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ディオファントス方程式 ほうていしき (ディオファントスほうていしき、Diophantine equation)とは、整 せい 係 がかり 数多 あまた 変数 へんすう 高次 こうじ 不定 ふてい 方程式 ほうていしき である。文脈 ぶんみゃく として、整数 せいすう 解 かい や有理数 ゆうりすう 解 かい を問題 もんだい にしたい場合 ばあい に用 もち いられる用語 ようご であり、主 おも に数 かず 論 ろん の研究 けんきゅう 課題 かだい と考 かんが えられている。古代 こだい アレクサンドリア の数学 すうがく 者 しゃ ディオファントス の著作 ちょさく 『算術 さんじゅつ 』で、その有理数 ゆうりすう 解 かい が研究 けんきゅう されたのにちなんだ名称 めいしょう である。
ディオファントス方程式 ほうていしき とは、整 せい 係 がかり 数多 あまた 変数 へんすう 高次 こうじ 不定 ふてい 方程式 ほうていしき
∑
a
e
1
e
2
…
e
m
x
1
e
1
x
2
e
2
⋯
x
m
e
m
=
0
(
a
e
1
e
2
…
e
m
∈
Z
)
{\displaystyle \sum a_{e_{1}e_{2}\ldots e_{m}}x_{1}^{e_{1}}x_{2}^{e_{2}}\cdots x_{m}^{e_{m}}=0\quad (a_{e_{1}e_{2}\ldots e_{m}}\in \mathbb {Z} )}
である。整数 せいすう および変数 へんすう の定数 ていすう 乗 じょう の加減 かげん 乗算 じょうざん からなる方程式 ほうていしき は、すべてディオファントス方程式 ほうていしき である。
指数 しすう 部分 ぶぶん も変数 へんすう 化 か した方程式 ほうていしき も、広義 こうぎ のディオファントス方程式 ほうていしき である。このような方程式 ほうていしき は指数 しすう 型 がた ディオファントス方程式 ほうていしき (exponential Diophantine equation)と呼 よ ばれる。実際 じっさい には、指数 しすう 型 がた ディオファントス方程式 ほうていしき は通常 つうじょう のディオファントス方程式 ほうていしき の複数 ふくすう の組 くみ に還元 かんげん できることが知 し られている[1] [2] 。
ディオファントス方程式 ほうていしき の特殊 とくしゅ 例 れい には以下 いか のようなものがある。
ベズー方程式 ほうていしき a x + b y = d
ユークリッドの互除法 ほう の応用 おうよう により、一般 いっぱん の整数 せいすう 解 かい が求 もと まる。
ピタゴラス方程式 ほうていしき x 2 + y 2 = z 2
直角 ちょっかく 三角形 さんかっけい の辺 あたり 長 ちょう に対応 たいおう する。とくに自然 しぜん 数 すう 解 かい をピタゴラス数 すう といい、一般 いっぱん 生成 せいせい 公式 こうしき が存在 そんざい する。
ペル方程式 ほうていしき x 2 - n y 2 = 1
連分数 れんぶんすう の応用 おうよう により、一般 いっぱん の整数 せいすう 解 かい が求 もと まる。
楕円 だえん 曲線 きょくせん y 2 = f (x ) (f (x ) は重根 しこね をもたない、3次 じ または4次 じ の多項式 たこうしき )
数 かず 論 ろん の中心 ちゅうしん 的 てき 課題 かだい の一 ひと つである。とくに有理数 ゆうりすう 解 かい についての構造 こうぞう 定理 ていり (モーデルの定理 ていり )がある。整数 せいすう 解 かい は有限 ゆうげん 個 こ しか存在 そんざい せず、原理 げんり 的 てき には全 すべ ての整数 せいすう 解 かい を求 もと めることが可能 かのう 。有限 ゆうげん 体 たい 上 うえ の楕円 だえん 曲線 きょくせん の構造 こうぞう も考察 こうさつ されており、暗号 あんごう 理論 りろん などに応用 おうよう されている。
