数论教案
§1整数的整除 带余除法
1 整数的整除
设a,b 是整数,且b ≠0,如果有整数q,使得a=bq,则称b 整除a,记为b|a,也称b 是a 的因数,a 是b 的倍数. 如果没有整数q,使得a=bq,则称b 不能整除a,记为b?a.例如 2|4, 4|-12, -5|15; 2?3, -3?22. 在中小学数学里,整除概念中的整数是正整数,今天讲的整除中的整数可正可负. 判断是否b|a 当a,b 的数值较大时,可借助计算器判别.
如果b 除a 的商数是整数,说明b|a;如果b 除a 的商不是整数,说明b?a. 例1判断下列各题是否b|a(1) 7|127 (2) 11|129 (3) 46|9529 (4) 29|5939 整除的简单性质
(1)如果c|b,b|a,那么c|a;
(2)如果d|a,d|b,那么对任意整数m,n,都有d|ma+nb.
(3)如果
12,,,n a a a L 都是m 的倍数,12,,,n q q q L 是任意整数,那么
1122n n q a q a q a +++L 是m 的倍数.
(4)如果c|a,d|b,那么cd|ab 。
例如: 2|4,2|(-6),那么2|4+(-6),2|4-(-6). 2|4,3|(-6),那么2×3|4×(-6). 例2证明任意2个连续整数的乘积,一定可被2整除. 练习 证明任意3个连续整数的乘积,一定可被3整除. 2.带余除法
设a,b 是整数,且b>0,那么有唯一一对整数q,r 使得 a=bq+r,0≤r < b . (1) 这里q 称为b 除a 的商,r 称为b 除a 的余数.
例如-5=3×(-2)+1 5=3×1+2 -5=(-3)×2+1 5=(-3)×(-1)+2 15=(-5)×(-3), -24=(-2)×12. 事实上,以b 除a 的余数也可以是负的.例如 -5=3×(-1)-2=3×(-2)+1.
求b 除a 的余数,也称为模运算(取余):mod.可用计算器进行.
具体操作:输入a-按mod(取余)键-输入b-按=键得出余数.如果b 除a 的余数=0,则b|a;如果b 除a 的余数≠0,则b?a.
例3 利用计算器求余数:
(1) 7除127;(2)11除-129 ;(3)46除-9529;(4)-29除5939 奇数、偶数及性质
能被2整除的整数称为偶数.如,0,4,10,-6,-8都是偶数. 不能被2整除的整数称为奇数.如,-5,-3,1,7,11都是奇数. 偶数的形式为2n(n 是整数);奇数的形式为2n-1(n 是整数).
奇数、偶数的性质: 偶数±偶数=偶数,奇数±奇数=偶数,奇数±偶数=奇数,
偶数×偶数=偶数,偶数×奇数=偶数,奇数×奇数=奇数.
例如 2+4,2-4,3+1,3-1,3+4,6+5
设a,b 是任意两个整数,则a+b 与a-b 同奇同偶. 例如3+5,3-5,6+3,6-3,
例4设a,b,n 是任意3个整数,而且22
2a b n -=,证明n 是偶数.
例5设a 是任一奇数,试证明8|2
1a -.
例6设n 是正整数,证明形如3n-1整数不是完全平方数.
证明 对任意整a,设a=3q 或a=3q ±1,于是
2
a =92q 或 2a =92q ±6q+1=3(32q ±2q)+1.
即
2
a
≠3n-1,故3n-1不是完全平方数.
练习 设n 是正整数,证明形如4n-1、4n+2的整数都不是完全平方数. 习题:P3-4:1t,2t.
