将 的右边改成 ,存在性就不再自动成立。,而 没有整数解。后者甚至允许 有解,所以一次同余检查仍不足以决定答案。
形式陈述
设 为非平方整数理路整数Integer · Integer number · ℤ把自然数差的不同表示按等价关系识别后得到的有序环。, 的简单连分数最小周期长度为 。则
若 为奇数,按零起始索引取
它是最小正解对应的数,且全部整数解恰为
正坐标解 对应正号和 。正Pell方程的基本单位则是 。如果 为偶数,负Pell没有整数解,但正Pell仍有基本解。
直觉
周期末端还要与负号相遇
Pell方程理路Pell 方程的基本解与全部整数解Pell equation · Pell–Fermat equation · Pell方程由周期连分数求正Pell基本解,证明足够精确的有理逼近必为收敛分数,再以范数一单位的缩减证明所有整数解来自基本解的幂。页已经证明两件关键事实。第一,任何正的 解都必须是 的收敛分数,因为它满足严格的 逼近门槛。第二,收敛分数与整数状态满足
因此负Pell解出现,恰好要求 且 为奇数。
周期状态定理理路二次无理数的周期连分数Periodic continued fractions of quadratic irrationals · Lagrange periodic continued fraction theorem · 二次无理数的 Lagrange 周期定理以有界整数状态证明二次无理数的连分数最终周期,并为平方根建立无小数误差的周期计算与准确停止规则。又说明 恰在 。如果 为偶数,这些索引全是偶数,只可能产生范数正一。如果 为奇数,第一次索引 就产生负一,其后恰在奇数倍周期末端再次出现。这给出充要条件,而不只是“试完若干收敛分数没找到”的经验判断。
第一个负一收敛分数具有最小正分母,因而给出最小正 。对固定负范数, 也随 增长,所以同一答案使 最小。
负范数的基本解为何平方成正基本解
设 是最小负Pell正解, 是正Pell基本单位。奇周期时,负一答案出现在第一轮末端,正一答案在第二轮末端,故 。同时 是一个正Pell解,必有 。
若严格小于,商 具有整数坐标,因为 仍有整数坐标。它的范数为负一,且
一个范数负一的数 ,坐标为
于是这个商会给出更小的负Pell正解,矛盾。因此 。
现在任取一个负Pell解 。商 的范数为正一,且仍有整数坐标;正Pell的全部解定理给出 。所以 ,这证明了整个列表的覆盖性。反过来,奇次幂的范数确实为负一,故列表没有混入别的对象。
例子与边界
D=13:第一轮产生负一
的周期长度五为奇数。第一轮末端的收敛分数是 ,因此
平方后
下一组负Pell正解来自三次幂,而不是二次幂:
其范数仍为负一。乘以 会改变范数符号,乘以 才会留在同一条负范数方程中。
D=34:模根存在,整数负Pell仍无解
精确状态计算给出
第一轮收敛分数为 ,相应范数为 。周期为偶数,后续周期末端仍只有正一,故负Pell无解;正Pell基本解则是 。
可是 ,所以 在模34下确实有平方根。把这个模根交给两平方和算法理路Cornacchia 算法:两平方和构造Cornacchia algorithm · Cornacchia sum-of-two-squares algorithm · Cornacchia 两平方和算法给定−1的模平方根,以截断欧几里得余数链构造本原两平方和,用余数和系数双不变量证明平方根阈值后的结果恰好等于模数。,会得到 。这与负Pell无解完全相容:两平方和方程和 是两种不同的整数问题,同一条必要同余没有让它们变成等价问题。
简单同余能排除什么
若某奇素数 整除 ,负Pell等式模 后要求 ,与负一二次剩余判据理路二次剩余Quadratic residue模奇素数同余于某个平方的非零剩余类。冲突。若 ,模4同样要求平方同余于三。因此可解时, 没有3模4素因子,且 。
这些筛选很便宜,却不是充分条件。34只有素因子2和17,而且不被4整除,仍被偶周期排除。本页没有声称检查一个模数就等于检查所有局部条件;更没有把任何有限组同余试验当成全局可解性证明。
推论与应用
有限的无解证书
对于负Pell,完整、最小且长度为偶数的周期表就是一份无解证书。核验者检查每一步整数状态、首次回返与周期长度,再应用已经证明的范数索引公式,便排除了所有整数解,不需要运行一个永远不停止的搜索。
只给一段部分商列表不够:例如看到 不能断定周期为一。要交付的是完全商状态的闭合循环及其最小性,而不只是肉眼能认出的重复文字。
固定右端时选对单位
在广义Pell范数轨道理路广义 Pell 方程的有限范数轨道Generalized Pell norm orbits · Finite orbit reduction of generalized Pell equations · 广义Pell方程的有限种子用整数范数一单位把固定非零右端的广义Pell解缩减到半开基本区间,证明有限且不重复的种子搜索界,并完整列出D=13、N=4的三条轨道。中,乘以范数一单位保持右端 ;乘以范数负一单位把 变成 。即使两个方程都可解,它们仍是不同的纤维。上例的 可在正负纤维之间建立对应, 才在各自纤维内移动。
因此“找到一个单位”还不够。构造递推之前,应先检查它所在的整数环、范数符号,以及要保持的是哪条方程。这三项条件在D=13的例子中都能逐式复算。
参考资料