初等数论 我们知道 除 以外的所有素数均为奇数 每一个素数和下一个素数之差是偶数 显然 两个相继素数之差为 至少为 如果一个素数和下一个素数之差为 我们就把这一对素数称为孪生素数 例如 等 年 波林那克!"#"$% 猜测 孪生素数有无穷多 这是一个至今尚未获证的问题 并且 猜测 哥德巴赫猜想 & 年

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1 绪 论 数论是一门古老的数学分支 它是研究整数性质的一门精湛的科学 内容极为丰富 被数学家喻为数学的 皇后 历史表明 每一个重大的数论课题 都是在吸收了当时最新的数学成果 创造了极深刻的新方法之后 才获得进展的 反之 数论研究的进程也促进了数学其他分支的发展 因此 数论中的绝大多数问题都受到了大批世界著名的大数学家的重视 数论中有许多奇妙的猜测 这些猜测有的已经解决了 有的至今尚未得到证明或否定 猜测 角谷猜想 从任意一个大于 的正整数出发 反复进行下列两种运算 若为奇数就乘 加 若为偶数就除以 则最后回到 数学家们做了许多演算 结果都相同 于是猜想 从任意奇数出发 反复经过 和 两种运算 最后必定得到 已经验证 它对于 亿以下的数都是对的 然而 时至今日 仍无人能彻底解决它 猜测 爱尔迪希猜想 世纪初期 爱尔迪希 曾猜想 方程 没有整数解 可在 年 我国著名的数论专家柯召就给出了反例 否定了这个猜想 他找到了无穷多组解 这里 是否还有别的 的整数解 这个问题至今没有解决 猜测 波林那克猜想 又称孪生素数猜想

2 初等数论 我们知道 除 以外的所有素数均为奇数 每一个素数和下一个素数之差是偶数 显然 两个相继素数之差为 至少为 如果一个素数和下一个素数之差为 我们就把这一对素数称为孪生素数 例如 等 年 波林那克!"#"$% 猜测 孪生素数有无穷多 这是一个至今尚未获证的问题 并且 猜测 哥德巴赫猜想 & 年 德国数学家哥德巴赫 '$ 注意到 于是写信给当时侨居俄国彼得堡的瑞士数学家欧拉 在信中 他提出了将正整数表示为素数之和的猜想 即哥德巴赫猜想 这个猜想可用略为修改了的语言表述为 ( 每一个 的偶数都是两个奇素数之和 每一个 的奇数都是三个奇素数之和 显然命题 是命题 ( 的推论 事实上 设 是 的奇数 则 ) 是 的偶数 由命题 ( 成立 可知存在奇素数 与 使 )*& 即 *&& 因此 命题 也成立 从哥德巴赫写信起到现在 已经积累了不少关于该问题的宝贵资料 有人核对过 当 时 命题 ( 是正确的 后来 又有人进一步核对过 当 + 时 命题 ( 都是正确的 但是至今我们还不能确定命题 ( 的真假 年 德国数学家朗道,$"$ 在第五届国际数学家大会上曾经说过 即使要证明下面较弱的命题 - 也是现代数学家所力不能及的 - 存在一个正整数 使每一个 的整数都可以表示为不超过 个素数之和 我国著名的数学家华罗庚先生早在 世纪 年代就开始研究哥德巴赫问题 并取得了重要成果 解放后 在他的倡议与领导下 我国青年数学工作者从 年代初开始研究这一问题 他的学生不断得到重要成果 尤其是陈景润的结果赢得了国内外著名学者的高度评价 下面我们将介绍这个问题的一些重要结果

