Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.

Bài học

Điều kiện có nghiệm và công thức nghiệm tổng quát của $ax + by = c$

Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phát biểu được điều kiện để phương trình $ax + by = c$ có nghiệm nguyên, tìm được một nghiệm riêng bằng phép thử có định hướng, và viết đúng công thức nghiệm tổng quát dưới dạng một họ nghiệm phụ thuộc tham số $t$.
Kiến thức cần có
Em cần vững phép chia có dư và ước chung lớn nhất (ƯCLN) đã học ở Lớp 6. **Mở rộng dành cho HSG:** khái niệm "nghiệm tổng quát của phương trình vô định hai ẩn" không nằm trong chương trình chuẩn Lớp 8 — chương trình chuẩn chỉ dừng ở phương trình bậc nhất một ẩn và hệ hai phương trình bậc nhất hai ẩn xác định (có đúng một nghiệm). Ta đưa kỹ thuật này vào vì nó là công cụ bắt buộc cho toàn bộ chương này và Chương 5.
**So với đề chuẩn lớp 8:** một bài hệ phương trình thông thường cho hai phương trình để tìm đúng một cặp $(x, y)$. Nhưng phương trình $3x + 5y = 1$ chỉ có **một** phương trình với **hai** ẩn — nó không xác định một nghiệm duy nhất mà xác định cả một tập hợp nghiệm. Nếu không giới hạn $x, y$ là số nguyên, tập nghiệm này là một đường thẳng, vô số điểm. Bài HSG hỏi: trong số vô hạn điểm đó, đâu là các điểm có tọa độ nguyên?

Bài toán khởi động

Tìm tất cả các cặp số nguyên $(x, y)$ sao cho $3x + 5y = 1$. Thử vài giá trị nhỏ ($x = 2, y = -1$ cho $6 - 5 = 1$, đúng) thì tìm được một nghiệm — nhưng đề bài hỏi **tất cả**, và phép thử không cho biết có bao nhiêu nghiệm hay chúng có quy luật gì.

Ý tưởng cốt lõi

**Điều kiện có nghiệm.** Gọi $d = \gcd(a, b)$. Phương trình $ax + by = c$ có nghiệm nguyên khi và chỉ khi $d \mid c$. Chiều thuận: nếu có nghiệm $(x, y)$ thì $d$ chia hết cả $ax$ lẫn $by$ (vì $d \mid a$ và $d \mid b$), nên $d$ chia hết tổng $ax + by = c$. Chiều ngược lại dùng đẳng thức Bézout: thuật toán Euclid luôn tìm được hai số nguyên $u, v$ sao cho $au + bv = d$; nếu $d \mid c$, viết $c = dk$ rồi nhân hai vế đẳng thức Bézout với $k$ ta được $a(uk) + b(vk) = c$ — vậy $(uk, vk)$ là một nghiệm.
**Công thức nghiệm tổng quát.** Nếu $(x_0, y_0)$ là một nghiệm riêng bất kỳ đã tìm được, mọi nghiệm nguyên khác đều có dạng $x = x_0 + \dfrac{b}{d} t,\; y = y_0 - \dfrac{a}{d} t$ với $t$ là số nguyên tùy ý. Vì sao đúng dấu như vậy? Lấy hai nghiệm bất kỳ $(x_0, y_0)$ và $(x, y)$, trừ hai phương trình: $a(x - x_0) + b(y - y_0) = 0$, tức $a(x-x_0) = -b(y-y_0)$. Chia cả hai vế cho $d$ (hợp lệ vì $d \mid a$ và $d \mid b$), ta được $\frac{a}{d}$ và $\frac{b}{d}$ nguyên tố cùng nhau, buộc $\frac{b}{d}$ phải chia hết $(x - x_0)$ — đặt thương đó là $t$ thì ra đúng công thức trên.
**Vì sao nghĩ ra điều kiện này tự nhiên?** Một học sinh giỏi khi thấy phương trình chỉ có một ràng buộc cho hai ẩn sẽ hỏi ngay: "nghiệm có tồn tại không, và nếu có thì nhiều bao nhiêu?" Vì $\gcd(a,b)$ là số nguyên nhỏ nhất mà tổ hợp $ax+by$ có thể tạo ra (chính là nội dung đẳng thức Bézout), mọi giá trị $ax+by$ đạt được đều là bội của $d$ — không hơn, không kém. Điều kiện $d \mid c$ vì vậy không phải một mẹo, mà là hệ quả trực tiếp của định nghĩa ƯCLN.

