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連分數法解佩爾方程特解

$$x^2-Dy^2=1,\  D為正整數$$

特解是指佩爾方程的最小整數解,容易發現當x最小的時候y也同樣達到最小。

在一般情況下,佩爾方程的特解是通過暴利枚舉方法得到的,本文将介紹如何用應用連分數法求特解。

本文将不涉及證明,隻介紹方法。

三、連分數法

一個實數的簡單連分數表示,是指将一個實數用以下方法表示:

$$x = a_0+\frac{1}{a_1 + \frac{1}{a_2+\frac{1}{a_3+...}}}$$

可以把連分數簡記為:$x = [a_0;a_1, a_2, a_3...]$.

有理數的連分數有兩種表示形式:

$$\frac{p}{q} = [a_0;a_1, a_2, a_3, ...,a_n,1] 或 [a_0;a_1, a_2, a_3, ..., a_n+1]$$

所有無限連分數都是無理數,而所有無理數都可以用一種精确的方式表示成無限連分數,可以用這種方法逼*,無理數的值。

可以證明:一個非完全*方數的*方根是以周期性呈現的:

比如:

連分數法解佩爾方程特解

簡寫為:

$$\sqrt 22 = [4;1,2,4,2,1,8]$$

在之後就會循環出現1,2,4,2,1,8

我們不妨這樣記這種連分數的形式:

$$\sqrt22 = [4;<1,2,4,2,1,8>]$$

顯然循環節的長度是6

并且還有個重要的特點:這個循環節一定是 $a_1$ 開始,且最後一個數 $a_n$ 一定是 $a_0$ 的2倍。

我們将 $\sqrt D$ 寫成連分數的形式:(相當于用連分數無線逼**方根)

 $$\sqrt D =  [a_0;<a_1, a_2, ..., a_{n-1},2a_0>]$$

并且我們記:

$$\frac{p}{q} = [a_0; a_1, a_2, ..., a_{n-1}]$$

(關于計算p,q:隻要按照連分數的展開形式,疊代計算即可)

其中如果記循環節長度為s

那麼有如下結論:

1、如果s為偶數時。最小特解為:

$$x_0 = p, y_0 = q$$

2、如果s為奇數時,最小特解為:

$$x_0 = 2p^2+1, y_0 = 2pq$$

我們希望得到準确的連分數展開,那麼關鍵在于不用浮點型計算。

接下來以 $\sqrt {22}$ 為例:

連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解

 按照這種方式,我們計算出了的連分數:$\sqrt {22} = [4;<1,2,4,2,1,8>]$.

然後可以計算出來:

$$\frac{197}{42} = [4;1,2,4,2,1]$$

由于循環節長度6是偶數,那麼佩爾方程 $x^2 -22y^2 = 1$ 的最小特解是:$x_0 = 197, y_0 = 42$.

之後我們參照上面的例子,很容易設計出計算連分數的算法。

結果很大1000以内好多結果都超long long了。。。要改成大數才行。。。

一個java打表的代碼:

連分數法解佩爾方程特解
連分數法解佩爾方程特解

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