Ecuación diofántica

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Se llama ecuación diofántica a cualquier ecuación algebraica, de de dos o más incógnitas, cuyos coeficientes recorren el conjunto de los números enteros, de las que se buscan soluciones enteras, esto es, que pertenezcan al conjunto de los números enteros. [1]


Ejemplo[editar]

Un ejemplo de ecuación diofántica es: x + y = 5 \,

Esta ecuación tiene infinitas soluciones en los números enteros. Como regla general, sin embargo, las ecuaciones que aparecen en los problemas tienen restricciones que nos ayudan a limitarnos a un pequeño número de casos e incluso a una única solución.

Por ejemplo, en nuestra ecuación, si restringimos los posibles valores de x e y a los enteros positivos, tenemos 4 soluciones para (x,y):

(1, 4) (2, 3) (3, 2) (4, 1)

Un problema matemático muy famoso que se resuelve por medio de ecuaciones diofánticas es el del mono y los cocos.

Ecuación diofántica lineal[editar]

La ecuación diofántica Ax + By = C \, o identidad de Bézout tiene solución si y solo si d = mcd(AB) (máximo común divisor) es un divisor de C. En ese caso la ecuación tiene una infinidad de soluciones.

Similarmente la ecuación a_1x_1 + a_2x_2 + ... + a_nx_n = C \, tiene solución si y solo si d = mcd(a1a2,...,an) es un divisor de C.

Solución general[editar]

Supongamos la ecuación diofántica \scriptstyle Ax + By = C \,. Solo tiene solución si \scriptstyle \mathrm{mcd}(A,B)=d|C \,. Para buscar el \scriptstyle \mathrm{mcd}(d) empleamos el algoritmo de Euclides. Si una ecuación diofántica tiene solución, necesariamente tiene infinitas soluciones y todas son de la forma:

\begin{cases} x=x_{1}+\lambda\cdot\frac{B}{d} \\ y =y_{1}-\lambda\cdot\frac{A}{d}\end{cases}

Donde \scriptstyle d=\mathrm{mcd}(A,B) y \scriptstyle x_1 e \scriptstyle y_1 son una solución particular de la ecuación.

Solución particular[editar]

Para encontrar una solución particular usamos la identidad de Bézout junto al algoritmo de Euclides. Esto nos da x_1 \, e y_1 \,. Veamos el ejemplo:

Tenemos la ecuación diofántica 6x + 10y = 104

  1. Buscamos el d = mcd(6, 10). A través de el algoritmo de Euclides encontramos que d  = 2.
  2. Como d|C (donde "|" significa "divide a"), es decir, 2|104, Calculamos una solución particular mediante la Identidad de Bézout: x1 = 2 e y1 = -1. La ecuación quedaría así: 6 · 2 + 10 · (-1) = 2.
  3. Ahora tenemos una solución para la ecuación 6x + 10y = 2. Con x1 = 2 e y1 = -1. Si multiplicamos cada parte de la ecuación por C/d (104 / 2 = 52), tendremos la solución particular de nuestra ecuación original (6x + 10y = 104). La ecuación quedaría así: 6 · 2 · 52 + 10 · (-1) · 52 = 104
  4. Con lo que hemos visto arriba, buscamos la solución general:

\left\{\begin{array}{rccl} x &=& (2 \cdot 52) &+ \lambda \cdot \frac{10}{2} \\
 y &=& (-1 \cdot 52) &- \lambda \cdot \frac{6}{2}\end{array}\right.
 \forall \lambda \in \mathbb{Z}

Ecuación pitagórica[editar]

Se llama ecuación pitagórica a la ecuación x^2 + y^2 = z^2 \, con x,y,z \in \mathbb{Z}. Cualquier terna (x, y, z) solución de la ecuación anterior se conoce como terna pitagórica. Además si (x, y, z) es una terna pitagórica solución de la ecuación pitagórica también lo serán:

  1. La terna alternando x e y: (y, x, z).
  2. Una terna múltiplo (ky, kx, kz).
  3. Una terna con algún signo cambiado (-x, y, z), (x, -y, z) o (y, x, -z)
  4. Cualquier otra terna obtenida mediante una combinación de los procedimientos anteriores.

Se dice que una terna es primitiva, si el máximo común divisor de x, y, z es la unidad, es decir, mcd(x,y,z) = 1. En toda terna primitiva al menos uno de los números x o y es par y z es impar. Puede verse que en esas condiciones todas las ternas primitivas que son soluciones de la ecuación pitagórica son de la forma:

\begin{cases}
x = u^2 - v^2 \qquad y = 2uv  \qquad z = u^2 + v^2 \\ u,v \in \mathbb{N} \; \land \; u \neq v\ (\mbox{mod}\ 2) \; \land \; \mbox{mcd}(u,v) = 1 \end{cases}

[2]

Aporte de Platón[editar]

A Platón, baluarte liminar de la cultura occidental, se le debe un aporte sobre el caso cuando él formula como los lados de un triángulo rectángulo, en números enteros

2n, n^2-1, n^2+1

, sin duda alguna no tuvo influencia en el desarrollo matemático general. [3]

Ternas pitagóricas[editar]

Cuando los números enteros positivos u, v, w representan las longitudes de los lados de un triángulo, la terna ( (u, v, w) se dice que es una terna pitagórica. Por ejemplo ( 7,24,25) y ( 9, 40, 41) son ternas pitagóricas.[4]

Ecuación diofántica cúbica[editar]

La ecuación

 x^3+y^3 = 1 729

fue resuelta automáticamente por Ramunajan, quien dio como soluciones- contemplando las cifras que aparecían en la placa de un automóvil- los pares ordenados (1,12), (12,1) (10,9) (9,10) [5] .

Véase también[editar]

Notas y referencias[editar]

  1. Julián Espinoza de los Monteros ( Coordinador general).Diccionario de matemáticas, edición 2001, Cultural, S.A. Madrid. ISBN 84-8055-355-3
  2. La solución ya aparecía en la obra cumbre de Euclides, según HOfmann autor de Historia de la matemática ISBN 988-18-6286-4
  3. Hofmann. Op. cit.
  4. "El ingenio en las matemáticas" de Ross Honsberger (1994) ISBN 85731-14-X pág.120
  5. Anécdota comentada por el matemático británico Hardy

Bibliografía[editar]

Enlaces externos[editar]