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数论-最大公因子及其性质

时间:2024-02-02 20:22:12浏览次数:44  
标签:正整数 最大 数论 cb 整数 证明 因子 性质

原文


如果a和b为不全为零的整数,则它们的公因子的集合是一个有限的整数集,通常包括+1和-1,我们对其中最大的那个公因子感兴趣.

定义2 不全为零的整数a和b的最大公因子是指能够同时整除a和b的最大整数。

a和b的最大公因子记作(a,b),(有时也记作gcd(a,b),特别是在非数论的著作中我们将一直沿用传统的记号(a,b),虽然有时候这种记法也表示有序数对)。注意当n为正整数时,

(0,n) = (n,0) = n,虽然所有的正整数都能整除0,我们还是定义(0,0) = 0 (这样可以确保关于最大公因子的相关结论在所有情况下均成立。

例如:24 和 84 的公因子有±1,±2,±3,±4,±6,±12,因此(24,84) = 12.类似地,通过查看公因子集合,我们有(0,44)=44,(-6,-15)=3,(-17,289) =17。

定义3 设a,b均为非零整数,如果a和b最大公因子(a,b)=1,则称a与b互素。

 

注意由于-a的因子与a的因子相同,故有(a,b)=(|a|,|b|),其中|a|表示a的绝对值,因此,我们只关注正整数对的最大公因子。

 

定理4

a,b是整数,且(a,b)=d,那么(a/d,b/d)=1。(换言之,a/d与b/d互素.)

证明 

已知a,b是整数,且(a,b)=d. 我们将证明a/d,b/d除了1之外没有其他的公因子。假设还有正整数e使得e|(a/d)且e|(b/d),

那么存在整数k和l使得a/d=ke ,b/d=le,于是a=dek,b=del.因此de是a,b的公因子,因为d是a,b 的最大公因子,故de ≤ d,

于是e=1.因此(a/d,b/d)=1.

一个分数p/q被称为是既约分数,如果(p,q)=1.下面的结论告诉我们每一个分数都与一个既约分数相等.

推论1 如果a,b为整数,且b≠0,则a/b=p/q,其中p,q为整数,且(p,q)=1,q≠0.

证明

假设a,b为整数且b≠0,令p=a/d,q=b/d,其中d=(a,b),则p/q=(a/d)/(b/d),由定理4可知(p,q)=1,命题得证。

 

定理5

令a,b,c是整数,那么(a + cb,b) = (a,b)

证明

令a,b,c是整数,证明a,b的公因子与a+cb,b的公因子相同,即证明(a+cb,b)=(a,b)。

令e是a,b的公因子,由定理2可知e|(a+cb),所以e是a+cb和b的公因子。

如果f是a+cb和b的公因子,由定理2可知f整除(a+cb)-cb= a,所以f是a,b的公因子,因此(a+cb,b)=(a,b)。

 

定义4

如果a,b是整数,那么它们的线性组合具有形式ma+nb,其中m,n 都是整数.

 

定理6

两个不全为零的整数a,b的最大公因子是a,b的线性组合中最小的正整数。

证明 令d是a,b的线性组合中最小的正整数,d = ma + nb, 其中m,n是整数,我们将证明d|a,d|b。

由带余除法,得到a=dq+r, 0≤r<d。

由a=dq+r和d=ma+nb,得到r=a-dq=a-q(ma+nb)=(1-qm)a-qnb.

这就证明了整数r是a,b的线性组合。因为0 ≤ r < d,而d是a,b的线性组合中最小的正整数,

于是我们得到r=0(如果r不是等于0,那意味着r才是所有线性组合中最小的正整数,这与d是所有线性组合中最小的正整数矛盾),因此d|a,同理可得,d|b.

我们证明了a,b的线性组合中最小的正整数d是a,b的公因子,剩下要证的是它是 a,b的最大公因子,为此只需证明a,b所有的公因子都能整除d。

由于d = ma + nb,因此如果c l a且c | b,那么由定理2有c l d,因此d > c,这就完成了证明。

 

定义5

令a1,a2,…,an是不全为零的整数,这些整数的公因子中最大的整数就是最大公因子。

a1,a2,…,an的最大公因子记为(a1,a2,…,an)。(注意ai在这里面出现的顺序并不影响结果.)

