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第45章 新的副本(2 / 2)

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n=2:4/2=2。1/1+1/2+1/2。有解。

n=3:4/3=1/1+1/6+1/6。有解。

n=4:4/4=1。1/2+1/3+1/6。有解。

n=5:4/5=1/2+1/4+1/20。有解。

【看起来,解总是存在的。那麽,证明的关键,在于构造。】

他没有急于下结论,而是开始思考问题的核心。

【4/n=1/x+1/y+1/z。这个方程的自由度太高了,三个未知数。必须想办法减少变量,或者找到它们之间的约束关系。】

【思路的核心,应该是根据n的性质,来构造出对应的x,y,z。】

突然,一道灵光闪过!

【是n的同馀性质!特别是模4的馀数!】

一个在解决丢番图方程时,屡试不爽的强大武器,浮现在他的脑海中。

【任何整数n,根据模4的馀数,都可以被分为四类:4k,4k+1,4k+2,4k+3。】

【如果我能为每一类n,都找到一个通用的构造公式,那麽问题不就解决了吗?!】

徐辰的精神为之一振,睡意全无。他感觉自己像一个工程师,不再是盲目地寻找一个特定的零件,而是开始设计一套能生产所有零件的「模具」!

【第一种情况:n=4k。】

【4/n=4/(4k)=1/k。】

【1/k=1/(2k)+1/(3k)+1/(6k)。】

【所以,x=2k,y=3k,z=6k。搞定!这一类最简单。】

【第二种情况:n=4k+2=2(2k+1)。】

【4/n=4/(2(2k+1))=2/(2k+1)。】

【2/(2k+1)=1/(2k+1)+1/(2k+1)。还差一个……】

【1/(2k+1)=1/(2k+2)+1/((2k+1)(2k+2))。】

【所以,4/n=1/(2k+1)+1/(2k+2)+1/((2k+1)(2k+2))。】

【令x=2k+1,y=2k+2,z=(2k+1)(2k+2)。搞定!】

逻辑的链条,开始一环扣一环地被构建起来。前两种情况,他只用了不到半个小时,就轻松解决。

但当他开始处理第三种情况时,瓶颈出现了。

【第三种情况:n=4k+3。】

他尝试了各种恒等变换,试图构造出通用的解,但每一次,构造出的分母中,都不可避免地会出现k,导致解的普适性被破坏。

【这条路,走不通。或者说,简单的恒等变换,在这里失效了。】

他感到了焦灼。就像攀岩者,已经爬到了半山腰,却发现眼前是一片光滑的丶找不到任何着力点的绝壁。

他放下笔,在房间里来回踱步,强迫自己跳出之前的思维定式。

【如果,从另一个角度看呢?】

【4/n=(4(k+1))/(n(k+1))=(4k+4)/(n(k+1))=(n+1)/(n(k+1))。】

【4/n=1/(k+1)+1/(n(k+1))。】

【这个恒等式,是解决问题的关键!由Mordell在1969年提出!】

一个在数论历史中闪耀的名字,浮现在他的脑海中!

【我一直在试图自己重新发明轮子!其实前人已经铺好了路!】

思路,瞬间豁然开朗!

他重新坐回桌前,眼神中爆发出前所未有的光芒。

他不再纠结于自己构造,而是直接站在了巨人的肩膀上!

【对于n=4k+3的情况:】

【利用恒等式4/n=1/((n+1)/4)+1/(n(n+1)/4)。】

【因为n=4k+3,所以n+1=4k+4=4(k+1)。】

【(n+1)/4=k+1,是整数!所以1/((n+1)/4)是一个单位分数!】

【令x=(n+1)/4。】

【现在,只需要将1/(n(n+1)/4)分解成两个单位分数之和。】

【1/A=1/(A+1)+1/(A(A+1))。这是一个经典的分解!】

【所以,x=(n+1)/4,y=n(n+1)/4+1,z=(n(n+1)/4)*(n(n+1)/4+1)。】

【搞定!第三种情况,解决!】

只剩下最后,也是最难的一种情况:n=4k+1。

他用同样的方法,将问题转化,但发现,无论如何,都无法避免地会出现更复杂的分数形式。

【我到底忽略了什麽……】

他看着窗外城市的点点灯火,大脑放空。

突然,他想起了自己最初的验算。

n=5:4/5=1/2+1/4+1/20。

【这里的x,y,z之间,有什麽关系?】

【如果,我能找到一个关于n的线性同馀方程组,它的解,恰好能导出x,y,z呢?】

【中国剩馀定理!】

一个古老而又强大的东方智慧,如同启明星,照亮了最后的黑暗!

他猛地冲回桌前,心脏狂跳。

他不再试图去「构造」一个通用的公式,而是去「证明」一个解的存在性!

【对于n=4k+1的情况,我们可以找到一个整数t,使得t*n+1是一个4的倍数,甚至是某个数的倍数……】

【不,思路更直接一点!我们可以找到两个整数a,b,使得an+1=4b。】

【根据裴蜀定理,只要gcd(n,4)=gcd(4k+1,4)=1,这样的a,b就必然存在!】

【利用扩展欧几里得算法,可以找到这样一组a,b。】

【然后,4/n=4a/(an)=4a/(4b-1)……这条路似乎更复杂了。】

他再次陷入沉思,但这一次,他感觉自己离真相只有一步之遥。

【回归方程本身:4xyz=n(xy+yz+zx)。】

【如果我能找到一个特殊的x,让这个方程简化呢?】

【设x=k*n。代入后……不行。】

【设x=(n+a)/4。】

一个大胆的设想,在他脑中形成。

经过一番极其复杂的代数推演,利用模运算和二次剩馀的性质,他最终将问题,锁定在了一个特定的同馀方程上!

【……最终,可以证明,对于所有素数n≡1(mod4),总能找到满足条件的解。而对于合数,可以通过其素因子分解来构造解。】

当最后一个句号落下时,他长长地舒了一口气,一股难以言喻的丶酣畅淋漓的快感,从心底涌起,传遍四肢百骸。

这种攻克未知猜想的喜悦,远比在考场上拿到满分,要来得更加纯粹,更加强烈!

他揉了揉有些酸涩的眼睛,下意识地看了一眼窗外。

窗外的天色,已经由漆黑,转为了鱼肚白,初升的朝阳,正将第一缕金色的光辉,洒向这座异国的城市。

天,已经亮了。

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