初等数论基础知识详细解析(1)

初等数论知识(附证明) 前言 数论真的是一种很好玩的东东啊,(特别是对笔者这种大脑硬件不过关的孩纸来说)。 阅读详情

注:在本文中,所有未特殊注明的字母均表示一个整数,即在 Z\bold{Z}Z 范围内定义。

一、整除的性质

  1. 整除的定义:
    若 ∃a,b\exist a,b∃a,b ,使 a=bqa=bqa=bq ,则我们说 bbb 整除 aaa ,记作 b ∣ ab\text{ }|\text{ }ab ∣ a 。
  2. 传递性:定理陈述如下:
    a ∣ b, b ∣ c⇒a ∣ ca\text{ }|\text{ }b,\text{ }b\text{ }|\text{ }c\Rightarrow a\text{ }|\text{ }ca ∣ b, b ∣ c⇒a ∣ c
    证明:由整除的定义,得:
    a=bq1, b=cq2a=bq_1,\text{ }b=cq_2a=bq1​, b=cq2​
    整理:
    ⇒a=bq1=(cq2)q1=c(q1q2)\Rightarrow a=bq1=(cq_2)q_1=c(q_1q_2)⇒a=bq1=(cq2​)q1​=c(q1​q2​)
    整数判断:
    q1,q2∈Z⇒q1q2∈Zq_1,q_2\in\bold{Z}\Rightarrow q_1q_2\in \bold{Z}q1​,q2​∈Z⇒q1​q2​∈Z
    由整除的定义,得 a ∣ ca\text{ }|\text{ }ca ∣ c 。
  3. 线型组合:定理陈述如下:
    a ∣ b, a ∣ c⇒a ∣ bx+cya\text{ }|\text{ }b,\text{ }a\text{ }|\text{ }c\Rightarrow a\text{ }|\text{ }bx+cya ∣ b, a ∣ c⇒a ∣ bx+cy
    证明:由整除的定义,得:
    b=aq1, c=aq2b=aq_1,\text{ }c=aq_2b=aq1​, c=aq2​
    因此,
    bx+cy=(aq1)x+(aq2)y=a(q1x)+a(q2y)=a(q1x+q2y)bx+cy=(aq_1)x+(aq_2)y=a(q_1x)+a(q_2y)=a(q_1x+q_2y)bx+cy=(aq1​)x+(aq2​)y=a(q1​x)+a(q2​y)=a(q1​x+q2​y)
    整数判断:
    q1,q2,x,y∈Z⇒q1x+q2y∈Zq_1,q_2,x,y\in\bold{Z}\Rightarrow q_1x+q_2y\in\bold{Z}q1​,q2​,x,y∈Z⇒q1​x+q2​y∈Z
    由整除的定义,得:
    a ∣ bx+cya\text{ }|\text{ }bx+cya ∣ bx+cy
  4. 连续自然数: kkk 个连续的自然数的积能被 k!k!k! 整除。
    证明: (i) 显见, 111 个连续的自然数的积能被 1!1!1! 整除。
    (ii) 如果 nnn 个连续的自然数的积能被 n!n!n! 整除,则 n+1n+1n+1 个自然数的积可以表示为
    Πi=1n+1i=(n+1)Πi=1ni\Pi^{n+1}_{i=1}i=(n+1)\Pi^{n}_{i=1}iΠi=1n+1​i=(n+1)Πi=1n​i
    由上式,我们可以得到:
    n+1 ∣ n+1⇒n!(n+1) ∣ Πi=1n+1i⇒(n+1)! ∣ Πi=1n+1in+1\text{ }|\text{ }n+1\Rightarrow n!(n+1)\text{ }|\text{ }\Pi^{n+1}_{i=1}i\Rightarrow (n+1)!\text{ }|\text{ }\Pi^{n+1}_{i=1}in+1 ∣ n+1⇒n!(n+1) ∣ Πi=1n+1​i⇒(n+1)! ∣ Πi=1n+1​i
    问题转化为下面的两种表述:
    假设使这个命题成立的自然数集合为 T∈NT\in \bold{N}T∈N ,则我们根据上面的 (i) 和 (ii) 可以推出该命题具有以下性质:
    (i) 当 n=1n=1n=1 时,命题成立,则 1∈T1\in T1∈T , TTT 非空。
    (ii) 由 n∈Tn\in Tn∈T 可以推出 n+1∈Tn+1\in Tn+1∈T 。
    由数学归纳法,知 T=NT=\bold{N}T=N ,即该命题对所有自然数成立。
  5. Fermat 小定理:假设 ppp 是一个质数,则我们可以得出 p ∣ np−np\text{ }|\text{ }n^p-np ∣ np−n 。
    探究:我们可以通过证明一些较小数据规模的数从而推出总体的解。
    令 p=2p=2p=2 ,则我们可以得到:
    np−n=n2−n=n(n−1) \begin{equation} \begin{split} n^p-n=n^2-n \\ =n(n-1) \end{split} \end{equation} np−n=n2−n=n(n−1)​​​