Ví dụ áp dụng

Ví dụ
Ví dụ 1 — Giải bài toán khởi động: $3x + 5y = 1$
  1. 1
    $\gcd(3, 5) = 1$, và $1 \mid 1$ — phương trình chắc chắn có nghiệm nguyên.
  2. 2
    Thử trực tiếp với $x$ nhỏ: $x = 2 \Rightarrow 3 \times 2 = 6$, cần $5y = -5$, $y = -1$. Kiểm tra: $3(2) + 5(-1) = 6 - 5 = 1$ đúng. Nghiệm riêng: $(x_0, y_0) = (2, -1)$.
  3. 3
    Với $d = 1$: $x = 2 + \dfrac{5}{1}t = 2 + 5t$, $y = -1 - \dfrac{3}{1}t = -1 - 3t$, $t \in \mathbb{Z}$.
  4. 4
    Tập nghiệm là $\{(2+5t,\, -1-3t) : t \in \mathbb{Z}\}$ — vô số nghiệm, cách đều nhau theo bước nhảy $5$ ở $x$ và $-3$ ở $y$, không phải một nghiệm duy nhất như hệ hai phương trình quen thuộc.
  5. 5
    Ta có $\gcd(3,5) = 1$ và $1 \mid 1$, theo điều kiện có nghiệm, phương trình có nghiệm nguyên. Thử trực tiếp ta được nghiệm riêng $(x_0, y_0) = (2, -1)$ vì $3(2)+5(-1)=1$. Theo công thức nghiệm tổng quát với $d=1$: $x = 2+5t$, $y=-1-3t$ $(t \in \mathbb{Z})$. Vậy phương trình có vô số nghiệm nguyên $(x,y) = (2+5t,\, -1-3t)$ với $t$ nguyên tùy ý.
  6. 6
    Đổi vế phải từ $1$ thành $2$: nghiệm riêng của $3x+5y=1$ nhân đôi cho $3x+5y=2$, tức $(x_0,y_0) = (4,-2)$ (kiểm tra: $12-10=2$). Nghiệm tổng quát trở thành $x=4+5t$, $y=-2-3t$ — chỉ nghiệm riêng thay đổi theo hệ số vế phải, bước nhảy $5$ và $-3$ giữ nguyên vì chỉ phụ thuộc $a, b$.
Trục số từ -5 đến 25, đánh dấu năm giá trị x của họ nghiệm 3x+5y=1 ứng với t=0,1,2,3,4: 2, 7, 12, 17, 22, cách đều nhau 5 đơn vị.-50510152025
Các giá trị $x = 2 + 5t$ trải đều trên trục số với bước nhảy cố định $5$ — đúng bằng hệ số của $y$ trong phương trình gốc. Đây là hình ảnh trực quan của công thức nghiệm tổng quát: không phải một điểm, mà một cấp số cộng vô hạn các điểm nguyên.
Ví dụ
Ví dụ 2 — Nhận diện phương trình vô nghiệm: $4x + 6y = 7$
  1. 1
    $\gcd(4, 6) = 2$. Vế phải $7$ có chia hết cho $2$ không? Không, vì $7$ là số lẻ.
  2. 2
    Vì $2 \nmid 7$, phương trình $4x + 6y = 7$ **vô nghiệm nguyên** — không tồn tại bất kỳ cặp $(x, y)$ nguyên nào thỏa mãn, dù thử bao nhiêu số cũng vô ích.
  3. 3
    Vế trái $4x + 6y$ luôn là số chẵn với mọi $x, y$ nguyên (vì $4x$ chẵn và $6y$ chẵn, tổng hai số chẵn là số chẵn) — mà vế phải $7$ là số lẻ. Chẵn không thể bằng lẻ, nên phương trình vô nghiệm ngay từ cấu trúc, không phụ thuộc giá trị cụ thể của $x, y$.
  4. 4
    Ta có $\gcd(4,6)=2$. Xét tính chia hết của vế phải: $7$ không chia hết cho $2$ (vì $7$ lẻ). Theo điều kiện có nghiệm của phương trình $ax+by=c$, do $\gcd(4,6) \nmid 7$, phương trình vô nghiệm nguyên. Vậy không tồn tại cặp số nguyên $(x,y)$ nào thỏa $4x+6y=7$.
  5. 5
    Đổi vế phải từ $7$ thành $10$: $\gcd(4,6)=2$ và $2 \mid 10$, nên $4x+6y=10$ CÓ nghiệm — ví dụ $(x,y)=(1,1)$ vì $4+6=10$. Chỉ đổi tính chẵn lẻ của vế phải đã lật ngược kết luận, cho thấy vì sao bước kiểm tra điều kiện luôn phải làm **trước tiên**, trước khi mò nghiệm riêng.