§2公因数、最大公因数
1.最大公因数、辗转相除法
中小学里的公因数、最大公因数的概念:
几个数的公有因数叫做这几个数的公因数.公因数中最大的整数称为这几个数的最大公因数. (1)几个数:不能确定;(2)因数、公因数:都是正整数; 最大公因数:没有专门的符号. 定义设1
2,,,n a a a L ,d 都是整数,d ≠0,如果i d a ,i=1,2,…,n,称d 是
12,,,n a a a L 的公因数,12,,,n a a a L 的公因数中最大的整数称为最大公因数.记为12(,,,)n a a a L .如果12(,,,)n a a a L =1,则
称12,,,n a a a L
互质。
例1 (-6,8)=2,(-3,6,-9,15)=3,(1,2,3,-4)=1.
在中小学数学里,求正整数a,b 的最大公因数主要有这个样几种方法:
(1)观察法;
(2)将a,b 的所有公因数都求出来,再从中挑最大的; (3)用短除法.
辗转相除法:设a,b 是正整数,而且有
111,0;a bq r r b =+<<
12221,0;b rq r r r =+<< 123332,0;r r q r r r =+<<
…………… (*)
211,0;n n n n n n r r q r r r ---=+<<
11.n n n r r q -+=
(,)n a b r =。
例2用辗转相除法求(123,78),
练习:用辗转相除法求(66,54).
下面说明辗转相除法的正确性.先证明
性质1设整数a,b,c 不全为0,而且有整数q 使得a=bq+c 则(a,b)=(b,c). 证明 由a,b,c 不全为0知,(a,b)、(b,c)都存在.
因(a,b)|a,(a,b)|b,c=a-bq,得(a,b)|c,又得(a,b)≤(b,c); 反之,由(b,c)|b,(b,c)|c,a=bq+c,得(b,c)|a,(b,c)≤(a,b). 所以(a,b)=(b,c). 由(*)式知
1210,
n n b r r r r ->>>>>>L 而n 是有限正整数,再由性质1得
112(,)(,)(,)a b b r r r ===…=211(,)(,)(,0)n n n n n n r r r r r r ---===.
2.最大公因数的性质 最大公因数的几个性质:
性质2 (am,bm)=(a,b)m,m>0.(短除法的根据) 例3求(84,90),(120,36).
(84,90)=3(28,30)=6(14,15)=6.(120,36)=12(10,3)=12. 性质3 (a,b)=(|a|,|b|). 性质4 (a,b,c)=((a,b),c).
例4求(-84,120),(-120,-72),(24,-60,-96).
例5设n 是任意整数,证明31
52
n n ++是既约分数.
证明 设d=(3n+1,5n+2),则d|3(5n+2)-5(3n+1),即d|1,d=1,
所以3n+1与5n+2互质.
作业 1.利用辗转相除法求(84,90). 2.求(120,36).
3.设n 是整数,证明
31
72
n n ++是既约分数。
§3整除的进一步性质及最小公倍数
1.整除的进一步性质
推论1设a,b 不全为零,那么有s,t ∈Z 使得as+bt=(a,b). 证明 将(*)中每式中的余数解出得
21n n n n
r r r q --=-,
1321
n n n n r r r q ----=-,…,
212
r b rq =-,
11
r a bq =-,再将
1221,,,,n n r r r r --L 的表达式依次代入到21n n n n r r r q --=-中就得au+bv=n r =(a,b)=d,u,v ∈Z.
例1用辗转相除法求(120,54),并求整数u,v 使得
120u+54v=(120,54).
解∵120=2×54+12,54=12×4+6,12=6×2,∴(120,54)=6. 12=120-2×54,6=54-12×4=54-(120-2×54)×4 =120×(-4)+54×9. ∴ u=-4,v=9.
练习用辗转相除法求(84,45),并求整数u,v 使得
84u+45v=(84,45).
设a,b 都是正整数,问a,b 的公因数与最大公因数有什么关系 例2 ①求(12,18)及12与18的所有正的公因数;
通过这个例子,请同学们观察最大公因数与公因数有何关系能否提出自己的猜想能否证明自己的猜想
性质1 设d 是a,b 的最大公因数,那么,a,b 的任一公因数都是d 的因数.
证明 如果d=(a,b),由性质2有u,v ∈Z 使得au+bv=d.设s 是a,b 的任一公因数,则s|au,s|bv,且s|au+bv,即s|d.
