弗罗贝尼乌斯问题

更新时间:2023-01-01 18:27

弗罗贝尼乌斯问题(Frobenius problem)是关于一次不定方程的一个著名问题。设a1,a2,…,an为整数,它们的最大公约数为1,求不能表示成a1x1+a2x2+…+anxn的最大整数,其中x1,x2,…,xn为任意非负整数。这个问题称为一次不定方程的弗罗贝尼乌斯(Frobenius)问题,也称为换钱问题。

基本介绍

设n≥2,a1,a2,…,an都是正整数,(a1,a2,…,an)=1,再设xi≥0 (i=1,2,…,n)的线性型a1x1+a2x2+…+anxn不能表出的最大整数为g(a1,a2,…,an),即对大于它的任意整数m,存在整数xi≥0 (i=1,2,…,n),使a1x1+a2x2+…+anxn=m,研究g(a1,a2,…,an)的存在性及其解法,就是关于丢番图方程a1x1+a2x2+…+anxn=c的弗罗贝尼乌斯问题。

该问题不仅在不定方程理论上有重要意义,还在规划论、计算技术、合理下料、合理派工等方面都有实际应用。对此问题,目前研究的结果为:当n=2时,g(a1,a2)=a1a2-a1-a2;在n≥3时,关于g(a1,a2,…,an)尚无一般表示式,但在多种情形已有些不同的方法。例如,当a3>a1a2/(a1,a2)2-(a1+a2)/(a1+a2)时,可算得g(a1,a2,a3)=a1a2/(a1,a2)+a3(a1,a2)-a1-a2-a3,由于g(a1,a2,a3)=g(a2,a3,a1)=g(a3,a1,a2),上面条件及结果中的a1,a2,a3可以轮换,对于一般的n有

其中di=(a1,a2,…,ai) (i=2,3,…,n),d1=a1(dn=1)。

相关证明

n=2时,易知所求的数为a1a2-a1-a2,证明如下:

首先,设m>a1a2-a1-a2,方程

的全部解可写成

其中是(1)的任一组整数解,t为任意整数。可以假定0≤x2

因此,x1≥0,即m=a1x1+a2x2,x1,x2都是非负整数。

另一方面,若

其中x1,x2为非负整数,则

从而。

因为,所以从而

矛盾。

所以,a1a2-a1-a2是不能表示成a1x1+a2x2(x1,x2为非负整数)的最大整数。

n=3的情况,直至1978年才由E.S.Selmer与Ö.Beyer利用连分数给出有显表达式的解答,同年O.J.Rodseth对他们的解答作了简化,1988年,H.Greenberg进一步作了简化,使所用步骤量为O(log a)。

n≥4时,尚无一般公式。

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