=96×104=9,984100^2 - 4^2 = 96 \times 104 = 9{,}984

100² − 4² = 96 × 104 = 9,984

  1. 1

    9984 非常接近一个整数。比它稍大的完全平方数是哪个?大多少?

    先预测一下:
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例 21.4

Omega Learn

在 1 到 100 中,有多少个 nn 使得 16n−2×4n+116^n - 2 \times 4^n + 1 是 49 的倍数?

  1. 1

    你在这个式子里看出什么因式分解公式了吗?

自己做

习题 21.5.3

AMC 8

乘积 45⋅5104^5 \cdot 5^{10} 是几位数?

习题 21.5.7

AMC 8

10810^8、5125^{12} 和 2242^{24} 这三个数,正确的大小顺序是什么?

竞赛角真实竞赛题

习题 21.5.19(补充题)

EMCC

322011−2220113^{2^{2011}} - 2^{2^{2011}} 最大的两位正因数是多少?

习题 21.5.20(补充题)

MATHCOUNTS

如果 mm 和 nn 是正整数,且 m2+14m−32=3nm^2 + 14m - 32 = 3^n,那么 m+nm + n 的值是多少?

过关检测(第 21.1 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

用平方差公式计算 532−47253^2 - 47^2。

2

如果 x+y=7x + y = 7 且 xy=10xy = 10,x2+y2x^2 + y^2 等于多少?

3

有多少对正整数 (x,y)(x, y) 满足 x2−y2=15x^2 - y^2 = 15?

21.20%

西蒙因式分解技巧

在本节中,你将能够 在方程两边同时加上神奇数,把含 xy、x 和 y 项的方程因式分解(西蒙因式分解技巧)。

求满足 xy + x + y = 14 的整数。一个个猜太慢了。两边同时加 1,左边立刻变成 (x + 1)(y + 1) = 15。现在你只需要找 15 的因数!

只要看到 xy 项、x 项和 y 项同时出现,就可以用西蒙因式分解技巧(简称 SFFT)。想象一个长方形:xy、x 和 y 这三项是它的三块,缺的那个角就是神奇数。

在两边同时加上神奇数。然后列出右边的所有因数对,再把每一组因数对还原成 x 和 y。

动手探索先玩,再学公式

xy + x + y = 14 变成 (x + 1)(y + 1) = 15:2 组解 (2, 4), (4, 2)

x 的系数1
y 的系数1
右边14
xy+x+y=14xy + x + y = 14
x1y1xyyx?

xy + x + y = 14。在两边同时加上神奇数。

认识概念

定理 21.2.1 · 西蒙因式分解技巧

xy+kx+jy+jk=(x+j)(y+k)xy + kx + jy + jk = (x + j)(y + k)

看例题先预测,再揭晓

例 21.5

xx 和 yy 是正整数,且满足

1x+1y=12\frac{1}{x} + \frac{1}{y} = \frac{1}{2}

求 x+yx + y 所有可能的不同取值之和。

xy − 2x − 2y = 0 变成 (x − 2)(y − 2) = 4:3 组解 (3, 6), (4, 4), (6, 3)

xy−2x−2y=0xy - 2x - 2y = 0
x−2y−2xy−2y−2x?

xy − 2x − 2y = 0。在两边同时加上神奇数。

  1. 1

    怎样去掉分母,让问题变简单?

自己做

习题 21.5.5

AMC 8

一个两位数的各位数字之积加上各位数字之和,正好等于这个数本身。这个数的个位数字是几?

习题 21.5.18(补充题)

AMC 10

如果一个两位正整数等于它的(非零)十位数字与个位数字的平方之和,就称它是可爱的。有多少个两位正整数是可爱的?

竞赛角真实竞赛题

习题 21.5.16(补充题)

AMC 12

在计算两个正整数 aa 和 bb 的乘积时,Ron 把两位数 aa 的数字顺序弄反了。他算出的错误乘积是 161。aa 与 bb 的正确乘积是多少?

习题 21.5.10

AMC 8

一个棒球联赛由两个分区组成,每个分区 4 支球队。每支球队与本分区的每支其他球队各比赛 N 场,与另一分区的每支球队各比赛 M 场,其中 N>2MN > 2M 且 M>4M > 4。每支球队的赛程共 76 场。一支球队在本分区内要打多少场比赛?

过关检测(第 21.2 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

用西蒙因式分解技巧把 xy+3x+2y=10xy + 3x + 2y = 10 改写成 (x+2)(y+3)=N(x + 2)(y + 3) = N。NN 是多少?

2

有多少组有序正整数对 (x,y)(x, y) 满足 xy+x+y=14xy + x + y = 14?

