在这个解中,A 的值并不取决于 ′, ″, 的值(有无穷多种不同的方式确定) ;但是,如果对这些数赋予不同的值,B 就有不同的值。所以,研究所有这些B 的值如何联系,是很有意义的。为此,我们指出以下两点:
1.不论如何确定 , ′, ″, 的值,B 的值都对于模A 彼此同余。假设,如果 ,就有 。但是,如果取 ,就有 。那么,就有
如果在第2个等式的左边乘以 ,右边乘以μ ,并从第1个乘积中减去 ,那么根据第1个等式,它显然等于0。我们通过计算并合并同类项后,得到
显然,μ 2 能够被aa ′整除, 能够被 即A 整除,并且
2.如果数 的值 使得B = ,那么,我们就可以求出这些数的其他的值,使得B 等于任何对于模A 同余于 的数,例如 +kA 。首先,我们指出,这4个数μ ,c ,c ′,b -b ′不可能有公约数;因为,如果存在公约数,那么它就能整除a ,a ′,b +b ′,c ,c ′,b -b ′这6个数,因而也能整除a ,2b ,c 和a ′,2b ′,c ′,进而也就能整除m 和m ′。而根据假设,m 和m ′是互质的。所以,我们可以找到4个整数h ,h ′,h ″,h 使得
并且,如果令
显然, 都是整数,并且
由第1个等式可知, ,也是 的值;由第2个等式可知,这些值使得 。证明完毕。很清楚的是,我们总是可以这样选取B :当A 是正数时,使得它位于0到A -1之间(包含边界) ;当A 是负数时,使得它位于0到-A -1之间(包含边界) 。
243
由等式
我们可以推导出
因而
如果 和 互质,那么在0到A -1之间(当A 为负数时,在0到-A -1之间) 只有一个数满足对于模 同余于b 并且对于模 同余于b ′的条件。如果令这个数等于B ,且 ,显然,(A ,B ,C) 就是由型(a ,b ,c )和(a ′,b ′,c ′)合成的。所以,在这种情况下,为了求出合成型,没有必要考虑数 [34] 。例如,求由型(10,3,11)和(15,2,7)合成的型。由已知条件可得出a ,a ′,b +b ′分别等于10,15,5;μ =5。因此,A =6,B ≡3(mod 2)且B ≡3(mod 3),我们可得出,B =5,从而(6,5,21)就是要求的型。但是, 和 互质这一条件等价于数a 和a ′必然有能整除3个数a ,a ′,b +b ′的公约数,或者也就是说,数a 和a ′的最大公约数也整除数b +b ′。注意以下几种特殊情况。
1.假如有两个行列式为D 的型(a ,b ,c )和(a ′,b ′,c ′),并且数a ,2b ,c 的最大公约数与数a ′,2b ′,c ′的最大公约数互质,且a 与a ′互质;那么,只要取A =aa ′,B ≡b (mod a ),B ≡b ′(mod a ′), ,就得到了这两个型合成的型(A ,B ,C )。这种情况总是可能发生,即:要合成的型中有一个是主型,a =1,b =0,c =-D 。那么,A =a ′,B 可以取b ′,从而就有C =c ′;那么,由一个主型和有相同行列式的任意另外的型合成的型,就是另外那个型自身 。
2.如果要把两个相反 的正常原始型,即(a ,b ,c )和(a ,-b ,c )合成起来,就有μ =a 。不难看出的是,主型(1,0,-D )就是由这两个型合成的。
3.如果给定任意个行列式相同的正常原始型(a ,b ,c ),(a ′,b ′,c ′),(a ″,b ″,c ″),…它们的首项a ,a ′,a ″,…互质;那么,只要取A 等于所有的首项a ,a ′,a ″,…的乘积,取B 是对于模a ,a ′,a ″,…分别同余于b ,b ′,b ″,…的数,并且取 ,就可以求出由这些正常原始型合成的型(A ,B ,C )。因为,由型(a ,b ,c )和(a ′,b ′,c ′)合成的型是 ,由合成的型再和(a ″,b ″,c ″)合成的型是(aa ′a ″,B , ,…。
4.反过来,假设给定一个行列式为D 的正常原始型(A ,B ,C )。如果把首项A 分解为任意个互质的因数a ,a ′,a ″,…;取数b ,b ′,b ″,…要么都等于B ,要么选择对于模a ,a ′,a ″,…分别同余于B 的数;选择c ,c ′,c ″,…,使得ac =b 2 -D ,a ′c ′=b ′b ′-D ,a ″c ″=b ″b ″-D ,…;那么,型(A ,B ,C )就由型(a ,b ,c ),(a ′,b ′,c ′),(a ″,b ″,c ″),…合成,或者就说型(A ,B ,C )可以分解成 这些型。当(A ,B ,C )是反常原始型或者是由反常原始型推导出的型时,不难证明也有相同的定理成立。那么,任何型都可以以这种方式分解为行列式相同的其他的型,其中行列式的首项要么是质数,要么是质数幂。如果想把几个型合成一个型时,这种型的分解常常是非常有用的。例如,如果想把型(3,1,134),(10,3,41),(15,2,27)合成一个型,先把第2个型分解成(2,1,201)和(5,-2,81),再把第3个型分解成(3,-1,134)和(5,2,81)。显然,由5个型(3,1,134),(2,1,201),(5,-2,81),(3,-1,134),(5,2,81)以任意次序合成的型,也就是由最初3个给定的型合成的型。那么,第1个型和第4个型的合成给出了主型(1,0,401),第3个型和第5个型合成得到了相同的结果,所以由全部5个型的合成得到型(2,1,201)。
