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連分数の周期を数えると基本単数が出る、ペル方程式との対応

の基本単数を求めてください。

総当たりでも出ます。 に を順に入れると、 で 、つまり が見つかる。 です。

が小さいうちに当たったので楽でした。 が変わると が 桁まで伸びることもあります。順に試す代わりに、 の連分数を回します。

の連分数を作る

整数部分を抜き出しては逆数をとる、をくり返します。

なので整数部分は 。残り の逆数は で、整数部分は 。

同じ操作を続けると 、、 と並び、整数部分は 、、。ここで になり、以降は同じ並びがくり返されます。

次の無理数の連分数は必ず途中から周期的になります。オイラーとラグランジュの定理です[3]。

収束分数を並べて値を見る

途中で打ち切った分数を収束分数と呼びます。、 で順に作れます。

判定
まだ
まだ
まだ
当たり
周目
周目

で が出ました。周期の 手前がちょうどこの位置です。答えは で、ノルムは 。

には解がありません。表の値に が一度も現れないのがその印です。

周期の長さでノルムが決まる

の連分数の周期が奇数なら が解け、偶数なら解けません。

の周期基本単数のノルム
(奇)
(偶)
(偶)
(奇)
(奇)
(奇)

は周期 。最初の収束分数 で となり、 です。

も周期 で、 から 。 になります。

は周期 。収束分数は で 、 で 。 でノルムは です。

では手順が変わる

で基本単数を求めてください。

なので整数環は 。分母 が許されるぶん、単数の候補が増えます。

解くべき式は で、 と の偶奇をそろえます。 とすると 、つまり か 。 が当たりです。

で、ノルムは 。値は約 です。

の連分数から入ると別のものが出ます。収束分数を進めると で となり、。これは です[2]。

の連分数が拾うのは分母 を許さない範囲の単数だけです。

では真の基本単数の 乗か 乗が出る。 を直接解くほうが速い。

でも同じことが起きます。 の最初の収束分数 から 、つまり 。ところが には という解があり、 です。 になります。

べきを並べると解が全部出る

基本単数が決まれば、あとはべきを並べるだけです。ノルムが のべきがペル方程式 の解になります。

を 乗すると 。実際 です。

乗は で、。ペル方程式の解が無限に並びます[1]。

で何が起きるか

の基本単数を求めてください。

なので を解きます。 を から順に上げると、 で が当たる。

で、ノルムは 。値は約 です。

ここまでは軽い計算です。ところがノルムが なので、 を解くには 乗が要ります。その最小解は 、。

が という小さい数なのに、解が 桁になる。 で止めておけば で済んだところが、 にこだわると が 桁まで伸びます。

は平方因子つき なので に直す
、ノルム
、ノルム
は平方因子つき なので に直す

隣り合う でも基本単数の大きさに規則がありません[2]。 では 桁で収まり、 ではペル方程式の解が 桁になります。

に整数解はありますか。

  • ある。 を大きくすれば見つかる
  • ない。 の連分数の周期が偶数だから
  • ない。 が素数だから
__RESULT__

で周期は 、偶数です。周期が偶数のときは基本単数のノルムが になり、すべての単数のノルムが 。 は解けません。周期が奇数の 、、、 では解けます。

連分数を回す、収束分数の値を見る、 で割った余りで か を選ぶ。この 点さえ守れば、基本単数は手で出せます。

参考

Pell equation - Encyclopedia of Mathematics
Keith Conrad, *Dirichlet's unit theorem*, University of Connecticut
Continued fraction - Encyclopedia of Mathematics
$\sqrt{7} = [2; \overline{1,1,1,4}]$ の収束分数で $p^2 - 7q^2$ を並べると $-3, +2, -3, +1$ とくり返し、$\frac{8}{3}$ で当たって $\varepsilon = 8 + 3\sqrt{7}$。周期が偶数なので $x^2 - 7y^2 = -1$ は解けません。$d \equiv 1 \pmod 4$ では話が変わり、$d = 13$ は $x^2 - 13y^2 = \pm 4$ から $\frac{3+\sqrt{13}}{2}$、$\sqrt{13}$ の連分数が出す $18 + 5\sqrt{13}$ はその 3 乗です。$d = 61$ で $\varepsilon$ は 2 桁なのに、$x^2 - 61y^2 = 1$ の最小解が 10 桁になる話まで。解答は各問のすぐ後に置いています。