3 绪 论 首先是史尼尔曼在 年 即哥德巴赫提出猜想后 年 证明了命题 - 即 定理 史尼尔曼 任何 的整数都可以表示为不超过 个素数之和 这里 是一个常数 史尼尔曼不仅证明了命题 - 而且在他的论文中 还引入了关于正整数集合的一个很重要的概念 密率 这一概念后来有了新的发展与应用 用 表示最小的正整数 使每一充分大的整数都可以表为不超过 个素数之和 我们把 称做史尼尔曼常数 由史尼尔曼的方法不仅能够得到 的存在性 而且可以得到 的明确上界 即 不少数学家改进了 的上界估计 如我国数学家严文霖就在 年证明过 目前关于 的最佳估计是由沃恩.$#$" 得到的 他证明了 定理 沃恩 每一充分大的奇数是不超过 个素数之和 每一充分大的偶数是不超过 个素数之和 每一个 的整数是不超过 个素数之和 年 苏联数学家依 维诺格拉朵夫.!"#$/ 利用英国数学家哈代 0$1 与李特尔伍德,! 创造的 圆法 证明了 定理 依 维诺格拉朵夫 每一充分大的奇数都是 个奇素数之和 如果 是充分大的偶数 那么 ) 是充分大的奇数 由定理 可知 )* && 这里 都是奇素数 所以 即充分大的偶数都可以表示为不超过 个素数之和 因此由定理 可以推出史尼尔曼常数 这是史尼尔曼方法所达不到的 由史尼尔曼方法目前只能证明 年 我国著名数学家华罗庚及一些国外数学家独立证明了命题 ( 对于几乎所有的偶数都成立 华罗庚证明的结果比其他人的更强一些 他证明了 定理 华罗庚 设 是某一固定的正整数 则几乎所有的偶数都可表成 & 的形式 这里 是素数 另一种研究哥德巴赫猜想的方法是 筛法 为叙述方便 我们引入下列两个命题 每一个充分大的偶数都是一个不超过 个素数的乘积与一个不超过 个素数的乘积之和 记为 & 每一个充分大的偶数都可以表示为一个素数与一个不超过 个素数的乘积之和 记为 &

4 初等数论 哥德巴赫猜想本质上就是要证明 & 首先是挪威数学家布伦 " 在 年证明了 & 其次是匈牙利数学家雷尼 "1! 在 年证明了 & 后来不少数学家改进了布伦与雷尼的结果 尤其在 年 我国著名数学家陈景润在对 筛法 作了新的重要改进之后终于证明了 & 即 定理 陈景润 每一个充分大的偶数都可以表示为一个素数与一个不超过 个素数的乘积之和 这是迄今为止最为接近这一猜想的结果 国外称之为 陈氏定理 讲上面四个例子的目的是给大家增加一点数学常识 在近代数学的结论中 能让非数学专业人员了解的也许除了数论以外就不多了 从这里也不难看到 虽然数论中的许多问题表面上提法很简单 但证明起来十分困难 因此 我们认为有兴趣解决这类经典问题 如哥德巴赫猜想 的人 应该具备相当的数学知识与修养 而且应该熟悉数论中已有的成果与方法 再作进一步的探讨 才可能有所收获

5 第 章 整数的整除性 整除理论是初等数论的基础 因而本章从整除的概念出发 引进带余除法 然后介绍素数的基本性质 最大公因数与最小公倍数 接着证明算术基本定理 此外 本章还要介绍高斯函数 正整数的正因数个数与正因数和 完全数与亲和数以及数论中常用的逐步淘汰原则与抽屉原理 为了使讨论自然和方便 先简述数学归纳法 数学归纳法 由于数学归纳法是证明某些数论问题的得力工具 所以这一节着重介绍数学归纳法的几种常用形式 第一数学归纳法 第二数学归纳法 反向归纳法和跷跷板归纳法 并举例说明它们的应用 第一数学归纳法 设 是一个含有正整数 的命题 如果 当 * 时 成立 由 成立必可推得 & 成立 那么 对所有正整数 都成立 例 试证 任何 的正整数均能表示为若干个 与 的和 证 当 * 时 有 *& 命题显然成立 假设当 * 是正整数且 时命题成立 即存在正整数 使得 * & 或存在正整数 使得 * 或存在正整数 使得 * 那么由 或 或 可知这个命题当 *& 时也是成立的 综上 根据第一数学归纳法 这个命题对所有 的正整数 都成立