3

正整数 xx 和 yy 满足 xy−3x−3y=0xy - 3x - 3y = 0 且 x<yx < y。yy 最大可能是多少?

21.30%

趣味例题

在本节中,你将能够 把文字谜题变成方程:数字变成未知数,再用整数的限制条件完成剩下的工作。

拿 952,把它倒过来:259。相减:952 − 259 = 693 = 99 × 7。换一个数试试。每次得到的都是 99 的倍数!

把一个三位数写成 100h + 10t + u,其中 h、t、u 是它的各位数字。它的倒序数是 100u + 10t + h。两者相减,十位数字被消掉了:结果是 99(h − u)。

每个数字都是 0 到 9 之间的整数。正是这短短的一串可能,让这些谜题变得可以解开。

动手探索先玩,再学公式

952 − 259 = 693 = 99 × 7

百位数字 h9
十位数字 t5
个位数字 u2
原数
倒序数
952 − 259 = 693 = 99 × (h − u) = 99 × 7

952 − 259 = 693 = 99 × 7

看例题先预测,再揭晓

例 21.1

Omega Learn

把一个三位数的各位数字倒序排列,得到一个新数。原数比新数大 594。原数最大可能是多少?

531 − 135 = 396 = 99 × 4;有 40 个数的差是 594

百位数字 h5
十位数字 t3
个位数字 u1
原数
倒序数
531 − 135 = 396 = 99 × (h − u) = 99 × 4
目标:原数 − 倒序数 = 594。你需要 h − u = 6。

531 − 135 = 396 = 99 × 4。目标是 594。

  1. 1

    怎样用未知数表示一个三位数?

例 21.2

Omega Learn

把一个十位数字是 7 的两位数的各位数字倒序排列;再把一个百位数字是 3、十位数字是 5 的三位数的各位数字也倒序排列。两个倒序后的新数之和比原来两个数之和大 288。求原来两个数的和。

  1. 1

    给未知的数字起个名字。原来的两个数怎样表示?

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例 21.6

AMC 8

下图中的点 AA、BB、CC、DD、EE、FF 各代表 1 到 6 中一个不同的数字。图中的五条线各经过其中的一些点。把每条线上的数字相加,得到五个和,每条线一个。这五个和的总和是 47。BB 代表的数字是几?

  1. 1

    列出每条线上的点。哪个点在最多的线上?

    先预测一下:
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自己做

习题 21.5.14(补充题)

把一个三位数的各位数字倒序排列后,得到的数比原数大 297。原数最大可能是多少?

习题 21.5.15(补充题)

AMC 8

一个三位数的百位数字比个位数字大 2。把这个三位数的各位数字倒序排列,再用原来的三位数减去得到的数。结果的个位数字是几?

习题 21.5.1

AMC 8

Peter、Emma 和 Kyler 三人互相下国际象棋。Peter 赢了 4 局,输了 2 局。Emma 赢了 3 局,输了 3 局。如果 Kyler 输了 3 局,他赢了几局?

竞赛角真实竞赛题

习题 21.5.6

AMC 8

在下面的乘法算式中,AA、BB、CC、DD 是互不相同的数字。A+BA + B 等于多少?

A B A×C DC D C D\begin{array}{r} A\,B\,A \\ \times \quad C\,D \\ \hline C\,D\,C\,D \end{array}

习题 21.5.17(补充题)

AMC 12

回文数(例如 83438)是指各位数字倒序排列后仍保持不变的数。xx 和 x+32x + 32 分别是三位回文数和四位回文数。xx 的各位数字之和是多少?

习题 21.5.9

AMC 8

Euclid 高中篮球队打完最后一场比赛后,统计发现全队得分的 14\frac{1}{4} 是 Alexa 得的,27\frac{2}{7} 是 Brittany 得的。Chelsea 得了 15 分。其余 7 名队员每人得分都不超过 2 分。其余 7 名队员一共得了多少分?

习题 21.5.22(补充题)

AMC 10

在美国,硬币的厚度如下:1 美分(penny)1.55 毫米;5 美分(nickel)1.95 毫米;10 美分(dime)1.35 毫米;25 美分(quarter)1.75 毫米。如果一摞这些硬币恰好高 14 毫米,这摞硬币有多少枚?

过关检测(第 21.3 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

一个三位数减去它的倒序数等于 396。百位数字减个位数字等于多少?

2

一个两位数比它的倒序数大 27。这样的数最大是多少?

3

有多少个三位数恰好比它的倒序数大 198?