性质2如果d=(a,b),则(
,a b d d
)=1.
性质3如果(a,c)=1,且c|ab,则c|b. 性质4如果(a,c)=1,则(ab,c)=(b,c). 性质5如果(a,b)=1,且a|c,b|c,则ab|c. 例3证明 三个连续整数的积一定可被6整除. 2最小公倍数
定义 如果m 是
12,,,n a a a L 中每一个数的倍数,则称m 是整数
12,,,n
a a a L 的一个公倍数.
12,,,n
a a a L 的公倍中最小正整数称为
12,,,n
a a a L 的最小公倍数.用
[
12,,,n a a a L ]来表示.
例如 [2,4,-3]=12,[15,12,20]=60,[6,10,15]=30.
定理3 [
12,,,n a a a L ]=[|1a |,|2a |,…,|n a |].
定理4 设a,b 是两个正整数,则 (i)a,b 的任一公倍数是[a,b]的倍数;
(ii)[a,b]=
(,)ab
a b .而且若(a,b)=1,则[a,b]=ab.
证明(i)设m 是a,b 的任一公倍数,而且m=t[a,b]+r,0≤r<[a,b]
,因m,[a,b]都是a,b 的公倍数,由r=m-t[a,b]知r 也是a,b 的公倍数,若0 (ii)记d=[,]ab a b ,则d 是整数,由a|[a,b],a|[a,b]及 [,]a a b d b =, [,]b a b d a = 知d|a,d|b,即d 是a,b 的公因数. 设h 是a,b 的任一公因数,由ab b a a b h h h ==是a,b 的公倍数及TH16知[a,b]|ab h ,即[,]ab d Z a b h h =∈,所以h|d, (a,b)=d,从而(a,b)= [,]ab a b . 定理5 设 12,,,n a a a L 都是正整数,令 122[,]a a m =,233[,]m a m =,…,1[,]n n n m a m -=,则12[,,,]n n a a a m =L . 定理19设 12,,,n a a a L 是n(≥2)个正整数,且两两互素,则 12[,,,]n a a a =L 12n a a a L 例2 求[123,456,-789] 例3 求正整数a,b,满足:a+b=120,(a,b)=24,[a,b]=144. 例14设a,b,c 是正整数,则[a,b,c]= (,,)abc ab bc ca 作业:P14:1. 2.求(84,45),并求整数u,v 使得84u+45v=(84,45) . §4质数 算术基本定理 1.质数 定义设整数a>1,如果a 除了1和a 外再无其它正因数,则称a 为质数,也称为素数.否则,称a 为合数. 2,3,5,7,11都是质数,4,6,8,9,10都是合数. 1-100内有素数25个,1-1000内有素数168个,1-10000内有素数1229,10万内有素数9592个,100万之内78498个. 定理1设整数a>1,则a 除1外的最小正因数q 是素数,而且当a 是合数时,q ≤ . 证明 假定q 是合数,设q=bc,1 若a 是合数,设a=qm,由q 的最小性知a=qm ≥qq,即q ≤ . 素数判定定理 设整数a>1,不超过 所有素数为 12,,,k p p p L ,如果i p ?a,i=1,…,k,则a 为素数. 例1 以下正整数哪个是素数哪个是合数 231,89,103,169. 素数判别威尔逊定理:设整数p>1,那么p 是素数的充分必要条件是 p|(p-1)!+1. 例2 利用威尔逊定理判别3,5,7,11都是素数. 当p 较大时,(p-1)!+1的数值非常大,在实际运用时不可行。 定理2 设P 是素数,a 为任一整数,则或P|a,或(P,a)=1. 证明 因(P,a)|P,P 为素数,所以(P,a)=P,或(P,a)=1.即P|a,或(P,a)=1. 2.整数的唯一分解定理 定理3 任何a>1的整数都有标准分解式:a=12 12k k p p p αααL (3) 这里 12,,,k p p p L 为不同素数,整数0i α>,i=1,…,k. 