6 初等数论 第二数学归纳法 设 是一个含有正整数 的命题 如果 当 * 时 成立 在! 对所有适合! 的正整数! 成立的假定下 & 成立 那么 对所有正整数 都成立 例 有两堆棋子 数目相等 有两人玩耍 每人可以在任一堆里任意取几颗 但不能同时在两堆里取 规定取得最后一颗者胜 试证 后取者必胜 证 设 是每一堆棋子的颗数 当 * 时 先取者只能在一堆里取一颗 这样另一堆里留下的 颗就被后者取得 所以结论成立 假设当 时结论成立 现在我们来证明 当 *& 时结论也成立 在这种情况下 先取者可以在一堆里取棋子 "" 颗 这样 剩下的两堆棋子中 一堆有棋子 & 颗 另一堆有棋子 &)" 颗 这时后取者可以在较多的一堆里取棋子 " 颗 使两堆棋子都有 &)" 颗 由归纳假设 后取者可以获胜 根据第二数学归纳法 这个命题对所有正整数 来说 后取者必胜 反向归纳法 反向归纳法是数学归纳法的一种变化形式 通常表述为 设 是一个含有正整数 的命题 如果 有无穷多个正整数 使 成立 在假设 & 成立的前提下 成立 那么 对所有正整数 都成立 例 设 是素数 而! 是正整数 试证! )! 是 的倍数 证 令!*" " 是正整数 则 " )" 是 的倍数 即有无穷多个正整数 " "* 使得! )! 是 的倍数 假设!*& 时 & )& 是 的倍数 则由 # # # 以及 # $ $ $ $ 是 的倍数 知 ) 是 的倍数 从而根据反向归纳法 对任意正整数!! )! 都是 的倍数 跷跷板归纳法 跷跷板归纳法是数学归纳法的又一种变化形式 通常表述为

7 第 章 整数的整除性 设有两个命题 ( 如果 ( 成立 假设 ( 成立 则推出 成立 假设 成立 则推出 (& 成立 那么对任意正整数 命题 ( 都成立 例 设 % 表示方程 &* 的非负整数解的组数 试证 %""%"" 证 这里 命题 ( 是 %)* 命题 是 %*& 当 * 时 方程 &* 仅有一组非负整数解 ** 所以命题 ( 成立 假设 %)* 即 ( 成立 则当 * 时 方程 &* 的非负整数解的组数 % 可分为两类 一类是 * 解的组数等于 一类是 解的组数等于方程 )&*) 满足 ) 都是整数 的解的组数 %) 所以 %% 即命题 成立 假设 %*& 即 成立 则当 *& 时 方程 &*& 的非负整数解的组数 %& 同样可分为两类 一类是 * 解的组数等于 一类是 解的组数等于方程 )&* 满足 ) 都是整数 的解的组数 % 所以 %% 即命题 (& 也成立 因此 由跷跷板归纳法知 对一切非负整数 " 有 %""%"" 习题 试证 对于任何正整数 总存在奇数 使得 * & 已知斐波那契!"$! 数列 & 满足 试证 &* 槡 & 槡 & & & && ) ) 槡 在数列 中 如果 是它的第 项 ' 是它的前 项的和 且 "*" ")* "")& 这里 " 是正整数 试证 ' ")* " " )"&' "* " " &"&