超 ちょう 楕円 だえん 曲線 きょくせん y 2 = f (x ) (f (x ) は重根 しこね をもたない、5次 じ 以上 いじょう の多項式 たこうしき )
整数 せいすう 解 かい は有限 ゆうげん 個 こ しか存在 そんざい せず、原理 げんり 的 てき には全 すべ ての整数 せいすう 解 かい を求 もと めることが可能 かのう 。ファルティングスの定理 ていり により、有理数 ゆうりすう 解 かい も有限 ゆうげん 個 こ しか存在 そんざい しないが、それを全 すべ て求 もと めることができるとは限 かぎ らない。
トゥエ方程式 ほうていしき f (x , y ) = k (f (x , y ) は3次 じ 以上 いじょう の斉 ひとし 次 じ 既 すんで 約 やく 多項式 たこうしき )
整数 せいすう 解 かい は有限 ゆうげん 個 こ しか存在 そんざい せず、原理 げんり 的 てき には全 すべ ての整数 せいすう 解 かい を求 もと めることが可能 かのう 。この曲線 きょくせん の次数 じすう が3ならば楕円 だえん 曲線 きょくせん と双 そう 有理 ゆうり 同値 どうち になる。次数 じすう が4以上 いじょう ならば、ファルティングスの定理 ていり により、有理数 ゆうりすう 解 かい も有限 ゆうげん 個 こ しか存在 そんざい しないが、それを全 すべ て求 もと めることができるとは限 かぎ らない。
ディオファントス方程式 ほうていしき の整数 せいすう 解 かい や有理数 ゆうりすう 解 かい をもとめる問題 もんだい は、古 ふる くから非常 ひじょう な難問 なんもん として知 し られており、ディオファントス自身 じしん や、近代 きんだい フランス の数学 すうがく 者 しゃ フェルマー らが代表 だいひょう 的 てき な研究 けんきゅう 者 しゃ として有名 ゆうめい である。
アリヤバータ は499年 ねん の著作 ちょさく で線型 せんけい ディオファントス方程式 ほうていしき
a
y
+
b
x
=
c
{\displaystyle ay+bx=c}
の整数 せいすう 解 かい の解法 かいほう を初 はじ めて明確 めいかく に記 しる し、これを「クッタカ法 ほう 」と呼 よ んだ。のちのブラーマグプタ は「チャクラバーラ法 ほう 」 (Chakravala method ) を用 もち いて、2次 じ のディオファントス方程式 ほうていしき を扱 あつか った。1150年 ねん には、バースカラ2世 せい がブラーマグプタの解法 かいほう を改良 かいりょう し、ペル方程式 ほうていしき の他 ほか 、不定 ふてい 二 に 次 じ 方程式 ほうていしき や二 に 次 じ ディオファントス方程式 ほうていしき の一般 いっぱん 解 かい を見 み つけている。
現在 げんざい では、すべての方程式 ほうていしき について整数 せいすう 範囲 はんい での一般 いっぱん 解法 かいほう は存在 そんざい しないことが証明 しょうめい されている。整数 せいすう 解 かい の存在 そんざい 判定 はんてい に限定 げんてい しても、9変数 へんすう の一般 いっぱん 的 てき 判定 はんてい 法 ほう が存在 そんざい しないことがすでに証明 しょうめい されている。2変数 へんすう の一般 いっぱん 的 てき 判定 はんてい 法 ほう も未知 みち である(種 たね 数 すう 1の場合 ばあい 、および y k = f (x ) の形 かたち の方程式 ほうていしき については原理 げんり 的 てき には判定 はんてい 可能 かのう である)。また、有理数 ゆうりすう 範囲 はんい での一般 いっぱん 的 てき 判定 はんてい 方法 ほうほう が存在 そんざい するかどうかも未知 みち である。