推论 1 若正整数 a>1 的标准分解式为 a= 1212k k p p p αααL ,则a 的正因数d 为 d= 1212k k p p p βββL ,0i i βα≤≤,i=1,…,k.而且a 有不同的正因数12(1)(1)(1)k ααα+++L 个. 推论2设a= 1212k k p p p αααL ,b= 1212k k p p p βββL ,0i α≥,0i β≥,i=1,…,k. 则 (1)(a,b)=1 2 12k k p p p γγγL ,[a,b]=1 2 12k k p p p δδδL , 其中min(,)i i i γαβ=,max(,)i i i δαβ=,i=1,…,k. (2)a,b 共有正公因数12(1)(1)(1)k γγγ+++L 个; (3)a,b 共有公因数 122(1)(1)(1)k γγγ+++L 个. 例3 求725760,154200的标准分解式,并求它们的最大公因数和最小公倍数. 解 因725760=82×5×11×41, 154200=32×3×2 5×257, 所以(725760,154200)= 3 2 ×5, [725760,154200]=8 2×3×2 5×11×41×257. 例4求下列各组数的最大公因数及其公因数的个数: (1)123,78;(2)120,54. 练习:求下列各组数的最大公因数及其公因数的个数: (1)125,70;(2)140,56. 例8设p,q 都是大于3的素数,证明24|22 p q -. 3质数的多少和质数的求法 定理4 素数有无穷多个. 证明 反证法,设质数只有k 个: 12,,,k p p p L ,令121k M p p p =+L , M>1,于是M 有素数因数p.因 i p ?M,i=1,2,…,k,p|M,所以p ≠i p ,i= 1,2,…,k.这就是说, 12,,,k p p p L ,p 是k+1个不同素数.这与假设矛盾. 1-n 之间的所有素数怎样求出来 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 按以下步骤进行: (1)删去1,剩下的后面的第一个数是2,2是素数; (2)删去2后面被2整除的数(从4开始),2后面剩下的第一个数3是素数; (3)删去3后面的被3整除的数(从9开始),3后面剩下的第一个数5是素数; (4)删去5后面的被5整除的数(从25开始),5后面剩下的第一个数7是素数; ? ? 现在表中剩下的就全为素数了: 2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47,53,59,61,67,71,73,79,83,89,97. 对较小范围内的素数以上求法方便,对较大范围内的素数,需要编程求素数了. 现在运行程序,求较大范围内的素数.找两个同学来求. 作业:1.判别1577是否为素数;:5t; 3.求725760,154200的标准分解式,并求它们的最大公因数和最小公倍数,并求它们的所有公因数的个数。 §5 函数[x],{x}及其应用 1. 函数[x],{x}的定义 定义1 设x是实数,以[x]表示不超过x的最大整数,称它为x的整数部分,又称{x} = x ? [x]为x的小数部分。例1 []=3,[]=-4,[]=-1,[]=0,[π]=3,[-π]=-4. 性质设x与y是实数,则 (1)x?y?[x]?[y]; (2)若m是整数,?[m?x]=m?[x]; (3)若0?x<1,则[x]=0; (4)(带余除法)设a,b是整数,且b>0,则a=b [] a b+b {} a b. 设a=bq?r,0?r q b b =+ ,故 [] a b=q, {} a r b b = ,所以a=b [] a b+b {} a b. (5)设a与b是正整数,则1-a中能被b整除的整数有[] a b个。 证明能被b整除的正整数是b,2b,3b,?,因此,若数1,2,?,a中能被b整除的整数有k个,则kb?a<(k+1)b?k?a b [] a b. 