§5. Некоторые теоретико-числовые приложения комбинаторики §5. Некоторые теоретико-числовые приложения комбинаторики Определение 1. Натуральное число называется простым, если оно имеет ровно два разных делите

Содержание

Слайд 2

Примеры. Числа 2, 3, 5, 7, 11 простые, числа 4, 6,

Примеры. Числа 2, 3, 5, 7, 11 простые, числа 4, 6,

18, 100 составные. Отметим, что число 1 не является ни простым, ни составным.
Существует стандартная система обозначений простых чисел: Р1 – первое по величине простое число (ясно, что Р1 = 2),
Р2 – следующее простое число,
(Р2 = 3), (Р3 = 5), (Р4 = 7), (Р5 = 11), (Р6 = 13), (Р7 = 17), (Р8 = 19) и т.д.
Вообще Рn – n-ое простое число.
К сожалению, не существует аналитической формулы f (n), которая позволила бы вычислять любое простое число Pn.
Слайд 3

Теорема 2. Простых чисел существует бесконечно много. Доказательство. Допустим, существует лишь

Теорема 2. Простых чисел существует бесконечно много.
Доказательство. Допустим, существует лишь

конечное число простых чисел. Перечислим их:
P1, Р2, …, РN.
Значит, любое другое натуральное число содержит в качестве делителя по крайней мере одно из
Рi (i = 1, 2, …, N).
Рассмотрим число
Р = Р1 Р2 … РN + 1.
Очевидно, что это число не делится ни на одно из чисел
Слайд 4

так как при делении на любое из этих чисел Р дает

так как при делении на любое из этих чисел Р дает

в остатке 1.
Значит, допущение о конечности множества простых чисел неверно. Простых чисел существует бесконечно много.
Замечание. По дошедшим до нас историческим источникам это доказательство принадлежит Евклиду и является первым примером в математике доказательства «методом от противного».
Простые числа являются «кирпичиками» из которых строятся все остальные натуральные и целые числа, отличные от 0, -1, 1.
Слайд 5

Теорема3. (основная теорема арифметики). Для любого натурального числа а ≠ 1

Теорема3. (основная теорема арифметики). Для любого натурального числа а ≠ 1

имеет место равенство
а =
для некоторых неотрицательных целых
α1, α2, …, αк и натурального k.
Правая часть равенства называется разложением числа а в произведение простых чисел. Такое разложение при фиксированной нумерации множества простых чисел единственно.
Слайд 6

Пример. 10 = 2 ∙ 5 = 21 ∙ 30 ∙

Пример.
10 = 2 ∙ 5 = 21 ∙ 30

∙ 51 , 81 = 34 = 20 ∙ 34 ,
200 = 2 ∙ 100 = 8 ∙ 25 = 23 ∙ 52 = 23 ∙ 30 ∙ 52.
Слайд 7

Определение 4. Пусть а,b N. Число с называется общим делителем а

Определение 4. Пусть а,b N. Число с называется общим делителем а

и b , если оба они делятся на с без остатка.
Примеры. Пусть а = 24, b = 36.
Тогда общими делителями a и b будут числа 1, 2, 3, 4, 6 и 12.
Число 8 не будет общим делителем чисел 24 и 36.
Пусть а = 10, b = 30.
Общие делители – 1, 2, 5.
Пусть а = 16, b = 35.
Общий делитель, равный 1, единственный.
Слайд 8

Теорема 5. Пусть и Число b является делителем а в том

Теорема 5. Пусть 
и 
Число b является делителем а в том и только

в том случае, когда βi ≤ αi для любого i = 1,…, n.
Слайд 9

Следствие 6. Пусть для натурального числа а имеет место равенство Тогда

Следствие 6.
Пусть для натурального числа а имеет место равенство
Тогда число

делителей а вычисляется по формуле (α1 + 1) ∙ (α2 + 1) ∙ … ∙ (αn + 1).
Слайд 10

Теорема 7. Пусть и Тогда число является общим делителем чисел а

Теорема 7. Пусть
и
Тогда число
является общим делителем чисел а

и b в том и только в том случае, когда
γ1 ≤ min (α1, β1), γ2 ≤ min (α2, β2), …, γn ≤ min (αn, βn).
Слайд 11

Определение 8. Число c называется наибольшим общим делителем чисел а и

Определение 8.
Число c называется наибольшим общим делителем чисел а и

b
(обозначение: с = НОД (а, b)),
если с является самым большим из всех общих делителей чисел а и b.
Примеры. Пусть а = 24, b = 30.
Тогда НОД (24, 30) = 6.
Если а = 10, b = 33, то НОД (10, 33) = 1;
НОД (а, а) = а.
Пусть а = 12, b = 48.
Тогда НОД (12, 48) = 12.
Слайд 12

