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explore-diophantine-equations

pjt222
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À propos

Cette compétence résout des équations diophantiennes, en trouvant des solutions exclusivement entières pour des équations linéaires, quadratiques et de type Pell. Elle met en œuvre des algorithmes clés comme l'algorithme d'Euclide étendu et des méthodes de descente pour générer des solutions, telles que les triplets pythagoriciens, ou pour prouver la non-existence via des contraintes modulaires. Utilisez-la lorsque vous avez besoin de toutes les solutions entières à des problèmes comme ax + by = c ou pour trouver la solution fondamentale de l'équation de Pell.

Installation rapide

Claude Code

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Principal
npx skills add pjt222/agent-almanac -a claude-code
Commande PluginAlternatif
/plugin add https://github.com/pjt222/agent-almanac
Git CloneAlternatif
git clone https://github.com/pjt222/agent-almanac.git ~/.claude/skills/explore-diophantine-equations

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Documentation

Explore Diophantine Equations

Solve Diophantine equations — polynomial w/ integer-only solutions. Classify by type, test solvability, find particular + general, generate families. Linear, Pell, Pythagorean, general quadratic.

Use When

  • All integer solutions ax + by = c
  • Pell's x^2 - Dy^2 = 1 (or = -1)
  • Pythagorean triples or parametric families
  • Prove no integer solutions (modular constraints)
  • Test solvability general quadratic Diophantine
  • Fundamental solution from which all others generate

In

  • Required: Equation explicit form (e.g., 3x + 5y = 17 or x^2 - 7y^2 = 1)
  • Optional: Find all solutions, 1 particular, or prove non-existence
  • Optional: Constraints (positive integers only)
  • Optional: Express general parametrically
  • Optional: Proof technique (constructive, descent, modular obstruction)

Do

Step 1: Classify

Determine structure → select method.

  1. Linear: ax + by = c (a, b, c integers, x, y unknown).

    • Method: Extended Euclidean.
  2. Pell: x^2 - Dy^2 = 1 (or -1, or N) (D positive non-square).

    • Method: Continued fraction of sqrt(D).
  3. Pythagorean: x^2 + y^2 = z^2.

    • Method: Parametric x = m^2 - n^2, y = 2mn, z = m^2 + n^2.
  4. General quadratic: ax^2 + bxy + cy^2 + dx + ey + f = 0.

    • Method: Complete square, reduce to Pell or simpler, or modular constraints.
  5. Higher-order/special: Fermat-type (x^n + y^n = z^n, n > 2), sum of squares, other.

    • Method: Modular obstruction, descent, known impossibility.

Record classification + method.

→ Precise classification + strategy.

If err: no standard type → try substitution/transformation to known form. x^2 + y^2 + z^2 = n via Legendre's 3-square. No reduction → modular (Step 4).

Step 2: Linear Diophantine (if linear)

Solve ax + by = c for integer x, y.

  1. Compute g = gcd(a, b) via Euclidean.

  2. Test: Solutions iff g | c.

    • g !| c → prove non-existence: "gcd(a, b) = g, g doesn't divide c → no integer solutions."
    • Stop.
  3. Simplify: Divide by g → (a/g)x + (b/g)y = c/g, gcd(a/g, b/g) = 1.

  4. Particular via extended Euclidean:

    • 1 = (a/g)*s + (b/g)*t via back-substitution.
    • Multiply c/g: (c/g) = (a/g)(sc/g) + (b/g)(tc/g).
    • Particular: x0 = s * (c/g), y0 = t * (c/g).
  5. General:

    • x = x0 + (b/g)*k
    • y = y0 - (a/g)*k
    • All integers k.
  6. Apply constraints (positive solutions):

    • Solve x0 + (b/g)*k > 0 + y0 - (a/g)*k > 0 for k.
    • Range valid k or state no positive.

Example (15x + 21y = 39):

gcd(15, 21) = 3. Does 3 | 39? Yes.
Simplify: 5x + 7y = 13.
Extended Euclidean: 1 = 3*5 - 2*7.
Multiply by 13: 13 = 39*5 - 26*7.
Particular: x0 = 39, y0 = -26.
General: x = 39 + 7k, y = -26 - 5k, k in Z.
Check (k=0): 5*39 + 7*(-26) = 195 - 182 = 13. Correct.

→ General family (x, y) parameterized by k + verified particular.

If err: particular wrong → re-check extended Euclidean back-sub step-by-step. Common: sign mistake. Verify: a * x0 + b * y0 = c exactly (not modulo).

Step 3: Pell (if Pell)

Solve x^2 - Dy^2 = 1 (D positive non-square).

  1. Verify D non-square: D = k^2 → x^2 - k^2*y^2 = (x - ky)(x + ky) = 1 → x - ky = x + ky = ±1 → y = 0, x = ±1 (trivial). Only interesting non-square D.

  2. Continued fraction sqrt(D):

    • Init: a0 = floor(sqrt(D)), m0 = 0, d0 = 1.
    • Iterate: m_{i+1} = d_i * a_i - m_i, d_{i+1} = (D - m_{i+1}^2) / d_i, a_{i+1} = floor((a0 + m_{i+1}) / d_{i+1}).
    • Until sequence a_i repeats (periodic after a0).
    • Record period r.
  3. Fundamental from convergents:

    • Compute p_i / q_i.
    • p_{r-1} / q_{r-1} (end of 1st period) → fundamental:
      • r even: (x1, y1) = (p_{r-1}, q_{r-1}) solves x^2 - Dy^2 = 1.
      • r odd: (p_{r-1}, q_{r-1}) solves x^2 - Dy^2 = -1 (negative Pell). (p_{2r-1}, q_{2r-1}) solves positive.
  4. Further solutions from (x1, y1):

    • Recurrence: x_{n+1} + y_{n+1} * sqrt(D) = (x1 + y1 * sqrt(D))^{n+1}.
    • Equiv: x_{n+1} = x1 * x_n + D * y1 * y_n, y_{n+1} = x1 * y_n + y1 * x_n.
  5. Present fundamental + recurrence.

