114 Patrik Lundström Normat 3/2008
Innan vi beskriver Diofantos metod gör vi en kort analys av problemet att hitta
alla rationella punkter på allmänna kägelsnitt dvs kurvor av typen
Ax
2
+ Bxy + Cy
2
+ Dx + Ey + F = 0 (1)
där A, B, C, D, E och F är rationella tal valda så att kurvan blir av andra
graden, det vill säga så att någon av A, B och C är skild ifrån noll. Det är lätt att
se att man genom en rationell koordinattransformation alltid kan få A 6= 0 (om
A = 0 och C 6= 0, så använder vi (x, y) 7→ (y, x); om A = C = 0, så använder
vi (x, y) 7→ (x, y + x)). För att analysera (1) börjar vi med att skriva om den på
formen
(2Ax + By + D)
2
− ∆
1
y
2
− 2∆
3
y = ∆
2
(2)
där ∆
1
= B
2
−4AC, ∆
2
= D
2
−4AF och ∆
3
= BD −2AE. Nu finns ett antal fall
att beakta.
Fall 1: ∆
1
= ∆
3
= 0. Om ∆
2
ej är en rationell kvadrat, så har (2) inga rationella
lösningar; Om ∆
2
= q
2
, q ∈ Q, så blir (2) unionen av de två räta linjerna 2Ax +
By + D = ±q.
Fall 2: ∆
1
= 0 och ∆
3
6= 0. Då blir (2) en parabel.
Fall 3: ∆
1
6= 0. Då kan vi skriva om (2) på formen
∆
1
(2Ax + By + D)
2
− (∆
1
y + ∆
3
)
2
= ∆
1
∆
2
− ∆
2
3
(3)
Om ∆
1
< 0 och ∆
1
∆
2
− ∆
2
3
> 0, så har (3) inga lösningar; Om ∆
1
< 0 och
∆
1
∆
2
−∆
2
3
= 0, så har (3) en lösning; Om ∆
1
< 0 och ∆
1
∆
2
−∆
2
3
< 0, så är (3) de
rationella punkterna på en ellips; Om ∆
1
= q
2
, q ∈ Q\{0} och ∆
1
∆
2
−∆
2
3
= 0, så är
(3) unionen av två räta linjer. Om ∆
1
ej är en rationell kvadrat och ∆
1
∆
2
−∆
2
3
= 0,
så har (3) inga rationella lösningar. Om ∆
1
> 0 och ∆
1
∆
2
− ∆
2
3
6= 0, så är (3) de
rationella punkterna på en hyperbel.
Av ovanstående analys framgår det att det är trivialt att hitta alla rationella
punkter på kägelsnitt förutom i följande två fall: (i) ∆
1
< 0 och ∆
1
∆
2
< ∆
2
3
då
vi måste hitta alla rationella punkter på en ellips; (ii) ∆
1
är ett positivt rationellt
tal som ej är en rationell kvadrat och ∆
1
∆
2
6= ∆
2
3
då vi måste hitta alla rationella
punkter på en hyperbel som ej genom en rationell koordinattransformation kan
skrivas om på formen xy = 1.
Nu beskriver vi Diofantos metod för kurvorna av typen (i) eller (ii). Antag
först att vi har hittat en rationell punkt (x
0
, y
0
) på kurvan. Om nu (x
1
, y
1
) är en
annan rationell punkt på kurvan, så ligger den på linjen L
r
: y − y
0
= r(x − x
0
)
där r är det rationella talet (y
1
− y
0
)/(x
1
− x
0
). Omvänt, så skär alla linjer L
r
,
där r är ett rationellt tal, kurvan i två rationella punkter. Varför? Jo, eftersom
insättning av y = y
0
+ r(x − x
0
) i kurvans ekvation ger oss en andragradsekvation
i x med rationella koefficienter. Eftersom vi vet att en av rötterna, nämligen x
0
,
är rationell, så måste även den andra roten vara rationell. Varför? Jo, rötternas
summa är ju lika med förstagradskoefficienten som är rationell. Detta resonemang
ger oss faktiskt en bijektion mellan alla rationella tal r (samt ∞) och de rationella
punkterna på kurvan (se t.ex. (12)).
Nu genomför vi den ovan beskrivna kalkylen explicit. Om vi låter L
r
skära
kurvan, så får vi ekvationen
Ax
2
+ Bx(y
0
+ r(x −x
0
)) + C(y
0
+ r(x −x
0
))
2
+ Dx + E(y
0
+ r(x −x
0
)) + F = 0