弗羅貝尼烏斯問題

弗羅貝尼烏斯問題

弗羅貝尼烏斯問題(Frobenius problem)是關於一次不定方程的一個著名問題。設a1,a2,…,an為整數,它們的最大公約數為1,求不能表示成a1x1+a2x2+…+anxn的最大整數,其中x1,x2,…,xn為任意非負整數。這個問題稱為一次不定方程的弗羅貝尼烏斯(Frobenius)問題,也稱為換錢問題 。

基本介紹

設n≥2,a,a,…,a都是正整數,(a,a,…,a)=1,再設x≥0 (i=1,2,…,n)的線性型ax+ax+…+ax不能表出的最大整數為g(a,a,…,a),即對大於它的任意整數m,存在整數x≥0 (i=1,2,…,n),使ax+ax+…+ax=m,研究g(a,a,…,a)的存在性及其解法,就是關於丟番圖方程ax+ax+…+ax=c的 弗羅貝尼烏斯問題

該問題不僅在不定方程理論上有重要意義,還在規劃論、計算技術、合理下料、合理派工等方面都有實際套用。對此問題,目前研究的結果為:當n=2時,g(a,a)=aa-a-a;在n≥3時,關於g(a,a,…,a)尚無一般表示式,但在多種情形已有些不同的方法。例如,當a>aa/(a,a) -(a+a)/(a+a)時,可算得g(a,a,a)=aa/(a,a)+a(a,a)-a-a-a,由於g(a,a,a)=g(a,a,a)=g(a,a,a),上麵條件及結果中的a,a,a可以輪換,對於一般的n有

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其中d=(a,a,…,a) (i=2,3,…,n),d=a(d=1) 。

相關證明

n=2時,易知所求的數為aa-a-a證明如下 :

首先,設m>aa-a-a方程

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的全部解可寫成

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其中是(1)的任一組整數解,t為任意整數。可以假定0≤x₂<a (否則將x₂加上或減去若干個a₁),這時

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因此,x₁≥0,即m=ax+ax,x,x都是非負整數 。

另一方面,若

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其中x,x為非負整數,則

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從而。

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因為,所以從而

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矛盾。

所以,aa-a-a是不能表示成ax+ax(x,x為非負整數)的最大整數。

n=3的情況,直至1978年才由E.S.Selmer與Ö.Beyer利用連分數給出有顯表達式的解答,同年O.J.Rodseth對他們的解答作了簡化,1988年,H.Greenberg進一步作了簡化,使所用步驟量為O(log a)。

n≥4時,尚無一般公式 。

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