Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

23.12.2015 Шеина Г.В. Теория и практика решения задач по алгебре, часть 1

.pdf
Скачиваний:
126
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
1.61 Mб
Скачать

ствию из леммы, существует Н. О. Д. ( , ) и при этом

Н. О. Д. ( , ) = Н. О. Д. ( −1, ) = .

Линейное выражение Н.О.Д. двух чисел через исходные числа

Пусть имеются три целочисленные переменные величины , , . Будем гово-

рить, что выражается линейно через переменные и с целыми коэффициен-

тами и , если можно представить в виде = + .

Покажем, что наибольший общий делитель чисел и можно выразить линей-

но через эти числа, то есть для некоторых целых чисел и справедливо ра-

венство Н. О. Д. ( , ) = + .

Заметим сначала, что если выражается линейно через переменные и с целыми коэффициентами, а величины и выражаются линейно через пере-

менные 1 и 1 с целыми коэффициентами, то величина выражается линейно через переменные 1 и 1 с целыми коэффициентами.

Проиллюстрируем это на числовом примере.

Пусть = 2 − 3 , = 41 − 2 1, = 51 − 6 1. Тогда= 2 − 3 = 2 ∙ (41 − 2 1) − 3 ∙ (51 − 6 1) = −71 + 14 1.

Мы видим, что выражается линейно через переменные 1 и 1 с целыми ко-

эффициентами.

Проверим теперь, что любой остаток в алгоритме Евклида для нахождения вы-

ражается линейно через числа и .

Действительно, = 1 + 1 1 = − 1, то есть первый остаток выразился линейно через числа и . Для второго остатка имеем

= 1 2 + 2 2 = − 1 2 = − ( − 1) 2 = (1 + 1 2) − 2 ,

то есть снова имеем линейное выражение.

Кроме того, поскольку

−1 = ∙ +1 + +1 +1 = −1 − ∙ +1,

31

то остаток +1 (начиная с номера = 2) выражается линейно через два преды-

дущих остатка, которые также выражаются линейно через числа и .

Таким образом, спускаясь вниз по формулам алгоритма Евклида, получим ли-

нейное выражение для последнего ненулевого остатка, который и есть

Н. О. Д. ( , ).

Применим описанный способ вычислений на примере.

Пример. Вычислим Н. О. Д. (60,1008). Выполним последовательно «деления

уголком»:

 

 

 

1008

 

 

60 b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

 

16 q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

408

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

360

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

 

r1

 

 

 

 

48

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

48

 

1 q2

 

 

 

 

48

 

 

12 r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

48

 

 

4 q3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 r3

Итак, Н. О. Д. (60,1008) = 2 = 12. Найдем линейное выражение для наиболь-

шего общего делителя. В результаты деления с остатком в алгоритме Евклида будем подставлять числовое значение частного , а остальные переменные оставлять в виде символов:

= ∙ 16 + 1 1 = − 16 ;

= 1 ∙ 1 + 2 2 = − 1 = − ( − 16 ) = 17 − .

Окончательно имеем: Н. О. Д. (60,1008) = 2 = 12 = 17 − .

Замечание. Понятие наибольшего общего делителя можно определить и для целых чисел. В этом случае если наибольший общий делитель, то число

также является наибольшим общим делителем. Более того, любые два наибольших делителя отличаются друг от друга только знаком. Наибольший

32

общий делитель можно также находить по алгоритму Евклида, и он выражается линейно с целочисленными коэффициентами через исходные числа. Мы будем использовать обозначение Н. О. Д. ( , ) для положительного наибольшего де-

лителя целых чисел.

Взаимно простые числа

Определение. Целые числа и называются взаимно простыми, если 1 яв-

ляется их наибольшим общим делителем (при этом −1 также является их наибольшим общим делителем).

Следствие 1 из алгоритма Евклида (критерий взаимной простоты).

Целые числа и взаимно просты тогда и только тогда, когда существуют такие целые числа и , что + = 1.

Доказательство. Выше доказано,

что

существуют

такие

целые

числа

и , что + = Н. О. Д. ( , ).

Пусть

и взаимно

просты, тогда

Н. О. Д. ( , ) = 1 , и все доказано.