8 初等数论 试证 当! 与 取遍全体正整数时 也取遍全体正整数 既没有重复也没有遗漏!!! 整除性概念及其性质 大家知道 两个整数的和 差 积仍然是整数 但是两个整数的商 分母不为零 却不一定是整数 为此我们引进整除的概念 这里约定 如果没有特别声明 本节及以后所用的小写字母均表示整数 定义 设 若有一整数 使得 * 则称 能整除 或 能被 整除 记作 此时我们把 叫作 的倍数 叫作 的因数 否则 称 不能整除 或 不能被 整除 记作 定义 若 且 则称 是 的真因数 下面我们给出整除的一些性质 定理 设 均不为零 若 则 若 则 若 则 若 则对任意整数!!& 证 仅证 由 知 存在整数 使得 ** 即 而!& 是整数 故!!!! 此结论可推广到有限个整数的情形 定理 相继 个整数的乘积能被 整除 即 证 若相继 个整数均为正整数 则当正整数 时 一方面 注意到组合数 # 总是一个正整数 另一方面 我们有 #

9 第 章 整数的整除性 即 ))&*# 故 ))& 若相继 个整数中有零 则结论显然成立 若相继 个整数均为负整数 则可转化为正整数的情形 由于整数除法不一定总能实施 所以在一般情况下 带有余数的除法可用下面的定理来表述 定理 带余除法 若 是两个整数 且 则存在唯一一对整数 及 % 使得 %% 证 存在性 由整数的除法 知 % 是存在的 唯一性 设有两对这样的整数 % 及 % 使得 则有 %% %% %% 由此得 %)% 但 %)% 故得 %)%* 即 %*% 将此式代入式 得 *) 又 故 * 定义 式 中的 称为 被 除所得的不完全商 简称为商 % 称为 被 除所得的余数 带余除法虽然很简单 但很重要 它是整除性理论的基础 整除的许多性质都是由它推导出来的 例 已知!)!) 试证!) 证 因为 )))*) 且!)!) 所以!) 例 设 是奇数 试证 ) 证 令 *& 是任意整数 则 由定理 知 )&&& 故 + ) 即 ) 例 试证 对任意正整数 & 个组合数 # # # 均为奇数的充要条件是 具有 * ) 的形式 证 用数学归纳法

10 初等数论 当 时 直接验证可知 仅在 ** )** )** ) 时 组合数 # " " 为奇数 假设对小于 的情形命题成立 我们来考察等于 的情形 此时全体组合数 # " 分别为 " " 要使这些数均为奇数 首先 第二项及倒数第二项的 应是奇数 即 *!& 另外 在其余各项的分子 分母中 把奇因数去掉后 余下部分以 *! & 代入 恰得!!!! 要使全体 # " 均为奇数 则它们也应全是奇数 而它们恰是! 时的全体 # "! "! 由归纳假设知 它们都是奇数的充要条件是! 有!* ) 的形式 此时! 这就证明了命题对任意正整数 都成立 例 设对所有的正整数 有!& & 求正整数! 证 由!!!!!! 知 要使!& & 必须有! & 因任一正整数被 除所得余数为 或 故! 或! 或! 或! 若!* 为正整数 则 & 的末尾数字是 若!*& 为非负整数 则 & & 的末尾数字是 若!*& 为非负整数 则 & & 的末尾数字是 若!*& 为非负整数 则 & & 的末尾数字是 综上 当!*& 为非负整数 时! & 从而!& & 例 若 & 是形如 & 是任意整数 是两个不全为零的整数 的数中的最小正整数 试证 证 由 知 %%

11 第 章 整数的整除性 % 即 % 也是形如 & 的数 但因 %&& 是形如 & 的数中的最小正整数 故 %* 此时 即 例 试证 '*& & & 不是整数 证 设 是满足条件 的最大整数 是所有不大于 的正奇数的乘积 则 ' 的展开式中 除 ) 外 其余各项均为整数 所以 ) ' 不是整数 因而 ' 不 是整数 习题 已知!)!& 试证!)!& 设 试证 ) ) 的充要条件是 ) 试证 对任意整数 多项式 & * & & 总取整数值 设 是奇数 试证 & & 设 是正整数 试用数学归纳法证明 & & ) & ) 有三个大于 的正整数 其中任意两个数的积与 的和能被另一个数整除 求这三个数 设 是奇数 试证 & ) 的最后两位数为 设 " 是一个给定的正整数 若 && " ) " 且 " ) 试证 对任意正整数 有 "& & "& & 设 都不是 的倍数 试证 & 和 ) 中有且仅有一个是 的倍数 试证 '* & & & & 不是整数 设 是正整数 试证 存在唯一一对整数 " 使得 * ) &" " 设 是整数 试证 任一正整数 均可唯一表示成 的形式 这里 $ $*)