 

引理1

如果A1,A2,…,An,是不全为零的整数,那么(A1,A2,…,An-1,An) = (A1,A2,…,An-2,(An-1,An) )。

证明

n个整数A1,A2,…An-1和An的任意公因子也是An-1和An的公因子,因此也是(An-1,An)的因子。

同样n1个整数A1,A2,…,An-2和(An-1,An) 的公因子也是n个整数A1,A2,…,An-1,An的公因子,因为如果某整数整除(An-1,An),那么它一定同时整除An-1和An。

因此,这n个整数的公因子和由前n-2个整数与后两个整数的最大公因子组成的集合的公因子完全相同,它们的最大公因子也一定相同。

 

 

 

 

 

解析


 

 

如果a和b为不全为零的整数,则它们的公因子的集合是一个有限的整数集,通常包括+1和-1(注意包括负数),我们对其中最大的那个公因子感兴趣.

定义2 不全为零的整数a和b的最大公因子是指能够同时整除a和b的最大整数。

a和b的最大公因子记作(a,b),(有时也记作gcd(a,b),特别是在非数论的著作中我们将一直沿用传统的记号(a,b),虽然有时候这种记法也表示有序数对)。

注意当n为正整数时,(0,n) = (n,0) = n,虽然所有的正整数都能整除0(n|0),我们还是定义(0,0) = 0 (这样可以确保关于最大公因子的相关结论在所有情况下均成立。

例如:24 和 84 的公因子有±1,±2,±3,±4,±6,±12,因此(24,84) = 12.类似地,通过查看公因子集合,我们有(0,44)=44

(-6,-15)=3(举例:-6:±1,±2,±3,±6       -15:±1,±3,±5 ,±15   于是,(-6,-15)=最大的公因子,3)

(-17,289) =17。

定义3 设a,b均为非零整数,如果a和b最大公因子(a,b)=1,则称a与b互素(或者互质)。

注意由于-a的因子与a的因子相同,故有(a,b)=(|a|,|b|),其中|a|表示a的绝对值,因此,我们只关注正整数对的最大公因子。

 (例如,(-a,-b),一般可以转换成(a,b)求解,求a和b的最大公因子,如果有负数可以转为整数计算)

定理4

a,b是整数,且(a,b)=d,那么(a/d,b/d)=1。(换言之,a/d与b/d互素.)

举例:a=6, b=4,d=(a,b)=(6,4)=2,(a/d,b/d)=(6/2,4/2)=(3,2)=1

因为已经把a,b的最大公共因数给取掉(除)了,等于把所有公因数去掉了(除1以外的),不可能还有任何公因数(除1以外的)

证明 

已知a,b是整数,且(a,b)=d. 我们将证明a/d,b/d除了1之外没有其他的公因子。假设还有正整数e使得e|(a/d)且e|(b/d),

(转化问题,我们只需要求出e整除(a/d)是1,e整除(b/d)是1,也可以证明)

那么存在整数k和l使得a/d=ke ,b/d=le,于是a=dek,b=del.因此de是a,b的公因子((a,b)=(dek,del),我们取出可以de,即(k,l)=de)

因为d是a,b 的最大公因子,故de ≤ d,

于是e=1.因此(a/d,b/d)=1.

一个分数p/q被称为是既约分数,如果(p,q)=1.下面的结论告诉我们每一个分数都与一个既约分数相等.

(可以理解为 一个分数约分成最简分数还是等于这个分数)

推论1 如果a,b为整数,且b≠0,则a/b=p/q,其中p,q为整数,且(p,q)=1,q≠0.

证明

假设a,b为整数且b≠0,令p=a/d,q=b/d,其中d=(a,b),则p/q=(a/d)/(b/d),由定理4可知(p,q)=1,命题得证。

 

定理5(**********重点*************)

令a,b,c是整数,那么(a + cb,b) = (a,b)

举例:a=6,b=10,c=-3,(6+(-30))=(6,10), (-24,10)=(6, 10)  , (24,10)=(6,10), (24,10)=2,(6,10)=2,故合法

证明

令a,b,c是整数,证明a,b的公因子与a+cb,b的公因子相同,即证明(a+cb,b)=(a,b)。

令e是a,b的公因子

若e是(a,b)的公因子,如果e还是(a+cb, b)的公因子;f是(a+cb,b)的公因子,如果f还是(a,b)的公因子,

那么(a+cb,b)与(a,b)公因子肯定相同,所以要互相转换问题!!