5.由于这种方法很实用,这里值得我们进行更充分的讲解。由前面的分析可知,只要这些给定的行列式相同的型是正常原始型,这个问题就可以简化为行列式首项是质数幂的型的合成的问题(之所以说是质数幂,是因为质数可以看成它自身的1次幂) 。由此,我们应当首先讨论一种特殊情况,即两个正常原始型(a ,b ,c) 和(a ′,b ′,c ′)的合成,其中a 和a ′是同一个 质数的幂。设 ,其中h 是质数,并且假设κ 不小于λ (这是可以的) 。那么,h λ 就是数a 和a ′的最大公约数。如果它也整除b +b ′,就得到了在本条目刚开始讨论的情况,并且如果A =h κ -λ ,B ≡b (mod h κ -λ ) 且B ≡b ′ (mod 1)(后面这个条件是显然的,可以忽略) ;那么(A ,B ,C) 就是合成型,且C =(B 2 -D )/A 。如果h κ 不整除b +b ′,这两个数的最大公约数就一定也是h 的幂。设这个最大公约数等于h v 且ν <λ (如果h λ 和hb +b ′互质,则v =0) 。如果这样去确定 使得
并且任意选取 ,那么,只要取
(A ,B ,C )就是合成型。但是,我们不难发现,在这种情况下, ′也可以任意选取,那么取 ,有
或者,更一般地有
这里k 是一个任意数(上个条目) 。这个简单的表达式里只有 ,它是表达式 (mod h λ ) [35] 的值。例如,求由型(16,3,19)和(8,1,37)合成的型。由条件可知h =2,κ =4,λ =3,v =2。那么,A =8, 是表达式 (mod 8)的值,比如取1,那么B =8k -73。如果令k =9,B =-1,C =37,(8,-1,37)就是要求的型。
那么,如果给定任意个数的首项都是质数幂的型,应当检查它们之中是否有某些型的首项是同一个 质数的幂,如果有的话,那么这些型就可以按照刚刚我们指出的方式合成。按照这种方式,我们就得到一组型,它们的首项就是完全不同的质数的幂。这个型是由在第3个分析里可以找到的型构成的。例如,给定型(3,1,47),(4,0,35),(5,0,28),(16,2,9),(9,7,21),(16,6,11)。由第1个型和第5个型得到型(27,7,7);由第2个型和第4个型得到(16,-6,11);由这个型和第6个型得到(1,0,140),它是可以忽略的。因此,还剩下(5,0,28)和(27,7,7)。由这两个型得到(135,-20,4),用和它等价的型(4,0,35)代替它,这就是由6个给定的型合成的型。
以类似的方式,我们还可以得到很多有用的方法,但为了不扩大研究范围,我们省略更加详细的讨论,继续探讨更加困难的问题。
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如果数a 可以用某个型f 来表示,数a ′可以用型f ′表示,并且型F 能够变换为ff ′,那么,我们不难发现,乘积aa ′就能够由型F 表示。由此可立即推出,如果这些型的行列式都是负数,当f 和f ′都是定正型或都是定负型时,则型F 是定正型;反过来,当f 和f ′中有一个是定正型,另一个是定负型时,那么F 就是定负型。我们来具体研究一下上个条目中讨论的情况,即F 是由f 和f ′合成,且f ,f ′,F 具有相同的行列式D 。假设数a 和a ′可以由f 和f ′用互质的不确定数的值表示,数a 属于表达式 (mod a )的值b ,a ′属于表达式 (mod a ′)的值b ′,并且设b 2 -D =ac ,b ′b ′-D =a ′c ′。那么,由条目168可知,型(a ,b ,c )和(a ′,b ′,c ′)就分别正常等价于型f 和f ′,因而F 就由这两个型合成。但是,如果设数a ,a ′,b +b ′的最大公约数是μ ,并且设 ,对于模 和 ,B 分别同余于b 和同余于b ′,AC =B 2 -D ,那么型(A ,B ,C )就由相同的型合成;从而这个型就与型F 是正常等价的。如果设x =μ ,y =0(它们的最大公约数是μ) ,数aa ′就可以由型Ax 2 +2Bxy +cy 2 表示;因此,aa ′也可以由型F 以这样的方式表示,使得不确定数的值以μ 作为最大公约数(条目166) 。因此,当μ =1时,aa ′就可以由型F 用互质的不确定数的值表示,且这一表示属于表达式 (mod aa ′)的值B ,它对于模a 和模a ′,分别同余于b 和b ′。当a 和a ′互质时,条件μ =1总是成立;或者更加一般地,当a 和a ′的最大公约数与b +b ′互质时,这一条件也总是成立。