 

 

 

 

 

 

С другой стороны, если существуют

такие

целые

числа

и

, что

+ = 1, то любой общий делитель чисел и должен быть также делите-

лем 1. Значит, и наибольший общий делитель должен быть также делителем 1 и

может быть равен только 1 или −1. Поэтому числа и взаимно просты.

Определение. Натуральное число, отличное от единицы, называется про-

стым, если оно делится (нацело) только на себя и на единицу.

Замечание. Если одно простое число делится на другое простое число, то они

равны.

Следствие 2 (делимость произведения на простое число). Если произведение нескольких целых чисел делится на простое число, то хотя бы одно из них де-

лится на это простое число.

33

Доказательство. Проверим утверждение следствия для двух сомножителей.

Пусть − простое число и | . Если | , то все доказано. Рассмотрим слу-

чай, когда не является делителем .

Поскольку число – простое и общим делителем чисел и может быть только число 1 или p , то Н. О. Д. ( , ) = 1.

Отсюда следует, что существуют такие целые числа и , что

+ = 1. Умножив последнее равенство на число , получаем

+ = . Поскольку | , то из делимости обоих слагаемых левой части на число следует, что | , и все доказано.

Пусть утверждение следствия доказано для сомножителей. Проверим спра-

ведливость

утверждения

для

 

( + 1)–го

сомножителя.

Пусть

|

∙ … ∙

. Если |

, то все доказано. В противном случае не делит

 

1

+1

+1

 

 

 

 

 

a

k+1

. В этом случае, как мы показали выше, | ∙ … ∙ . Предположение ин-

 

 

 

 

 

1

 

 

дукции позволяет утверждать, что |

 

для некоторого номера .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная теорема арифметики

В школьной программе изучается разложение натуральных чисел на простые сомножители, однако не рассматривается вопрос о возможности и единствен-

ности такого разложения. Возможность и единственность разложения устанав-

ливается в следующей теореме, которую обычно называют основной теоремой арифметики.

Теорема (основная теорема арифметики). Всякое натуральное число , от-

личное от единицы, представимо в виде произведения простых сомножите-

лей. Это представление единственно с точностью до перестановки простых сомножителей (произведение может содержать один сомножитель).

Доказательство. Пусть . Доказательство будем вести индукцией по .

Если = 2 , то теорема верна и в разложении имеется один простой сомножи-

тель. Пусть утверждение доказано для натуральных чисел, не меньших, чем 2,

34

но меньших , то есть 2 ≤ < . Докажем справедливость утверждения тео-

ремы для случая = . Если – простое число, то все доказано:

произведение в этом случае состоит из одного сомножителя и

представление единственно в силу того, что простое число, делящее другое простое число, равно ему.

Если – не простое число, то = = ∙ , причем справедливы неравенства

1 < < , 1 < < . По предположению индукции числа и можно пред-

ставить в виде произведения простых чисел и тем самым представить число в

нужном виде.

Единственность. Пусть имеется два разложения числа на простые сомножи-

тели: =

∙ … ∙

и =

∙ … ∙ . Пусть соответствует разложению с

1

 

1

 

 

 

меньшим числом сомножителей, то есть . Тогда

 

 

∙ … ∙

= ∙ … ∙ .

 

 

1

 

1

 

Индукция по числу .

База индукции. Если = 1, то доказываемое утверждение примет вид

 

= ∙ … ∙ .

 

 

1

1

 

 

Если = 1 , то все доказано. Пусть > 1. Произведение

∙ … ∙ делится на

 

 

 

1

 

простое число 1. Поэтому одно из чисел произведения 1 ∙ … ∙ делится на простое число 1 и, значит, ему равно. Перенумеруем сомножители в правой части равенства так, чтобы это число стало первым в произведении. Тогда можно считать, что 1 = 1. Сократив равенство на сомножитель 1, имеем следующее.

Если = 2, то 1 = 2 , что невозможно.

Для > 2 будем иметь: 1 = 2 ∙ … ∙ . Поскольку 2, … , – простые числа, это также невозможно.

35

Значит = 1, то есть сомножители 2, … , в равенстве отсутствуют.