Fundamentals small D:

D(x1, y1)D(x1, y1)D(x1, y1)
2(3, 2)7(8, 3)13(649, 180)
3(2, 1)8(3, 1)14(15, 4)
5(9, 4)10(19, 6)15(4, 1)
6(5, 2)11(10, 3)17(33, 8)

→ Fundamental (x1, y1) verified by substitution + recurrence.

If err: continued fraction no converge to period → check iteration. Period r can be large (D = 61 → r = 11, fundamental (1766319049, 226153980)). Large D → computational tools not manual.

Step 4: Modular Constraints (general quadratic/higher)

Prove no integer solutions via modular obstruction.

  1. Choose modulus m (typ 2, 3, 4, 5, 7, 8, 16).

  2. Enumerate residues: Compute LHS mod m for all possible var residues.

  3. Check combination gives RHS mod m.

    • None works → no solution (obstruction).
  4. Common obstructions:

    • Squares mod 4: n^2 = 0 or 1 (mod 4). x^2 + y^2 = c no solution if c = 3 (mod 4).
    • Squares mod 8: n^2 = 0, 1, 4 (mod 8). x^2 + y^2 + z^2 = c no solution if c = 7 (mod 8).
    • Cubes mod 9: n^3 = 0, 1, 8 (mod 9). x^3 + y^3 + z^3 = c may obstruct certain c mod 9.
  5. No obstruction found → modular can't prove non-existence. Solutions may or may not → constructive or descent.

Quadratic residues ref:

ModSquares (residues)
3{0, 1}
4{0, 1}
5{0, 1, 4}
7{0, 1, 2, 4}
8{0, 1, 4}
11{0, 1, 3, 4, 5, 9}
13{0, 1, 3, 4, 9, 10, 12}
16{0, 1, 4, 9}

→ Proof non-existence or statement no obstruction at tested moduli.

If err: modular inconclusive → infinite descent: assume solution, derive strictly smaller, repeat → contradict positivity. Classic for x^4 + y^4 = z^2 no non-trivial.

Step 5: Generate Families

Express all solutions via fundamental + integer params.

  1. Linear: x = x0 + (b/g)*k, y = y0 - (a/g)*k (Step 2).

  2. Pell: Recurrence Step 3 → first several:

    (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), ...
    

    List ≥3-5 as sanity check.

  3. Pythagorean: Primitive triples from m > n > 0, gcd(m, n) = 1, m - n odd:

    • a = m^2 - n^2, b = 2mn, c = m^2 + n^2.
    • All primitives arise (up to swap a, b).
  4. General: Parametric if possible. Curve genus 0 → rational parametrization. Genus ≥1 → may be finitely many (Faltings for genus ≥ 2).

  5. Verify ≥3 family members by substitution.

Example (Pell, D = 2):

Fundamental: (x1, y1) = (3, 2). Check: 9 - 2*4 = 1. Correct.
(x2, y2) = (3*3 + 2*2*2, 3*2 + 2*3) = (17, 12). Check: 289 - 2*144 = 1.
(x3, y3) = (3*17 + 2*2*12, 3*12 + 2*17) = (99, 70). Check: 9801 - 2*4900 = 1.

→ Parametric/recursive all solutions + ≥3 verified.

If err: generated fail verification → fundamental or recurrence wrong. Pell → re-derive fundamental from continued fraction. Linear → re-check extended Euclidean.

Check

  • Correctly classified (linear, Pell, Pythagorean, general quadratic, higher-order)
  • Linear: gcd(a, b) | c checked before solve
  • Extended Euclidean back-sub verified: ax0 + by0 = c exactly
  • General includes all (parameterized k or recurrence)
  • Pell: D verified non-square before continued fraction
  • Pell: fundamental satisfies x1^2 - D*y1^2 = 1 direct computation
  • Modular obstruction proofs enumerate all residues
  • ≥3 family members verified substitution
  • Constraints applied after general
  • Non-existence claims justified by gcd or modular

Traps

  • Assume gcd | c → positive solutions: General x = x0 + (b/g)*k includes negatives. Positive may not exist even solvable over integers.
  • Confuse x^2 - Dy^2 = 1 vs -1: Negative Pell has solutions only when continued fraction period odd. Applying positive formula to negative target → wrong.
  • Forget trivial Pell: (x, y) = (1, 0) always satisfies x^2 - Dy^2 = 1 but useless generating non-trivial. Fundamental = smallest w/ y > 0.
  • Incomplete modular obstruction: Only mod 2/4 may miss higher. First few no obstruction → try 8, 9, 16, or discriminant.
  • Off-by-one continued fraction period: Convergent indices tracked. Fundamental from p_{r-1}/q_{r-1} where r = period, not p_r/q_r.
  • Descent w/o base case: Must show descent terminates contradiction (x = 0 contradicts x > 0). Without base → incomplete.
  • Fermat's Last Thm wrong: x^n + y^n = z^n no non-trivial for n > 2 (Wiles, 1995), but not applies diff coefficients like 2x^3 + 3y^3 = z^3.

  • analyze-prime-numbers — Factorization + gcd prereqs
  • solve-modular-arithmetic — Linear congruences ax = c (mod b) equiv to linear Diophantine
  • derive-theoretical-result — Formal derivation for Diophantine impossibility

Dépôt GitHub

pjt222/agent-almanac
Chemin: i18n/caveman-ultra/skills/explore-diophantine-equations
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