Đề tài “Phương trình Pell”

GVHD: Bùi Anh Kiệt 1050032 SVTH: Lương Thị Mai Hiên PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong suốt bao nhiêu năm học toán từ thời tiểu học đến đại học, em đã học được rất nhiều điều hay, điều mới lạ, có những vấn đề dễ hiểu, có những vấn đề đọc mãi mà chẳng ra, có những vấn đề có trong chương trình học, mà có nhiều vấn đề không có trong chương trình. Đó là những vấn đề có thể đối với thế giới là bình thường nhưng đối với em là điều mới, điều hay và nó thu hút bản năng thích tìm tòi, khám phá và chinh phục của mình. Phương trình Pell là một dạng của phương trình Diophantine nhưng bản thân nó khá phong phú và lại rất đa dạng cả trong lịch sử ra đời, trong định nghĩa, trong phương pháp giải và cả ứng dụng của nó trong số học. Chính tính hấp dẫn của vấn đề cùng với việc mong muốn giới thiệu vấn đề tới các bạn sinh viên ngành toán của trường.Vì thế, em đã có động lực để nghiên cứu đề tài và chọn đề tài luận văn của mình là: “Phương trình Pell” dưới sự góp ý của thầy hướng dẫn Bùi Anh Kiệt. 2. Lịch sử vấn đề Jonh Pell (1611-1685) nhà toán học, người đã tìm ra những nghiệm nguyên ở thế kỉ 17. Tuy nhiên ông chưa là người đầu tiên làm điều này. Phương trình Pell đã được phát minh với chiều sâu hàng trăm năm trước khi Pell ra đời. Sự đóng góp đầu tiên là nhà toán học người Ấn Độ - Brahmagupta, cách đây 1000 năm, trước thời gian của Pell. Với sự đóng góp của ông đã bắt đầu lịch sử nghiên cứu về phương trình Pell. Năm 1150 sau Công Nguyên, một nhà toán học Ấn Độ khác – Bhaskara II, ông đã khám phá ra phương pháp tuần hoàn, mà người Ấn Độ gọi là chakravala . Thế kỉ thứ 14, Narayana đưa ra một số ví dụ về phương pháp tuần hoàn của Bhaskara II. Thế kỉ thứ 17, ở Châu Âu, Fermat đã khẳng định rằng “với mọi số n, có vô hạn con số là nghiệm của phương trình”, ông không chứng minh được. Nhưng các nhà toán học người Anh: William Bramker và John Walliss đã làm được. Ngoài ra Frenicle de Bessy đã sắp xếp thành bảng những nghiệm của phương trình Pell với tất cả số n 150. Phương trình Pell 1 GVHD: Bùi Anh Kiệt SVTH: Lương Thị Mai Hiên 1050032 Thế kỉ thứ 18, vào năm 1766, Lagrange đã chứng minh được rằng nghiệm của phương trình phụ thuộc vào khai triển liên phân số của n . 3. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là tập hợp và hệ thống lại một số kiến thức cơ bản của liên phân số. Đồng thời vận dụng kiến thức này vào nghiên cứu phương trình Pell có đặc điểm gì? Phương pháp giải và ứng dụng của nó trong Số học? Xây dựng hệ thống ví dụ nhằm bổ sung làm sáng tỏ phần lý thuyết và các bài tập giúp người đọc hiểu sâu hơn. Đồng thời đưa ra một số ứng dụng của nó trong Số học. Em hay bất cứ một bạn sinh viên nào trước khi ra trường đều muốn tạo dựng một thành quả tốt đẹp cho mình, một công trình nhỏ của riêng mình, để thấy được rằng đây chính là sản phẩm đầu tay của người sinh viên