21.40%

三次式的因式分解(选学)

在本节中,你将能够 对立方和与立方差进行因式分解,并展开 (x + y)³。

999 是质数吗?它等于 1000 − 1 = 10³ − 1³。立方也能因式分解:999 = 9 × 111。

本节是选学内容。立方不像平方那样拆得那么整齐,但 a³ − b³ 总有因式 a − b,而 a³ + b³ 总有因式 a + b。

动手探索先玩,再学公式

5³ − 2³ = 3 × 39 = 117

a5
b2
第一个因式
a−b=5−2a - b = 5 - 2
3
第二个因式
a2+ab+b2=25+10+4a^2 + ab + b^2 = 25 + 10 + 4
39
53−23=3×39=1175^3 - 2^3 = 3 \times 39 = 117

5³ − 2³ = 3 × 39 = 117

认识概念

定理 21.4.1 · 立方差公式

x3−y3=(x−y)(x2+xy+y2)x^3 - y^3 = (x - y)(x^2 + xy + y^2)

定理 21.4.2 · 立方和公式

x3+y3=(x+y)(x2−xy+y2)x^3 + y^3 = (x + y)(x^2 - xy + y^2)

定理 21.4.3 · 完全立方公式

(x+y)3=x3+3xy(x+y)+y3(x + y)^3 = x^3 + 3xy(x + y) + y^3
(x+y)3=x3+3x2y+3xy2+y3(x + y)^3 = x^3 + 3x^2y + 3xy^2 + y^3
(x−y)3=x3−3xy(x−y)−y3(x - y)^3 = x^3 - 3xy(x - y) - y^3
(x−y)3=x3−3x2y+3xy2−y3(x - y)^3 = x^3 - 3x^2y + 3xy^2 - y^3

自己做

习题 21.5.12

AMC 8

在 28+12^8 + 1 和 218+12^{18} + 1 之间(包括这两个数)有多少个完全立方数?

习题 21.5.2

AMC 8

正整数 xx 和 yy 分别是满足下列条件的最小正整数:360 与 xx 的积是完全平方数,360 与 yy 的积是完全立方数。xx 与 yy 的和是多少?

竞赛角真实竞赛题

习题 21.5.13

AIME

有一个质数 pp,使得 16p+116p + 1 是某个正整数的立方。求 pp。

过关检测(第 21.4 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

用立方差公式计算 113−110\dfrac{11^3 - 1}{10}。

2

如果 x+y=5x + y = 5 且 xy=6xy = 6,x3+y3x^3 + y^3 等于多少?

3

63+16^3 + 1 最大的质因数是多少?

21.5

练习题

在本节中,你将能够 在竞赛题中综合运用本章的所有技巧。

最后一站:一组混合的竞赛题。有的需要因式分解,有的需要仔细地分类讨论,还有一道需要一个巧妙的不变量。每道题都有三条提示,卡住了就看看吧。

想在一页里看到本章的全部习题吗?打开习题集。

竞赛角真实竞赛题

习题 21.5.4

AMC 8

有多少个正整数 nn,使得 n3\frac{n}{3} 和 3n3n 都是三位整数?

习题 21.5.8

AMC 8

设 aa、bb、cc 是非零实数,且 a+b+c=0a + b + c = 0。a∣a∣+b∣b∣+c∣c∣+abc∣abc∣\frac{a}{|a|} + \frac{b}{|b|} + \frac{c}{|c|} + \frac{abc}{|abc|} 可能取哪些值?

(A) 0 (B) 1 和 −1-1 (C) 2 和 −2-2 (D) 0、2 和 −2-2 (E) 0、1 和 −1-1

习题 21.5.11

AMC 10

前 nn 个正整数的和不是前 nn 个正整数的积的因数。满足这个条件的最大三位正整数 nn 是多少?

习题 21.5.21(补充题)

AMC 10

当 x<0x < 0 时,下列哪一项与 x1−x−1x\sqrt{\dfrac{x}{1 - \frac{x-1}{x}}} 相等?

(A) −x-x (B) xx (C) 11 (D) x2\sqrt{\frac{x}{2}} (E) x−1x\sqrt{-1}

习题 21.5.23(补充题)

AMC 10

Boris 有一台神奇的换币机。投入一枚 25 美分硬币,它会吐出五枚 5 美分硬币;投入一枚 5 美分硬币,它会吐出五枚 1 美分硬币;投入一枚 1 美分硬币,它会吐出五枚 25 美分硬币。Boris 一开始只有一枚 1 美分硬币。反复使用这台机器后,Boris 可能拥有下列哪个金额?

(A) $3.63 (B) $5.13 (C) $6.30 (D) $7.45 (E) $9.07