12 初等数论 素数与合数 我们知道 数 的正因数只有 显然 任何大于 的正整数 的正因数至少有 及 两个 有的数的正因数恰好只有两个 如 有的则多于两个 如 定义 若正整数 恰好只有 及本身 两个正因数 则称 为素数 又称 质数 若正整数 的正因数多于两个 则称 为合数 又称复合数 如数 的一个因数 是素数 则称 是 的一个素因数 今后 我们常用 表示素数 依定义 全体正整数按其正因数的多少可分成三类 只有一个正因数 素数 有且仅有两个正因数 合数 有两个以上的正因数 由此可见 既不是素数也不是合数 现在带来一个问题 素数究竟是有有限多个 还是有无穷多个 这件事早在公元前 世纪希腊人欧几里得! 就已经证明了 定理 素数有无穷多个 证 假设素数的个数有限 那么我们就可以将全体素数列举如下 令 *) 则 总是有素因数的 但我们可证明任何一个 $$ 都除不尽 事实上 若 $ 则由 $ 知 $ 这是不可能的 既然任何一个 $ 都除不尽 说明 有不同于 的素因数 这与 是全体素数的假定相矛盾 所以素数有无穷多个 由定理 的证明立刻可以推出 定理 当 时 在 与 之间一定有一个素数 证 设不大于 的素数为 并令 *) 一方面 由于 所以 由定理 的证明 可知 有一个不同于 的素因数 所以 若 则 是 $ 中之一 另一方面 ) 故 关于合数 我们也有

13 第 章 整数的整除性 定理 对任给的正整数 必有 个连续正整数都是合数 证 构造 个连续正整数 $ 显然 对 $& 有 $& &$ 即这 个连续正整数都是合数 例 求能使 && 都是素数的一切 解 * 时 &*&* 都是素数 所以 * 是一解 此外 无其他解 因为 *& 时 &*&*& 是合数 *& 时 & *&*& 是合数 例 问 个大于 的连续正整数中 最多有几个素数 解 大于 的 个连续整数中 最多有 个奇数 而大于 的素数必为奇数 于是素数只可能在这 个连续奇数之中 又知连续 个奇数中至少有一个是 的倍数 事实上 设连续 个奇数为 &&& 是正整数 令 *&% 这里 % 当 %* 时 & 当 %* 时 & 当 %* 时 & 所以在这 个连续奇数中最多有 个素数 另外 在 至 这 个连续正整数中 有 这 个素数 也就是说 在 个大于 的连续正整数中 最多只有 个素数 例 设 是一个大于 的素数 试证 被 除所得的余数必为 证 因 是大于 的素数 故 必为 2 的形式 这里 为正整数 此时 即 被 除所得的余数必为 例 当 与 & 均为素数时 称 和 & 为一对孪生素数 设 为素数 为正整数 试证 对于任意一对孪生素数 与 & 或者 &&* 或者存在一对孪生素数 与 & 使得 证 因 与 & 都是大于 的素数 故必存在正整数! 使得 *!) &*!& 于是 &&*! 若! 可令!* 这里 为正整数 此时 &&* 若! 可令!*&% 这里 为正整数 %* 或 当 %* 时 令 * 则 &* 此时 当 %* 时 令 * 则 &* 此时

