初等证明:n=∑ϕ(d) (d|n) 的证明

本文深入探讨了数学中欧拉函数的性质,特别是证明了对于任意正整数n,其所有因数d的欧拉函数之和等于n本身。通过详细的数学推导,展示了这一性质的严谨性和普遍性。

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题:设nnn为一个正整数,那么∑d∣nϕ(d)=n\sum_{d|n}\phi(d) = ndnϕ(d)=n

证:
∵\because对于任意2个不同的因子d1,d2d_1,d_2d1,d2,如果(k1,d1)=1,(k2,d2)=1(k_1, d_1) = 1,(k_2, d_2) = 1(k1,d1)=1(k2,d2)=1

∴k1d1\therefore \frac{k_1}{d_1}d1k1k2d2\frac{k_2}{d_2}d2k2皆为最简分数且d1≠d2d_1 \neq d_2d1̸=d2

∴k1d1≠k2d2\therefore \frac{k_1}{d_1} \neq \frac{k_2}{d_2}d1k1̸=d2k2

∴nk1d1≠nk2d2\therefore \frac{nk_1}{d_1} \neq \frac{nk_2}{d_2}d1nk1̸=d2nk2

∵\because对于任一正整数k∈[1,n]k \in [1, n]k[1,n]

∴(k,n)=d⇒(kd,nd)=1\therefore (k, n) = d \Rightarrow (\frac{k}{d}, \frac{n}{d}) = 1(k,n)=d(dk,dn)=1,这里d′=nd,k′=kdd' = \frac{n}{d}, k' = \frac{k}{d}d=dn,k=dk

∴\therefore每个kkk可分配到唯一的d=n(k,n)d = \frac{n}{(k, n)}d=(k,n)n中,这里称为CdC_dCd

∵k∈[1,n]⇒k(k,n)≤nd\because k \in [1, n] \Rightarrow \frac{k}{(k,n)} \leq \frac{n}{d}k[1,n](k,n)kdn

∴Cd\therefore C_dCd类中存在ϕ(d)\phi(d)ϕ(d)个正整数

∴∑d∣nϕ(d)=n\therefore \sum_{d|n}\phi(d) = ndnϕ(d)=n

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