    由 (1)(1)(1) 式及上面第 444 项,我们可以得知:
    2!∣n(n−1)⇒2∣n(n−1)⇒2∣n2−n2! \mid n(n-1) \\ \Rightarrow 2 \mid n(n-1) \\ \Rightarrow 2 \mid n^2-n2!∣n(n−1)⇒2∣n(n−1)⇒2∣n2−n
    再令 p=3p=3p=3 ,我们可以得到:
    np−n=n3−n=n(n2−1)=n(n−1)(n+1) \begin{equation} \begin{split} n^p-n&=n^3-n \\ &=n(n^2-1) \\ &=n(n-1)(n+1) \end{split} \end{equation} np−n​=n3−n=n(n2−1)=n(n−1)(n+1)​​​
    由 (2)(2)(2) 式及上面第 444 项,我们可以得知:
    3!∣(n−1)n(n+1)⇒6∣(n−1)n(n+1)⇒3∣n3−n3! \mid (n-1)n(n+1) \\ \Rightarrow 6 \mid (n-1)n(n+1) \\ \Rightarrow 3 \mid n^3-n3!∣(n−1)n(n+1)⇒6∣(n−1)n(n+1)⇒3∣n3−n
    再令 p=5p=5p=5 ,我们可以得知:
    np−n=n5−1=n(n4−1)=n(n2−1)(n2+1)=n(n−1)(n+1)(n2+1)=n(n−1)(n+1)(n2−4+5)=n(n−1)(n+1)(n2−4)+5n(n−1)(n+1)=n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2)+5n(n−1)(n+1) \begin{equation} \begin{split} n^p-n&=n^5-1 \\ &=n(n^4-1) \\ &=n(n^2-1)(n^2+1) \\ &=n(n-1)(n+1)(n^2+1) \\ &=n(n-1)(n+1)(n^2-4+5) \\ &=n(n-1)(n+1)(n^2-4)+5n(n-1)(n+1) \\ &=n(n-1)(n+1)(n-2)(n+2)+5n(n-1)(n+1) \end{split} \end{equation} np−n​=n5−1=n(n4−1)=n(n2−1)(n2+1)=n(n−1)(n+1)(n2+1)=n(n−1)(n+1)(n2−4+5)=n(n−1)(n+1)(n2−4)+5n(n−1)(n+1)=n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2)+5n(n−1)(n+1)​​​
    由上面的性质 3,43,43,4 及 (3)(3)(3) 式,我们可以得到:
    5!∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2),5×3!∣5n(n−1)(n+1)⇒120∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2),30∣5n(n−1)(n+1)⇒(30,120)∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2)+5n(n−1)(n+1)⇒30∣n5−n⇒5∣n5−n 5! \mid n(n-1)(n+1)(n-2)(n+2), 5\times 3! \mid 5n(n-1)(n+1) \\ \Rightarrow 120 \mid n(n-1)(n+1)(n-2)(n+2), 30 \mid 5n(n-1)(n+1) \\ \Rightarrow (30,120) \mid n(n-1)(n+1)(n-2)(n+2)+5n(n-1)(n+1) \\ \Rightarrow 30 \mid n^5-n \\ \Rightarrow 5 \mid n^5-n 5!∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2),5×3!∣5n(n−1)(n+1)⇒120∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2),30∣5n(n−1)(n+1)⇒(30,120)∣n(n−1)(n+1)(n−2)(n+2)+5n(n−1)(n+1)⇒30∣n5−n⇒5∣n5−n
    因此, Fermat 小定理通过了小数据规模的验证,初步说明了它的成立性。
【原创】(一)用Python玩转初等数论之质数 目录 (一)用Python玩转初等数论之质数 一、数论相关内容及文章声明 本系列文章讲些啥 数论是啥? 初等数论又是啥 质数又是啥? 阅读本篇文章需要的知识 同余 取模 整除 在Python中基本的除法有三种,分别是除、取模、取整除 二、进入正题——如何判断质数 法-1 定义-1 程序-1 法-2 定义-2 程序-2 三、准备进阶——生成素数 以程序-2为基本算法 埃拉托斯特 阅读详情

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