,由定理2(c | a,c | b,则c | (ma+nb).)可知e|(a+cb),所以e是a+cb和b的公因子。(因为 e | (a,b),用定理2,得e | (1*a+c*b),即e | (a+cb))

如果f是a+cb和b的公因子,由定理2可知f整除(a+cb)-cb= a

设a+cb=x,  b=y, 因为f | x 且 f | y,所以由定理2,得出 f |   (1*x)+(-c)*y,整理得 f | 1*(a+cb)+(-c*b), 得到,f | a

,所以f是a,b的公因子,因此(a+cb,b)=(a,b)。

 

定义4

(定义就是定义,没有为什么这样定义,就是规定的这样)

如果a,b是整数,那么它们的线性组合具有形式ma+nb,其中m,n 都是整数.

 

定理6

两个不全为零的整数a,b的最大公因子是a,b的线性组合中最小的正整数。

证明 令d是a,b的线性组合中最小的正整数,d = ma + nb, 其中m,n是整数,我们将证明d|a,d|b。

(转换问题-   我们知道了d是a,b的线性组合中最小的正整数。此时我们要先证明d是a,b的公因子,才能证明d是a,b的最大公因子)

由带余除法,得到a=dq+r, 0≤r<d。

由a=dq+r和d=ma+nb,得到r=a-dq=a-q(ma+nb)=(1-qm)a-qnb.

a=dq+r=(ma+nb)q+r。  r=a-dq=a-q(ma+nb)=(1-qm)a-qnb=(1-qm)*a+(-qn)*b,满足ma+nb

这就证明了整数r是a,b的线性组合。因为0 ≤ r < d,而d是a,b的线性组合中最小的正整数,

于是我们得到r=0(如果r不是等于0,那意味着r才是所有线性组合中最小的正整数(因为r<d),这与d是所有线性组合中最小的正整数矛盾),

因此d|a(因为没有余数r,所以a=dq,d小在前,a大在后),同理可得,d|b(全部步骤把a换b即可).

我们证明了a,b的线性组合中最小的正整数d是a,b的公因子,剩下要证的是它是 a,b的最大公因子,为此只需证明a,b所有的公因子都能整除d。

(d是a,b所有公因子的倍数,即d是最大的那个公因子,a,b所有公因子才能整除d)

由于d = ma + nb,因此如果c l a且c | b(若c是a,b的公因子),那么由定理2有c l d(),

因此d > c,这就完成了证明。

 

定义5

令a1,a2,…,an是不全为零的整数,这些整数的公因子中最大的整数就是最大公因子。

a1,a2,…,an的最大公因子记为(a1,a2,…,an)。(注意ai在这里面出现的顺序并不影响结果.)

 

这个引理1教会我们,如果有x,y,z,要求最大公因数,我们要先求(y,z),然后(y,z)和a求一个最大公因数,多个数也是如此

引理1

如果A1,A2,…,An,是不全为零的整数,那么(A1,A2,…,An-1,An) (令此式为A)= (A1,A2,…,An-2,(An-1,An)(此式为B) )。

我们只要算出A中的最大公因数x,B中的最大公因数y,并证明x是B的最大公因数,y是A的最大公因数,就能证明A,B最大公因式了

证明

n个整数A1,A2,…An-1和An的任意公因子也是An-1和An的公因子,因此也是(An-1,An)的因子。

同样n1个整数A1,A2,…,An-2和(An-1,An) 的公因子也是n个整数A1,A2,…,An-1,An的公因子,因为如果某整数整除(An-1,An),那么它一定同时整除An-1和An。

因此,这n个整数的公因子和由前n-2个整数与后两个整数的最大公因子组成的集合的公因子完全相同,它们的最大公因子也一定相同。

 

标签:正整数,最大,数论,cb,整数,证明,因子,性质
From: https://www.cnblogs.com/didiao233/p/18003777

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