Теорема 9. Пусть а и b натуральные числа, Тогда НОД (а,b)=

Теорема 9. Пусть а и b натуральные числа,
Тогда НОД (а,b)=


где γi = min (αi,βi), i = 1,2,3, …, n.
Слайд 13

Следствие 10. Любой общий делитель чисел а и b является также

Следствие 10.
Любой общий делитель чисел а и b является также

делителем НОД (а, b).
Определение 11.
Число а называется кратным числу b (а,b N), если а делится на b или, что тоже самое, b есть делитель а.
Тот факт, что а делится на b, будет обозначать как b .
Слайд 14

Пример. Пусть b =3. Тогда кратным ему будут числа 3,6, 9,

Пример. Пусть b =3.
Тогда кратным ему будут числа 3,6, 9,

12, … . Их можно описать общей формулой
а = 3n (n N).
Этот пример показывает, что в отличие от делителей, количество кратных любому натуральному числу b бесконечно.
Слайд 15

Определение 12. Если число а делится на число b и с,

Определение 12.
Если число а делится на число b и с,

то а называется общим кратным чисел b и с.
Примеры.
Если b = 6, c = 8, то общее кратное этих чисел равно 24.
Также общими кратными являются числа
48, 72, … .
Слайд 16

Теорема 13. Пусть, Тогда число является общим кратным чисел b и

Теорема 13. Пусть,
Тогда число
является общим кратным чисел b и с

тогда и только тогда, когда
α1 ≥ max (β1,γ1), α2 ≥ max (β2,γ2), …, αn ≥ max (βn,γn).
Слайд 17

Доказательство. Пусть а – общее кратное b и с. Так как

Доказательство.
Пусть а – общее кратное b и с.


Так как а делится на b, то
αi ≥ βi, i = 1, 2, 3, …, n.
Так как а делится на с, то
αi ≥ γi, i = 1, 2, 3, …, n.
Так как αi ≥ βi и αi ≥ γi , то αi ≥ max (βi,γi). Докажем в другую сторону.
Так как αi ≥ max (βi,γi), то αi ≥ βi
для каждого i = 1, 2, 3, …, n,
значит а делится на b.
Аналогично, а делится на с, то есть
а – общее кратное b и с.
Слайд 18

Определение 14. Самое маленькое из всех общих кратных натуральных чисел b

Определение 14.
Самое маленькое из всех общих кратных натуральных чисел b

и с называется наименьшим общим кратным b и с и обозначается НОК (b, c).
Примеры.
НОК (3, 5) = 15, НОК (4, 6) = 12,
НОК (36, 64) = 576, НОК (2, 8) = 8,
НОК (а, а) = а, НОК (1, а) = а.
Слайд 19

Теорема 15. Пусть Число является НОК (b, с) в том и

Теорема 15. Пусть
Число
является НОК (b, с) в том и

только в том случае, когда
αi = max (βi,γi), i = 1, 2, 3, …, n
Слайд 20

Следствие 16. Любое общее кратное чисел b и с делится на

Следствие 16.
Любое общее кратное чисел b и с делится на

НОК(b, с).
Лемма 17. Для любых чисел х, у
max (x, y) + min (x, y) = x + y.
Слайд 21

Доказательство. Рассмотрим три случая: 1) х = у, тогда max (x,

Доказательство. Рассмотрим три случая:
1)       х = у, тогда
max (x, y)

= x, min (x, y) = x, поэтому
max (x, y) + min (x, y) = 2 x и х + у = 2х ;
2)       х > у, тогда
max (x, y) = x, min (x, y) = y,
следовательно
max (x, y) + min (x, y) = x + y ;
3)       x < y, тогда
max (x, y) = y, min (x, y) = x,
поэтому max (x, y)+ min (x, y) = y + x = x + y.
Слайд 22

Теорема 18. Для любых натуральных чисел b и с НОД (b,

Теорема 18.
Для любых натуральных чисел b и с
НОД (b,

с) · НОК (b, с) = b · c.
Доказательство. Пусть
и
Тогда
Слайд 23

НОД(b,c)*НОК(b,c) = = =

НОД(b,c)*НОК(b,c) =
=
=

Слайд 24

Определение 19. Числа а и b называются взаимно простыми, если НОД

Определение 19. Числа а и b называются взаимно простыми, если НОД

(а, b) = 1. Другими словами, если а и b не имеют общих делителей, отличных от 1.
Примеры.
3, 8 – взаимно просты,
1, 5 взаимно просты,
4, 6 – не взаимно просты.
Слайд 25

Определение 20. Функцией Эйлера φ (n) называется количество чисел меньших, либо

Определение 20.
Функцией Эйлера φ (n) называется количество чисел меньших, либо

равных n, которые взаимно просты с n.
Примеры.
1) φ (12) = 4.
Перечислим все числа ≤ 12 и взаимно простые с 12: 1,5, 7, 11;
2) φ(36) = 12.
Перечислим все необходимые числа: 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31, 35;
3) φ(7) = 6.
Слайд 26

Теорема 21. Пусть n = , причем αi > 0 и

Теорема 21.
Пусть
n = ,
причем αi > 0 и

ki kj (i j),
i ,j= 1, 2, …, n. Тогда