14 初等数论 综上 命题得证 例 试证 形如 & 的素数有无穷多 证 如果形如 & 的素数有限 则可假定它们的全体是 令 *)*)& 则 也是形如 & 的数 而且任何 $ $ 都除不尽 由于除 以外 素数都是奇数 而奇素数用 除所得的余数必是 或 又两个被 除余 的数 "& 与!& 的乘积 "! "! "! 仍然是一个 & 形式的数 故由 是 & 形式的数 推知 的素因数不可能都是 & 形式的 即 还有形如 & 的素因数 但又不能是 中的一个 这就与假设相矛盾 所以形如 & 的素数有无穷多 例 设 是大于 的偶数 试证 对于任何充分大的奇素数 存在满足 ) 的素数 使得 证 对于正整数 设 是第 个素数 当 是偶数时 记 $ $$ 则 * 而 ) 均为奇素数 令! 由式 可知当 是充分大的奇素数时! 是充分大的奇数 因此 根据依 维诺格拉朵夫定理 存在奇素数 %%% 使得!*%&%&% 再令 )* %)*%*% 则有! 把式 代入式 并结合 * 可得 习题 求能使 和 & 都是素数的一切

15 第 章 整数的整除性 哪些素数 可使 ) ) 和 & 都是素数 设 若 及 & 均为素数 试证 & 必为合数 试证 形如 & 的素数有无穷多 设奇数 试证 是素数的充要条件是 不能表为三个或三个以上的相邻正整数之和 设! 为大于 的正整数 试证 当且仅当! 为大于 的合数时!! 试证 当正整数 时 & 为合数 德布埃尔 曾断言 对所有 ) 和 & 中至少有一个是素数 试举出反例 试证 有无穷多个 使得 ) 和 & 同时为合数 设 试证 ) 个连续正整数 中 每一个数都有一个素因数 并且该素因数不能整除其他 ) 个数中的任何一个 试找出所有奇数 使得 ) 全体素数按大小顺序排成的序列为 * * 试证 ) 试找出 个小于 而成等差数列的素数 并证明不可能有 个皆小于 的素数成等差数列 设 是任意给定的正整数 是所有不超过 的素数 试证 并由此推出素数有无穷多个 $ $ 几类特殊的素数 历史上许多数学家试图用一个公式来表示素数 即求变量 的一个函数 使它当 取任何正整数或非负整数时 该函数的值都是素数 不一定包括一切素数 欧拉曾构造函数 &* && 当 * 时 & 的值都是素数 类似地 对于函数 & 当 * 时 & 的值都是素数 对于函数 &

16 初等数论 当 * 时 & 的值都是素数 对于函数 & 当 * 时 & 的值都是素数 等等 但要找一个定义在整数集上的多项式函数 使得其值都是素数的努力注定要失败 因为我们有 定理 不存在次数! 的一元整系数多项式 &!!!! 使得对于任意的正整数 & 都是素数 证 若对某个整数 * &!!!! 是素数 考察 *& 为任意整数 的情形 &!!!!!!!! & 这里 是某一正整数 由于 & & 是合数 因此我们证明了并非对每个正整数 & 都是素数 下面介绍两类特殊的素数 费马 素数 定义 形如 * & 的正整数称为费马数 其中的素数称为费马素数 当 * 时 ***** 都是素数 由此 费马曾猜测所有的费马数都是素数 不幸的是 年 欧拉证明了 * &*+ 从而一举否定了这个猜想 然而 问题并没有结束 人们又在想 * 时 是素数还是合数 年 朗道指出 *+ 是合数 年 布里罕德!$ 和莫瑞森 3!" 指出 也是合数 目前人们已经证明了 时 均为合数 但 的因数却一个也未能找到

