奇因数代数和

奇因数:一整数被另一整数整除,后者即是前者的因数,则因数中的奇数则是奇因数。 

如1,2,4都为8的因数 而奇因数为1。



1.说明:
定义正整数m的奇因数f(m):
    (1).若m为奇数,f(m)=m;
    (2).若m为偶数,f(m)为m去除其所有偶因数后的奇因数;
例如f(6)=3,f(7)=7,f(8)=1。



奇因数代数和:s(n)=<n>Σ<m=1>(-1)^(m-1)f(m)


2.程序设计:
#include<stdio.h>
void main()
{
   int t,m,n;
   long s;
   printf("请输入一个整数n:");
   scanf("%d",&n);
   s=0;    /*和s清零*/
   for(m=1;m<=n;m++)
   {
      if(m%2>0)
         s+=m;    /*奇数m累加到s*/
      else
      {
         t=m;
         while(t%2==0)
            t/=2;    /*去除偶数m的偶因数*/
         s-=t;
      }
   }
 printf("s(%d)=%ld\n",n,s);    /*按公式输出和s*/
 getch();
} 




3.程序运行示例及注意事项:
请输入一个整数n:2017
s(2017)=679351


注意:去除偶数m的所有偶因数必须在循环中实现,不可能通过简单的一次试除运算实施去除。 
            
拉格朗日四平方和定理(Lagrange's Four-Square Theorem)是数论中的一个经典结果,其内容如下: > **任何一个正整数都可以表示为四个整数的平方和。** > 即:对任意正整数 $ n $,存在整数 $ a, b, c, d $,使得: > $$ > n = a^2 + b^2 + c^2 + d^2 > $$ 这个定理由约瑟夫·路易斯·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)于 1770 年证明。 --- ## ✅ 定理的完整陈述 **拉格朗日四平方和定理**: 每个自然数 $ n \in \mathbb{N} $ 都可以写成四个整数平方之和: $$ n = x_1^2 + x_2^2 + x_3^2 + x_4^2 \quad \text{其中 } x_i \in \mathbb{Z} $$ 注意:允许某些 $ x_i = 0 $,所以有些数可能只需要 1、2 或 3 个非零平方数。 例如: - $ 7 = 2^2 + 1^2 + 1^2 + 1^2 $ - $ 3 = 1^2 + 1^2 + 1^2 + 0^2 $ - $ 4 = 2^2 + 0^2 + 0^2 + 0^2 $ --- ## ✅ 证明思路概述 证明分为两个主要部分: ### 🔹 第一步:**证明所有形如 $ 4^a(8b+7) $ 的数不能表示为三个平方数之和(必要性)** 这是由勒让德(Legendre)提出的三平方和定理的一部分: > 一个正整数 $ n $ 可以表示为三个整数平方和 ⇔ $ n $ 不是形如 $ 4^a(8b+7) $。 我们不在此详证该定理(较复杂,涉及二次剩余),但可以用它来说明为什么某些数必须用四个平方数。 例如: - $ 7 = 8×0 + 7 $ → 是 $ 4^0 × 7 $,属于此形式 → 必须用四个平方数 - $ 28 = 4 × 7 = 4^1 × (8×0 + 7) $ → 同样需要四个平方数 因此,这类数无法用三个或更少的平方数表示。 --- ### 🔹 第二步:**证明每一个正整数都可以用四个平方数表示** 这是拉格朗日的核心贡献。证明依赖以下关键工具: #### ✅ 1. 四平方恒等式(欧拉四平方恒等式) 这是整个证明的关键代数工具: > 如果两个数都能表示为四个平方之和,则它们的乘积也能表示为四个平方之和。 具体公式如下(Euler's Four-Square Identity): $$ (a^2 + b^2 + c^2 + d^2)(e^2 + f^2 + g^2 + h^2) = \\ (ae - bf - cg - dh)^2 + (af + be + ch - dg)^2 + (ag - bh + ce + df)^2 + (ah + bg - cf + de)^2 $$ 这表明:**四平方和在乘法下封闭**。 