sau 4 năm ngồi trên giảng đường Đại học . Em nghiên cứu đề tài này là muốn hoàn thành Luận văn tốt nghiệp, bên cạnh đó em muốn được mở mang kiến thức, tầm nhìn của mình về môn toán. Từ đó tạo đà cho em sẽ phát triển cao hơn về năng lực tư duy trong nghiên cứu toán học. 4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Luận văn thừa nhận một số khái niệm và tính chất cơ bản của Số học, dãy số. Bên cạnh đó, luận văn trình bày một số kiến thức cơ sở của liên phân số cuối cùng là đi đến khái niệm phương trình Pell và hình thành cách giải của phương trình. 5. Phương pháp nghiên cứu Đọc sách có liên quan đến đề tài, tìm tài liệu trên mạng. Sử dụng phương pháp phân tích để nắm vững vấn đề một cách chi tiết. Sử dụng phương pháp tổng hợp, hệ thống những kiến thức tiên quyết, trình bày vấn đề theo trình tự logic để người đọc dễ theo dõi. 6. Nội dung nghiên cứu Nội dung chính của đề tài gồm 4 chương: Chương I. Kiến thức chuẩn bị Chương II. Các dạng phương trình Pell và một số phương pháp giải Trong chương này, thì gồm 3 dạng của phương trình Pell và các định lý nói lên phương pháp giải của nó cùng các ví dụ cụ thể. Phương trình Pell 2 GVHD: Bùi Anh Kiệt SVTH: Lương Thị Mai Hiên 1050032 Chương III. Bài tập Chương IV. Một vài ứng dụng PHẦN NỘI DUNG Chương I. Kiến Thức Chuẩn Bị I.1. Bổ đề 1 Cho d là số vô tỉ, khi đó tồn tại vô số cặp số nguyên dương (p, q): d p < 1 Chứng minh Theo tính chất của liên phân số vô hạn ta có: ∀k : a pk< k 1 qkqk+1 với a R. Mà theo cách xác định {qk} , thì: qk+1 = akqk +qk 1 > ak 1qk 1 +qk 2 = qk Vì thế: ∀k : a pk< k 1 1 qkqk+1 qkqk 1 2 k Chọn p = pk ; q = qk ; a = d , ta có điều phải chứng minh. I.2. Bổ đề 2 Với cặp số nguyên dương (p, q) tồn tại trong bổ đề 1 Khi đó: p2 dq< +1 2 d Chứng minh Thật vậy ta có: d p< 1 �0< q d

q 0 Mà: Phương trình Pell 3 GVHD: Bùi Anh Kiệt SVTH: Lương Thị Mai Hiên 1050032 p+q d = p q d+ 2q d q d +p 2q d < 1 +2q d q+2q d = (1+2 d )q � p2 dq < 1+ 2 d . I.3. Biểu diễn liên phân số của d d =[a0;a ,a2,a3,...,an,...] =a0 + a + 1 1 = a0;a ,a2,a3,...,an 1,2a0 � a + a3 + a4 +... Chiều dài chu kì của liên phân số của d là n. x0 = d ,[x0 ] = �d = a0 d =a + 1 = a + 1 = a + 1 = a + 1 =... 1 a + a + a + 2 a + a + 3 a3 + 4 Trong đó xn = an + 1 �xn+1 = 1 ;an =[xn ] (n�0) n+1 n n Ví dụ 1 Cho phương trình: x2 7y= 1 , biểu diễn liên phân số của 7 Phương trình Pell 4 GVHD: Bùi Anh Kiệt SVTH: Lương Thị Mai Hiên 1050032 x0 = 7 = 2+ 1 ; a0 = 2 = �7 =[x0 ] 1 x = 0 [x0 ] = 1 7 2 7 +2�[x ] =1= a x2 = x [x ] = 1 7 +2 3 = 1 3 7 1 7 +1 �[x2] =1= a2 x3 = 2 [x2 ] = 1 7 +1 2 = 1 2 7 1 7 +1 �[x3] =1= a3 x4 = 3 [x3] = 1 7 +1 3 = 1 3 7 1 7 +2 �[x4 ] = 4= a4 = 2a0 Vậy 7 = a0;a ,a3,a3,a4 = 2;1,1,1,4 . Trong đó n = 4 chính là chiều dài của chu kỳ liên phân số của 7 . Một số biểu diễn liên số của từ 2 đến 40: Phương trình Pell d với d là số không chính phương nằm trong đoạn ... - tailieumienphi.vn