【数论】整除

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整除

整除的定义

a,b \in \mathbb{Z},如果存在 q \in \mathbb{Z},且 a=qb,则称 b 整除 a,记作 b \mid a;反之,若不存在 q,则称 b 不整除 a,记作 b \nmid a

整除的性质

带余除法定理

若存在 a,b \in \mathbb{Z}b>0,则存在唯一的 q,r \in \mathbb{Z},使得 a=qb+r

其中,a 为被除数,b 为除数,q 为商,r 为余数,且 0 \le r < b

等式两边同时除以 b 可得 \dfrac{a}{b}=q+\dfrac{r}{b},可得 q=\dfrac{a-r}{b}=\lfloor\dfrac{a}{b}\rfloor

由此,不难发现 \dfrac{a-(b-1)}{b}\le q \le \dfrac{a}{b}

EG1.若 n 为正整数,令 \text{r(n)} 表示 n 除以 1,2,\cdots,n 的余数和,试证明有无穷多正整数 n 使得 \text{r(n)}=\text{r(n-1)}

证明:对每个 k=1,2,\cdots,n,利用带余除法定理,可得:

\begin{align*} n=q_k \cdot k+r_k \space (0 \le r_k < k) \end{align*}

因此,q_k=\lfloor \dfrac{n}{k} \rfloor,就有 r_k=n-\lfloor \dfrac{n}{k} \rfloor \cdot k

所以有:

\begin{equation*} \begin{align*} r(n)&=r_1+r_2+\cdots+r_n\\ &=\sum\limits_{k=1}^{n}r_k\\ &=\sum\limits_{k=1}^{n}(n-\lfloor \dfrac{n}{k}\rfloor\cdot k) \end{align*} \end{equation*}

想证有无穷多正整数 n,使得 r(n)=r(n-1),可以考虑:

\begin{equation*} \begin{align*} r(n)-r(n-1)&=\sum\limits_{k=1}^{n}(n-\lfloor\dfrac{n}{k}\rfloor\cdot k)-\sum\limits_{k=1}^{n-1}(n-1-\lfloor\dfrac{n-1}{k}\rfloor\cdot k)\\ &=2n-1-\sum\limits_{k=1}^{n}(\lfloor\dfrac{n}{k}\rfloor-\lfloor\dfrac{n-1}{k}\rfloor)\cdot k \end{align*} \end{equation*}

不难发现,当 k \mid n 时,\lfloor \dfrac{n}{k}\rfloor-\lfloor\dfrac{n-1}{k}\rfloor=1;当 k \nmid n 时,上式值为 0

因此,r(n)-r(n-1)=2n-1-\sum\limits_{1 \le k \le n 且 k \mid n}1\cdot k,也就是要证存在无穷多正整数 n 使得 2n-1=\sum\limits_{1 \le k \le n 且 k \mid n}k。当 n2^p,其中 p \in \mathbb{N} 时,上式成立。#

公因子与最大公因子

最大公因数的性质

a,b \in \mathbb{Z} 时:

裴蜀定理

a,b \in \mathbb{Z}a,b \neq 0,那么一定存在 s,t \in \mathbb{Z},使得:

\begin{align*} as+bt=(a,b) \end{align*}

Euler定理的简化版本

结论:设 m 为大于 1 的正整数,令 a \in \mathbb{Z},且 (a,m)=1,那么存在 t \in \mathbb{N^+},使得 m \mid a^t-1,其中 1 \le t < m

证明:令集合 P=\{a^1,a^2,\cdots,a^m\}

因为 (a,m)=1,所以 (a^i,m)=1,其中 i=1,2,\cdots,m

又因为 a^im 互素,所以 a^i 除以 m 的余数在 1,2,\cdots,m-1 中。利用抽屉原理,可得存在 1 \le i < j \le m,使得 a^ia^j 除以 m 的余数相同。因此,有:

\begin{align*} m \mid a^j-a^i=a^i(a^{j-i}-1) \end{align*}

由于 (a^i,m)=1,有 m \mid a^{j-i}-1。令 t=j-i,可得 m \mid a^t-1。因为 1 \le i < j \le m,所以 1 \le t \le m-1。 #

素数与合数

素数与合数的定义

\tau (n)n 的所有不同的正因子的个数:

Euclid 定理

#### 素数的性质 - 若 $n$ 是大于 $2$ 的正整数,则 $n$ 一定有一个正因子是素数; - 若 $p$ 为素数,$n \in \mathbb{Z}$,则 $p \mid n$ 或 $(p,n)=1$; - 若 $p$ 为素数且 $p \mid ab$,则 $p \mid a$ 或 $p \mid b$。 #### 算数基本定理 如果 $n$ 是一个大于 $1$ 的正整数,那么 $n$ 一定可以拆分为有限个素数之积。 如果不考虑这种拆分的顺序,那么这种拆分方案就是唯一的。因此,我们令: $$ \begin{align*} n=p_1^{a_1} \cdot p_2^{a_2} \cdots p_t^{a_t} \end{align*} $$ 上式为 $n$ 的标准分解式。 其中,$p_1 < p_2 < \cdots < p_t$ 为素数,$a_i$ 为大于 $1$ 的正整数, $i=1,2,\cdots,t$。 **注:** - $p_1$ 为 $n$ 的最小素因子,$p_t$ 为 $n$ 的最大素因子; - 引理:若 $n \in \mathbb{N^+}$,则 $n=2^a \cdot b$,其中 $2 \nmid b,b \ge 1,a \ge 0$; - 引理:若 $n \in \mathbb{N^+}$,则 $n=a^2\cdot b$,其中 $a,b \in \mathbb{N^+}$ 且 $b$ 不能被任意一个大于 $1$ 的数的平方整除(无平方因子)。