17 第 章 整数的整除性 现在人们利用电子计算机 以更快的速度继续进行这些计算 然而所得到的结果都是否定的 新的费马素数没有被发现 梅森 素数 定义 形如 (* ) 的正整数称为梅森数 其中的素数称为梅森素数 可以证明 如果 ( 是素数 则 必为素数 但反之不成立 即当 是素数时 ( 不一定是素数 例如 ((((( 到 年为止 我们只知道 个梅森素数 记为 ( 这里 * 有人提出过这样的猜想 如果 ( 是素数 那么 (( 也是素数 这个猜想对于小的梅森素数都是对的 但到第五个梅森素数 (* 这个猜想就被否定了 借助于电子计算机 可以证明 (( * ) 是一个合数 这个数有 位 但我们还不知道它的任何素因数 到 年 有人证明了 虽然 ( 与 ( 都是素数 但 (( 与 (( 都是合数 它们可以分别被 与 整除 于是 例 试证 * & 是合数 证 设 * * 则 即 & 故 是合数 例 设 且 ) 为素数 试证 * 且 为素数 证 假设 因 故 ) ) 且

18 初等数论 从而 ) 有真因数 ) 即 ) 不是素数 矛盾 因此 * 假设 是合数 即 *" 这里 那么 且 即 ) 也不是素数 因此 要使 ) 是素数 必须 * 且 为素数 例 设 * & 试证 若! 且 则! 由此推出素数有无穷多个 &*& 证 不妨设! 且!*& 则!! 这里 是某一正整数 假设! 因 则 而 故 * 但 是奇数 故 矛盾 因此 若! 且 则! 这说明当! 时! 中的素因数与 中的素因数完全不同 而费马数有无穷多个 故不同的素因数也有无穷多个 由此推出素数有无穷多个 本题可以用数学归纳法进行证明 这里我们提供另一种证法 在 中 令 * 得 两边再同时加上 即得 例 设数列 ) 满足 ) *) &*) &) & 试证 如果 是偶数 则 ) 中仅有素数 ) * 证 设 **) & 则有 *** 由此推出 ** ) 于是 ) 当 * 时 ) * 为素数 当 且 为偶数时 ) ) 由于 ) 所以 又 ) * ) ) )& 故 ) 这说明当 且 为偶数时 )

19 第 章 整数的整除性 是合数 因此 如果 是偶数 则 ) 中仅有素数 ) * 习题 设! 为正整数 且! & 为素数 试证!* 设 + *+ &*+ )+ & 试证 若! 且 + 则 +! 由此推出素数有无穷多个 + &*+ + & 最大公因数及其求法 定义 设 是不全为零的整数 如果 $ $* 则称 为 的公因数 的公因数中最大的 称为 的最大公因数 记作 定义 如果 * 则称 互素 如果 中每两个数都互素 则称 两两互素 由定义 立即得出下面两个结论 定理 如果 是 个不全为零的整数 则 证 设 是 的任一公因数 由定义 知 $ $* 因而 $$* 因此 是 的一个公因数 同理可证 的任一公因数也是 的一个公因数 所以 与 有相同的公因数 从而它们的最大公因数相同 即 定理 如果 则 * 证 因 * 故 ** 由于有了上面两个结论 今后我们只讨论正整数的情形 定理 同时也告诉我们 下面介绍最大公因数的求法 求两个正整数的最大公因数常用的方法是欧几里得算法 早在公元前 年左

20 初等数论 右 我国第一部数学名著九章算术! 第一章 方田章 的约分术中就指出 置分母 子之数 以多减少 更相减损 以求其等也 以等数约之 这与欧几里得所著的几何原本! 第七章第二题 求最大公因数的欧几里得算法 一致 为了介绍这一方法 首先给出 定理 如果 *& 则 * 证 设 是 的任一公因数 因为 *& 所以 即 是 的公因数 同理 的任一公因数也是 的公因数 所以 的公因数和 的公因数相同 因此 * 定理 用欧几里得算法求任意两个正整数 和 的最大公因数 就是以每次的余数为除数去除上一次的除数 直至余数为 那么最后一个不为零的余数 便是 和 的最大公因数 此算法也称辗转相除法 证 我们把欧几里得算法的计算过程用带余除法公式逐次表示出来 就是 % % %% % % % %% % % % %% % % % % 由上述诸式 按定理 可得 % %% %% %% 推论 公因数一定是最大公因数的因数 证 设 是 的任一公因数 已知 %* 则由 得 % 又由 % 得 % 以此类推 最后必得 % 所以 例 求 和 的最大公因数 解 因为 为了书写方便 上面一系列计算可简写为