Ví dụ
Ví dụ 3 — Khi $\gcd(a,b) > 1$ vẫn có nghiệm: $6x + 15y = 33$
  1. 1
    $\gcd(6, 15) = 3$. Vì $33 = 3 \times 11$, ta có $3 \mid 33$ — phương trình có nghiệm nguyên.
  2. 2
    Chia cả hai vế cho $d = 3$: $6x + 15y = 33 \Leftrightarrow 2x + 5y = 11$. Hai phương trình có đúng cùng một tập nghiệm nguyên, vì chia đều cả hai vế cho $3$ không làm mất hay sinh thêm nghiệm nào.
  3. 3
    $\gcd(2, 5) = 1$. Thử $x = 3$: $2(3) = 6$, cần $5y = 5$, $y = 1$. Nghiệm riêng $(x_0, y_0) = (3, 1)$. Nghiệm tổng quát: $x = 3 + 5t$, $y = 1 - 2t$.
  4. 4
    Nghiệm của $6x + 15y = 33$ là $(x, y) = (3 + 5t,\, 1 - 2t)$ với $t \in \mathbb{Z}$ — bài toán ban đầu có $\gcd(a,b) = 3 > 1$ nhưng vẫn giải được bằng cách quy về phương trình có $\gcd = 1$ trước.
  5. 5
    Ta có $\gcd(6,15)=3$ và $3 \mid 33$ nên phương trình có nghiệm nguyên (1). Chia hai vế cho $3$: $6x+15y=33 \Leftrightarrow 2x+5y=11$, hai phương trình tương đương trên $\mathbb{Z}$ (2). Giải $2x+5y=11$ với $\gcd(2,5)=1$: nghiệm riêng $(x_0,y_0)=(3,1)$ vì $2(3)+5(1)=11$. Nghiệm tổng quát: $x=3+5t$, $y=1-2t$ $(t\in\mathbb{Z})$. Kết hợp (1) và (2), vậy $6x+15y=33$ có nghiệm nguyên $(x,y)=(3+5t,\,1-2t)$ với $t$ nguyên tùy ý.
  6. 6
    Đổi hệ số thành $6x+15y=32$: $\gcd(6,15)=3$ nhưng $3 \nmid 32$ (vì $32=3\times10+2$) — phương trình này vô nghiệm, dù rất giống bài gốc chỉ khác vế phải $1$ đơn vị. Luôn kiểm tra lại điều kiện chia hết mỗi khi đổi vế phải, không suy ra từ bài đã giải trước đó.
Bẫy thường gặp
(1) Mò nghiệm cho một phương trình chưa kiểm tra điều kiện $\gcd(a,b) \mid c$ — nếu vô nghiệm, phép thử sẽ không bao giờ dừng. (2) Viết sai dấu công thức nghiệm tổng quát: $y = y_0 - \dfrac{a}{d}t$ có dấu **trừ**, không phải cộng — nhầm dấu khiến nghiệm tính ra không thỏa mãn phương trình gốc. (3) Nghĩ nghiệm riêng là duy nhất: hai người có thể tìm ra hai nghiệm riêng khác nhau (ứng với $t$ khác nhau) nhưng vẫn mô tả đúng cùng một họ nghiệm — không cần tìm đúng nghiệm riêng "chuẩn" nào cả.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Thử thách

Điều cần nhớ
Phương trình $ax+by=c$ có nghiệm nguyên khi và chỉ khi $\gcd(a,b) \mid c$ — luôn kiểm tra điều kiện này **trước** khi tìm nghiệm riêng. Khi có nghiệm, một nghiệm riêng $(x_0,y_0)$ cộng với bước nhảy $\left(\dfrac{b}{d}, -\dfrac{a}{d}\right)$ sinh ra toàn bộ họ nghiệm — nhớ đúng dấu trừ ở $y$. Khi $\gcd(a,b)>1$, chia cả phương trình cho $\gcd$ trước để đưa về dạng có $\gcd=1$, dễ tìm nghiệm riêng hơn.
**Bài tiếp theo:** câu hỏi Thử thách cuối bài cho thấy ta có thể đếm số nghiệm $x$ nằm trong một khoảng bằng cách chặn tham số $t$. Bài học tiếp theo dùng đúng kỹ thuật này để tìm nghiệm nguyên **dương** — dạng bài xuất hiện thường xuyên nhất trong đề thi HSG khi phương trình gắn với một bài toán đếm hoặc chia phần thực tế.