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算术基本定理

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算术基本定理,又称为正整數的唯一分解定理,即:每个大于1的自然数,要么本身就是质数,要么可以写为2個或以上的質數的,而且这些質因子按大小排列之后,写法僅有一種方式。

例如:

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,正整数分解为素數乘积的方式是唯一的。

算术基本定理是初等數論中一个基本的定理,也是许多其他定理的逻辑支撑点和出发点。

定理陳述

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. 其中 而且 是一个質数.

這種表示的方法存在,而且是唯一的。

證明

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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:若質數,则不是 ,就是。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。

存在性

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反證法:假設存在大於 的自然數不能寫成質數的乘積,把最小的那個稱為

不可爲質數,因爲 可被寫成質數的乘積。因此 一定是合數,但每個合數都可以分解成兩個嚴格小於自身而大於 的自然數的積。設 ,則根據假設,由於 是最小的不能被寫成質數乘積的自然數,所以 都能被寫成質數的乘積。然而 也可以寫成質數的乘積,由此產生矛盾,故大於 的自然數必可寫成質數的乘積。

唯一性

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歐幾里得引理:若質數,则不是 ,就是

引理的证明:若 则证明完毕。若,那么两者的最大公约数为1。根据貝祖等式,存在 使得。于是。 由于,上式右边两项都可以被p整除。所以

再用反證法:假設有些大于1的自然數可以以多于一种的方式寫成多个質數的乘積,那么假设是其中最小的一個。

首先不是質数。將用兩種方法寫出: 。根據引理,質数 ,所以 中有一個能被整除,不妨设为。但也是質数,因此 。所以,比小的正整数也可以写成 。这与 的最小性矛盾!

因此唯一性得证。

相關

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在一般的數域中,並不存在相應的定理;事實上,在虛二次域 之中,只有少數幾個能滿足,最大的一個 。例如,可以以兩種方式在 中表成整數乘積:。同樣的,在分圓整數中一般也不存在唯一分解性,而這恰恰是人們在証明費馬大定理時所遇到的陷阱之一。

歐幾里得在普通整數 中証明了算術基本定理──每個整數可唯一地分解為素數的乘積,高斯則在複整數 中得出並証明,只要不計四個可逆元素 之作用,那麼這個唯一分解定理在 也成立。高斯還指出,包括費馬大定理在內的普通素數的許多定理都可能擴大到複數域。

高斯类数

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对于二次方程:,它的根可以表示为:

因为负数不能开平方,的符号就很重要,如果为正,有两个根;如果为0,只有一个根;如果为负,没有实根。欧拉的素数公式: 两个复数解為:

哪个值可以得到唯一分解定理? 皆可得到定理,但當时不能。因为在这个数系中6这个数有两种形式的因子分解(分解至不可分约的情形)。 。在高斯时代,已知有9个使得所产生的数有唯一因子分解(如上面指出那样取值)。 高斯认为的數量不會超過10個,但是没有人能够证明。 1952年,业余数学家,退休的瑞士工程师庫爾特·黑格納英语Kurt Heegner(Kurt Heegner)发表了他的证明,声称第10个高斯类数不存在。但是没有人相信他。世界又等待了15年之后才知道这个定理:麻省理工学院的斯塔克(Harold Stark)和剑桥大学的阿兰贝克(AlanBaker)独立用不同方法证明了第10个值不存在。两个人重新检查了希格内尔的工作,发现他的证明是正确的。 为了紀念长期被忽视的希格内尔,上述的9個數被稱為黑格纳数,一些曲线上的点被命名为希格内尔点。 参见《数学新的黄金时代》和其它数学书籍。

外部連結

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