算术基本定理,又称为正整数的唯一分解定理
2014-03-18 21:53
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算术基本定理,又称为正整数的唯一分解定理,即:每个大于1的自然数均可写为质数的积,而且这些素因子按大小排列之后,写法仅有一种方式。例如:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/d/6/0/d6070ccd7c6e5461e91f32e70de10511.png)
算术基本定理的内容由两部分构成:
分解的存在性;
分解的唯一性,即若不考虑排列的顺序,正整数分解为素数乘积的方式是唯一的。
算术基本定理是初等数论中一个基本的定理,也是许多其他定理的逻辑支撑点和出发点。
证明:
算术基本定理的最早证明是由欧几里得给出的。准确的说,欧几里得证明了在一般整环上看与算术基本定理等价的命题:若质数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/9/f/59fcd01a05c03333e9c066325bf18c63.png)
,则不是
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/9/8/f/98f5607d2cc3ff54581e6fb3059d36ee.png)
,就是
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/b/3/5b328d4fc301a9f246ca6acdcd841cec.png)
。然而,在欧几里得的时代,并没有发展出幂运算和指数的写法,甚至连四个整数的乘积这种算式都被认为是没有意义的,所以欧几里得并没有给出算术基本定理的现代陈述。
大于1的自然数必可写成素数之积
用反证法:假设存在大于1的自然数不能写成质数的乘积,把最小的那个称为n。
自然数可以根据其可除性(是否能表示成两个不是自身的自然数的乘积)分成3类:质数、合数和1。首先,按照定义,n 大于1。其次,n 不是质数,因为质数p可以写成质数乘积:p=p,这与假设不相符合。因此n只能是合数,但每个合数都可以分解成两个严格小于自身而大于1的自然数的积。设
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/6/2/3628e660f16e363379261090e47c1255.png)
,其中a
和b 都是介于1和n 之间的自然数,因此,按照n 的定义,a 和b 都可以写成质数的乘积。从而
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/6/2/3628e660f16e363379261090e47c1255.png)
也可以写成质数的乘积。由此产生矛盾。因此大于1的自然数必可写成质数的乘积。
唯一性
引理:若质数p|ab,则不是 p|a,就是p|b。
引理的证明:若p|a 则证明完毕。若
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/e/8/4/e848ec5652290a48d30e105ea5902573.png)
,那么两者的最大公约数为1。根据裴蜀定理,存在(m,n)使得ma+np=1。于是b=b(ma+np)=abm+bnp。
由于p|ab,上式右边两项都可以被p整除。所以p|b。
再用反证法:假设有些大于1的自然数可以以多于一种的方式写成多个质数的乘积,那么假设n 是最小的一个。
首先n 不是质数。将n 用两种方法写出:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/7/9/7/7970dfbe6810443764458f77c216a373.png)
。根据引理,质数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/b/f/3bf21bf9e3de0b075dd4e8fe9283ff3a.png)
,所以
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/a/5/7/a57ddb36763ef757695f76a41ae983e3.png)
中有一个能被
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/1/5/b/15be3c2519dc3df50beeab4d9eb20dd8.png)
整除,不妨设为
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/2/5/6/2563198fdfafae0dbdc71cbec9000b60.png)
。但
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/2/5/6/2563198fdfafae0dbdc71cbec9000b60.png)
也是质数,因此
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/a/b/5ab449bdd69a756eb8498656ec8d16f3.png)
。所以,比n小的正整数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/9/0/6/9060382eb248e2592c1bc4cec6b29362.png)
也可以写成
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/4/6/e/46e82a6c33abf2c99c09899bef687b15.png)
。这与n
的最小性矛盾!
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/d/6/0/d6070ccd7c6e5461e91f32e70de10511.png)
算术基本定理的内容由两部分构成:
分解的存在性;
分解的唯一性,即若不考虑排列的顺序,正整数分解为素数乘积的方式是唯一的。
算术基本定理是初等数论中一个基本的定理,也是许多其他定理的逻辑支撑点和出发点。
证明:
算术基本定理的最早证明是由欧几里得给出的。准确的说,欧几里得证明了在一般整环上看与算术基本定理等价的命题:若质数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/9/f/59fcd01a05c03333e9c066325bf18c63.png)
,则不是
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/9/8/f/98f5607d2cc3ff54581e6fb3059d36ee.png)
,就是
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/b/3/5b328d4fc301a9f246ca6acdcd841cec.png)
。然而,在欧几里得的时代,并没有发展出幂运算和指数的写法,甚至连四个整数的乘积这种算式都被认为是没有意义的,所以欧几里得并没有给出算术基本定理的现代陈述。
大于1的自然数必可写成素数之积
用反证法:假设存在大于1的自然数不能写成质数的乘积,把最小的那个称为n。
自然数可以根据其可除性(是否能表示成两个不是自身的自然数的乘积)分成3类:质数、合数和1。首先,按照定义,n 大于1。其次,n 不是质数,因为质数p可以写成质数乘积:p=p,这与假设不相符合。因此n只能是合数,但每个合数都可以分解成两个严格小于自身而大于1的自然数的积。设
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/6/2/3628e660f16e363379261090e47c1255.png)
,其中a
和b 都是介于1和n 之间的自然数,因此,按照n 的定义,a 和b 都可以写成质数的乘积。从而
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/6/2/3628e660f16e363379261090e47c1255.png)
也可以写成质数的乘积。由此产生矛盾。因此大于1的自然数必可写成质数的乘积。
唯一性
引理:若质数p|ab,则不是 p|a,就是p|b。
引理的证明:若p|a 则证明完毕。若
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/e/8/4/e848ec5652290a48d30e105ea5902573.png)
,那么两者的最大公约数为1。根据裴蜀定理,存在(m,n)使得ma+np=1。于是b=b(ma+np)=abm+bnp。
由于p|ab,上式右边两项都可以被p整除。所以p|b。
再用反证法:假设有些大于1的自然数可以以多于一种的方式写成多个质数的乘积,那么假设n 是最小的一个。
首先n 不是质数。将n 用两种方法写出:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/7/9/7/7970dfbe6810443764458f77c216a373.png)
。根据引理,质数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/3/b/f/3bf21bf9e3de0b075dd4e8fe9283ff3a.png)
,所以
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/a/5/7/a57ddb36763ef757695f76a41ae983e3.png)
中有一个能被
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/1/5/b/15be3c2519dc3df50beeab4d9eb20dd8.png)
整除,不妨设为
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/2/5/6/2563198fdfafae0dbdc71cbec9000b60.png)
。但
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/2/5/6/2563198fdfafae0dbdc71cbec9000b60.png)
也是质数,因此
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/5/a/b/5ab449bdd69a756eb8498656ec8d16f3.png)
。所以,比n小的正整数
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/9/0/6/9060382eb248e2592c1bc4cec6b29362.png)
也可以写成
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/math/4/6/e/46e82a6c33abf2c99c09899bef687b15.png)
。这与n
的最小性矛盾!
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