Индукционный шаг. Пусть единственность разложения установлена для всех случаев, когда число m сомножителей в правой части равенства меньше или равно числу . Докажем единственность для +1 сомножителя в левой части равенства. Из равенства следует, что какое-то из чисел произведения

1 ∙ … ∙ делится на 1. Перенумеровав, если нужно числа 1, … , , будем считать, что это число 1.

Поскольку оба числа 1 и 1 – простые, то 1 = 1, и мы имеем равенство

1 ∙ … ∙ +1 = 1 2 ∙ … ∙ .

Сократив его на множитель 1, получим: 2 ∙ … ∙ +1 = 2 ∙ … ∙ . Число сомножителей в левой части уменьшилось и можно применить предположение индукции. По предположению индукции получаем, что +1= , а левая и пра-

вая часть равенства 2 ∙ … ∙ +1 = 2 ∙ … ∙ отличаются только перестановкой сомножителей.

Следствие. Любое натуральное число , отличное от единицы, можно един-

ственным образом представить в виде = 1

∙ … ∙ , где

 

 

 

1

 

 

< <

и , … , – простые числа.

 

1

 

1

 

 

Такая запись называется каноническим разложением числа .

Решение задач на делимость

Задача 1. Пусть – натуральное число, большее 2. Докажите, что между чис-

лами и ! содержится, по крайней мере, одно простое число. Покажите, что отсюда следует бесконечность множества простых чисел.

Решение. По условию задачи > 2, поэтому целое число = ! − 1 больше 1.

Если оно простое, то, поскольку

∙ (( − 1)! − 1) > 1 ! − > 1 ! − 1 > при > 2,

число = ! − 1 находится между числами и !, и все доказано.

36

Если число = ! − 1 не простое, то оно имеет, по меньшей мере, один про-

стой делитель , для которого < ! − 1 < !. Если допустить, что при этом , то – делитель произведения 1 ∙ 2 ∙ … ∙ и делитель числа = ! − 1. Поэтому – делитель их разности ! − , что невозможно, поскольку

! − = 1. Следовательно, > и < !.

Если бы простых чисел было конечное число, то все они были бы меньше само-

го большого простого числа , что противоречит первому утверждению за-

дачи: существует хотя бы одно простое число, больше чем .

Задача 2. Докажите, что число ( − 1)! не делится на число только в том случае, когда − простое или = 4.

Решение.

1.Если − простое, то числа и ( − 1)! взаимно просты. Поэтому ( − 1)!

не делится на число .

2.Пусть теперь составное число. Возможны следующие случаи.

а. Число не является степенью простого числа. Тогда в разложении имеется, по крайней мере, два разных простых сомножителя.

Поэтому = , где числа и взаимно просты, 1 < , < . Числа и различны и находятся среди чисел {2, … − 1} . Следовательно, они являются сомножителями в произведении ( − 1)! . Значит, ( − 1)! де-

лится на число = .

б.Число есть степень простого числа: = , где − простое, причем> . Поскольку −1 , числа , −1 меньше числа и оба находятся среди чисел {2, … − 1}. Тогда число ( − 1)! делится на −1 = , как и в предыдущем пункте.

в. Число есть квадрат простого числа, отличного от двух, = 2, ≠ 2.

В этом случае 2 < 2 = и , 2 {2, … − 1} . Поэтому ( − 1)! де-

лится на ∙ 2 = 2 .

37

Рассмотренные выше случаи показывают, что в случае составного числа

, отличного от 4, число ( − 1)! делится на число .

г. Остался случай = 22 , для которого утверждение задачи верно, по-

скольку число ( − 1)! = 3! не делится на число = 4.

Задача 3. Докажите, что число 11 − 1 делится на 10. При каких значениях число 11 − 1 делится на 100?

Решение. По формуле суммы геометрической прогрессии имеем

1 + + 2 + + −1 =

−1

, поэтому если , то

−1

, то есть ( −

 

−1

 

 

−1

 

 

1)|( − 1). Значит, 11 − 1 делится на 10

(надо взять = 11).

Выясним, при каких значениях число 11 − 1 делится на 100. Для этого заме-

тим, что, раскрыв скобки в выражении ( + 1) = ( + 1) ∙ … ∙ ( + 1), получим

слагаемое, равное 1, и слагаемых, равных , которые получаются, если ровно в одной скобке выбрать , а в остальных скобках выбрать 1. Оставшиеся слага-

емые содержат множитель 2, то есть ( + 1) = 1 + + 2 , где , если . Применим это к числу

11 − 1:

11 − 1 = (10 + 1) − 1 = 1 + 10 + 102 − 1 = 10 + 102 .