1900年 ねん に提示 ていじ された「ヒルベルトの23の問題 もんだい 」の第 だい 10問題 もんだい が「ディオファントス方程式 ほうていしき の一般 いっぱん 的 てき で有限 ゆうげん 的 てき な可 か 解 かい 性 せい 判定 はんてい 方法 ほうほう をもとめよ」であったが、これは1970年 ねん にロシア の数学 すうがく 者 しゃ ユーリ・マチャセビッチ によって否定 ひてい 的 てき に解決 かいけつ された[1] 。(→計算 けいさん 可能 かのう 性 せい 理論 りろん )この証明 しょうめい の副産物 ふくさんぶつ として、再帰 さいき 的 てき に枚挙 まいきょ 可能 かのう な任意 にんい の整数 せいすう の集合 しゅうごう (たとえば素数 そすう の集合 しゅうごう )には、その要素 ようそ を整数 せいすう 解 かい とするディオファントス方程式 ほうていしき が、かならず存在 そんざい することが証明 しょうめい されている。日本 にっぽん の廣瀬 ひろせ 健 けん はマチャセビッチと同 どう 時期 じき に独立 どくりつ に部分 ぶぶん 的 てき 解決 かいけつ をしていたとされる。
2変数 へんすう 2次 じ 方程式 ほうていしき a x 2 + b y + c = 0 の整数 せいすう 解 かい の存在 そんざい 判定 はんてい 問題 もんだい はNP完全 かんぜん 問題 もんだい であることが証明 しょうめい されている。(→計算 けいさん 複雑 ふくざつ 性 せい 理論 りろん )
^ a b これらの話題 わだい については Martin Davis, Hilbert tenth problem is unsolvable, Amer. Math. Monthly 80 (1973), 233--269 で解説 かいせつ されている。
^ 例 たと えばHilbert's Tenth Problem is Unsolvable の Lemma 3.5 によれば、m = n k (
m
,
n
,
k
∈
N
{\displaystyle m,n,k\in \mathbb {N} }
)と、以下 いか のディオファントス方程式 ほうていしき 系 けい で m が所与 しょよ の際 さい にそれ以外 いがい の変数 へんすう (
∈
N
{\displaystyle \in \mathbb {N} }
)について解 かい を持 も つことは同値 どうち である。すなわち、指数 しすう 型 がた ディオファントス方程式 ほうていしき が以下 いか の通常 つうじょう のディオファントス方程式 ほうていしき 系 けい に帰着 きちゃく される。
x
2
−
(
a
2
−
1
)
y
2
=
1
{\displaystyle x^{2}-(a^{2}-1)y^{2}=1}
u
2
−
(
a
2
−
1
)
v
2
=
1
{\displaystyle u^{2}-(a^{2}-1)v^{2}=1}
s
2
−
(
b
2
−
1
)
t
2
=
1
{\displaystyle s^{2}-(b^{2}-1)t^{2}=1}
v
=
r
y
2
{\displaystyle v=ry^{2}}
b
=
1
+
4
p
y
=
a
+
q
u
{\displaystyle b=1+4py=a+qu}
s
=
x
+
c
u
{\displaystyle s=x+cu}
t
=
k
+
4
(
d
−
1
)
y
{\displaystyle t=k+4(d-1)y}
y
=
k
+
e
−
1
{\displaystyle y=k+e-1}
(
x
−
y
(
a
−
n
)
−
m
)
2
=
(
f
−
1
)
2
(
2
a
n
−
n
2
−
1
)
2
{\displaystyle (x-y(a-n)-m)^{2}=(f-1)^{2}(2an-n^{2}-1)^{2}}
m
+
g
=
2
a
n
−
n
2
−
1
{\displaystyle m+g=2an-n^{2}-1}
w
=
n
+
h
=
k
+
l
{\displaystyle w=n+h=k+l}
a
2
−
(
w
2
−
1
)
(
w
−
1
)
2
z
2
=
1
{\displaystyle a^{2}-(w^{2}-1)(w-1)^{2}z^{2}=1}
この証明 しょうめい は、ペル方程式 ほうていしき の解 かい の性質 せいしつ と三角 さんかく 関数 かんすう (ド・モアブルの定理 ていり )との関連 かんれん 性 せい に着目 ちゃくもく して論 ろん じられている。