21 第 章 整数的整除性 例 设! 是正整数! 试证! & &* 或 证 由! 不妨设! 且!*&%% 则! % % ( ( 是正整数 即! &* &(& 由定理 得! 即! & &* 或 由于 偶数 奇数 例 设! 是正整数 试证! ) )*! ) 证 当!* 时 结论显然成立 现不妨设! 则由欧几里得算法和定理 可得! % %%% % %% %! % %% %% %%! % % % % 这里 是正整数 故! ) )* ) % ) 以此类推 可得! % % % % % %! 习题 用欧几里得算法求 已知! 且! 是奇数 试证! ) &* 设 & 是形如 & 是任意整数 是两个不全为零的整数 的数中最小的正整数 试证 * & 试证 ) )* 的充要条件是 * 设 试证 存在 个合数可组成一个等差数列 而且其中任意两个数互素

22 初等数论 最大公因数的有关结论 上一节中已经得到 公因数一定是最大公因数的因数 借助这一性质我们可以证明 定理 * 的充要条件是 证 必要性 已知 * 用反证法 * 假设 * 则 都是整数 故 有公因数 即 这与假设矛盾 所以 充分性 已知 * 仍用反证法 易知 是 的公因数 假设 * 则有 * 这里 是大于 的整数 即 还有公因数 这与已知矛盾 所以 ** 推论 设 是正整数 " 是 的一个公因数 且 * 则 * " " " * " 该推论表明 在求最大公因数时 可把任何正的公因数提出来 定理 对任意整数 有 *& 证 设 **& 则由 可得 & 又 故 & 于是 同理 可证 因此 * 例 求下面的最大公因数 &&&& 为正整数 解 原式 *&)*)* 当 * 时 原式

23 第 章 整数的整除性 当 *& 时 原式 例 设 ** 试求 & 解 由题意 可设 *&*& 则 下面的结论给出了多个正整数最大公因数的求法 定理 * *%%& 证 如果 $ $ 那么 $ $ 反之 若 $ $ 则由定义 知 $ $ 这说明 与 有相同的公因数 因此 类似可证 *%%& 推论 设 是任意 个正整数 且 * *)* 则 * 该推论表明 多个数的最大公因数 可以通过求两个数的最大公因数逐步求出 推论 * 证 易知 左边 右边 一般地 有 % %% 例 求 解 由 得 * 由

24 初等数论 得 * 由 得 * 综上 * 例 试证 * 证 因为 所以 * 即 习题 求下面的最大公因数 & )) && 试给出四个正整数 它们的最大公因数是 但任何三个数都不互素 求 试证 * 整除的进一步性质 本节我们从一个引理出发进一步导出整除的性质 引理 对任意两个正整数 用欧几里得算法

25 第 章 整数的整除性 可得 这里 % %%% %% % %%% %, %,,,,, % 是欧几里得算法中的余数 证 用数学归纳法 当 * 时 式 显然成立 当 * 时 % %, 式 也成立 假如式 对于不超过 的正整数都成立 则 % %% % %,,,,, 因此 由第二数学归纳法 知结论成立 定理 若 是任意两个不全为零的整数 则存在两个整数 使得 &* 证 若 中有一个为零 则结论显然成立 不妨设 都是正整数 且 *% 那么由引理 知,)* ) ) % 即 ) ),&) *% 令 *) ),*) 即得 &* 推论 若 是 个不全为零的整数 那么存在 个整数 使得 &&&* 推论 * 的充要条件是 存在两个整数 和 使得 证 必要性 由定理 知 存在两个整数 和 使得 &*

求出所有的正整数 n 使得 20n + 2 能整除 2003n n 20n n n 20n n 求所有的正整数对 (x, y), 满足 x y = y x y (x, y) x y = y x y. (x, y) x y =

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