Отсюда видно, что делимость числа 11 − 1 на 100 равносильна делимости на

10 числа .

Ответ: число 11 − 1 делится на 100 тогда и только тогда, когда делится на

10.

Задача 4. Докажите, что среди чисел вида 4 + 3, имеется бесконечно много простых чисел.

Решение. Заметим сначала, что

38

остаток от деления простого числа, не равного 2, на 4 есть либо 1,

либо 3;

произведение чисел вида 4 + 1 снова даст число такого же вида; для

этого достаточно перемножить (4 + 1) и(4 + 1):

(4 + 1) (4 + 1) = 16 + 4 + 4 + 1 = 4(4 + + ) + 1.

Поэтому в разложении числа вида 4 + 3 на простые сомножители обязательно встретится число такого же вида 4 + 3. Например, число 15 имеет вид 4 + 3,

а именно 15 = 4 ∙ 3 + 3, в его разложении сомножитель 3 также имеет вид

4 ∙ 0 + 3.

Предположим теперь, что простых чисел вида 4 + 3, конечное число.

Перечислим их:

 

4 1 + 3, … , 4 + 3.

 

 

 

Рассмотрим следующее число: = (4 + 3)2

∙ … ∙ (4

 

+ 3)2

+ 2. Нетрудно

 

1

 

 

 

 

=4 +1

=4 +1

 

 

1

 

 

 

 

проверить, что число можно записать в виде 4 + 3, . Поэтому в его разложении на простые сомножители имеется хотя бы одно простое число та-

кого же вида 4 + 3. Значит, число должно делиться на одно из чисел, пере-

численных в списке .

Но это невозможно, поскольку первое слагаемое в записи числа делится на любое из чисел списка , а второе слагаемое, то есть 2, не делится ни на одно из этих чисел.

Задача 5. Найдите все простые числа , для которых числа + 10 и + 14

простые.

Решение. Если не делится на 3, то одно из чисел + 10 = + 1 + 9 или

+ 14 = + 2 + 12 делится на 3 (из трех последовательных чисел ,

+ 1 и + 2 ровно одно число делится на 3). Поэтому + 10 и + 14 не яв-

39

ляются простыми.

Значит, делится на 3. Поскольку число простое, то = 3.

Задача 6. Остаток от деления некоторого натурального числа равен 3, а остаток от деления этого же числа на 15 равен 1. Найти остаток от деления этого числа на 30.

Ошибочное решение. Обозначим число, о котором идет речь в условии задачи символом . С учетом условия задачи можно написать = 6 + 3,

= 15 + 1, , . Тогда 4 = 60 + 4, а 5 = 30 + 15. Вычтем из числа

5 число 4 и получим = 30( − 2 ) + 11. Отсюда делаем вывод, что оста-

ток от деления числа на 30 есть 11.

Ответ, к которому мы пришли, все же нельзя считать правильным. Действи-

тельно, поскольку = 6 + 3, = 15 + 1, , , то 6 + 3 = 15 + 1 или

6 + 3 − 15 = 1. Последнее равенство невозможно ни для каких целых чисел

и (левая часть равенства делится на 3, а правая не делится).

Таким образом, чисел , о которых идет речь в задаче, не существует. Правиль-

ным был бы ответ: чисел, о которых идет речь в задаче не существует, поэтому у них нет никакого остатка при делении на 30.

Задача 7. Остаток от деления некоторого натурального числа равен 3, а остаток от деления этого же числа на 15 равен 6. Найти остаток от деления этого числа на 30.

Решение. Обозначим число, о котором идет речь в условии задачи символом .

С учетом условия задачи можно написать

= 6 + 3, = 15 + 6, , . Тогда 6 + 3 = 15 + 6 2 + 1 = 5 + 2 = 5 2+1. Числа, соответствующие та-

кому условию, существуют, например:

= 1 = 3, число равно 21;

= 3 = 8, число равно 51;

при четном числе число = 5 2+1 не является целым.

40