👉 因此,只要我们能证明**每个素数**都可以表示为四个平方数之和,那么根据乘法封闭性,所有合数也可以表示为四个平方数之和。 --- #### ✅ 2. 仅需证明所有素数可表示为四个平方数之和 因为: - 任何正整数都可以分解为素数的乘积 - 而四平方和在乘法下封闭(由欧拉恒等式) - 所以只需证明每个素数 $ p $ 都能写成四个平方数之和 --- #### ✅ 3. 构造性证明:对素数 $ p $,存在解 我们以素数 $ p $ 为例,简要说明构造过程。 ##### 步骤一:存在整数 $ x, y $ 使得 $ x^2 + y^2 + 1 \equiv 0 \pmod{p} $ 利用组合计数的方法(鸽巢原理 + 二次剩余理论),可以证明模 $ p $ 意义下存在这样的 $ x, y $,使得: $$ x^2 + y^2 + 1 \equiv 0 \pmod{p} \Rightarrow x^2 + y^2 + 1 = kp $$ 即 $ kp $ 可表示为三个平方数之和。 ##### 步骤二:使用“下降法”(Descent Method) 思想类似于费马的无穷递降法: - 假设某个倍数 $ mp $($ m > 1 $)可以表示为四个平方数之和 - 然后通过某种方式找到更小的 $ m' < m $,也满足条件 - 最终降到 $ m = 1 $,得到 $ p = a^2 + b^2 + c^2 + d^2 $ 具体操作中,会结合格点(lattice)理论与最小性选择,确保能找到一组解使得 $ m=1 $。 ##### 关键引理(Hurwitz 引理): 若 $ m > 1 $,且 $ mp = a^2 + b^2 + c^2 + d^2 $,则可以通过调整模 $ m $ 的值,找到另一个表示,使得新的系数模 $ m $ 更小,从而构造出更小的倍数。 最终推出 $ m=1 $ 是可行的。 --- #### ✅ 4. 对 $ p=2 $ 的情况直接验证 $$ 2 = 1^2 + 1^2 + 0^2 + 0^2 $$ 成立。 --- ## ✅ 总结:完整证明流程图 ```text 目标:证明每个正整数 n = a² + b² + c² + d² 步骤: 1. 使用欧拉四平方恒等式 ⇒ 若 a,b 可表为四平方和,则 a*b 也可 ⇒ 只需证明每个素数可表为四平方和 2. 对素数 p: - 若 p = 2:直接验证 2 = 1² + 1² + 0² + 0² - 若 p 为素数: a. 存在 x,y 使 x² + y² ≡ -1 (mod p) b. 则存在 k 使 kp = x² + y² + z² + w² (k ≥ 1) c. 使用下降法,不断减小 k,直到 k=1 d. 得到 p = a² + b² + c² + d² 3. 所有素数均可表示 ⇒ 所有整数均可表示(由乘法封闭性) 4. 特殊情形:若 n 是 4^a*(8b+7),则不能用三个平方数表示 ⇒ 至少需要四个 ⇒ 四个是上界,且不可减少 ⇒ 定理得证。 ``` --- ## ✅ 示例验证 | $ n $ | 四平方表示 | |--------|-------------| | 1 | $1^2 + 0^2 + 0^2 + 0^2$ | | 2 | $1^2 + 1^2 + 0^2 + 0^2$ | | 3 | $1^2 + 1^2 + 1^2 + 0^2$ | | 4 | $2^2 + 0^2 + 0^2 + 0^2$ | | 5 | $2^2 + 1^2 + 0^2 + 0^2$ | | 7 | $2^2 + 1^2 + 1^2 + 1^2$ | | 28 | $5^2 + 1^2 + 1^2 + 1^2$ | --- ## ✅ 补充:推广与相关定理 | 定理 | 内容 | |------|------| | **一平方和定理** | $ n $ 是完全平方数 | | **两平方和定理**(Fermat) | $ n $ 可表为两平方和 ⇔ 其质因数分解中,形如 $ 4k+3 $ 的素数出现偶次 | | **三平方和定理**(Legendre) | $ n $ 可表为三平方和 ⇔ $ n \neq 4^a(8b+7) $ | | **四平方和定理**(Lagrange) | 所有正整数都可表为四平方和 | ---
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