例2 不超过101且是5的倍数的正整数有[101 5]=20个,100-500的整数中7的倍数的正整数有[ 500 7]-[ 99 7]=71-14=57. 2. 函数[x]的应用 设p 是素数,n是整数,如果 k p │n, 1 k p+ ?n,则称 k p 恰好整除n. 例3设p 是素数,那么在1-n的整数中,恰好被 k p 整除的整数有多少个 定理1 在n!的标准分解式中,质因数p的指数是 h=[n p]+[2 n p]+[3 n p]+… 证明在1,2,3,…,n中, ① 恰被p 整除的整数有[ n p ]-[2 n p ]个; ② 恰被p 整除的整数有[ 2n p ]-[ 3n p ]个; ③ 恰被p 整除的整数有[3n p ]-[4 n p ]个;…, ④ 恰被p 整除的整数有[r n p ]-[ 1 r n p +]个,…,于是 h=[ n p ]-[2 n p ]+2([ 2 n p ]-[ 3 n p ])+3([3 n p ]-[ 4 n p ])+…+r([ r n p ]-[ 1 r n p +])+…=[ n p ]+[2 n p ]+[ 3 n p ]+…. 性质 [ 1 r n p +]=[[ r n p ]/r]. 例3 求50!的标准分解式中,素数2,3,5的指数,并确定50!的十进制数的末尾0的个数. 练习1:200-300的整数中,求11的倍数的整数的个数. 练习2:60!的十进制数的末尾0的个数. 作业P23:1t. 2t,求100!的十进制数的末尾0的个数. 习题课 第二章 不定方程 §1二元一次不定方程 1.二元一次不定方程概念 例1百鸡问题:“鸡翁一,值钱五,鸡母一,值钱3,鸡雏三,值钱一.百钱买百鸡,问鸡翁、鸡母、鸡雏各几何” 设百钱买鸡翁、鸡母、鸡雏分别x 只、y 只、z 只.依题意得 x+y+z=100,且5x+3y+z/3=100. 整理得 14x+8y=200且x+y+z=100. 这里要求x,y,z 都是非负整数.14x+8y=200称为二元一次不定方程. 二元一次不定方程的一般形式为ax+by=c,(a,b,c ∈Z).如果整数m,n 满足am+bn=c, 则称m,n 为ax+by=c 的一组整数解,ax+by=c 的一组已知整数解,也称为特解. 2.二元一次不定方程解法 定理1二元一次不定方程ax+by=c 有整数解的充分必要条件是,(a,b)|c. 证明 若不定方程ax+by=c 有整数解m,n,则am+bn=c,因为(a,b)|a,(a,b)|b,所以 (a,b)|am+bn,即(a,b)|c. 反之,若(a,b)|c,设c=t(a,b).由第一章§3定理1知,有整数u,v 使得au+bv=(a,b),两边都乘以t 得aut+bvt=t(a,b)=c,即ut,vy 是ax+by=c 的整数解。 定理2二元一次不定方程 ax+by=c,(a,b)=1 (1) 有整数解m,n,则方程的一切整数解为 x=m-bt,y=n+at,t ∈Z,或x=m+bt,y=n-at,t ∈Z. (2) 证明 易知?t ∈Z,由(2)得到的整数x,y 都是方程(1)的解. 设x,y 是(1)的任一整数解,于是ax+by=c,am+bn=c ,所以a(x-m)+b(y-n)=0,又得 a(x-m)=-b(y-n),从而b|a(x-m).因为(a,b)=1,所以b|(x-m),设x-m=bt,t ∈Z,a(x-m) =-b(y-n)得y-n=-at,这样就得x=m-bt,y=n+at,t ∈Z. 3.例子与应用 例1 求14x+8y=200的一切整数解和所有非负整数解. 例2 求111x-321y=75的一切整数解. 例3 甲物品每件12元,乙物品每件18元,现用100元钱去买这两种物品,若要求每种物品至少买1件,且尽量不剩或少剩钱,问甲乙物品各买多少件 作业P31:1(a),2. §2多元一次不定方程 n 元一次不定方程的一般形式为 1122n n a x a x a x N +++=L (1) 其中 12,,,,n a a a N Z ∈L .n ≥2是整数. Th1 不定方程(1)有整数解充分必要条件是,(12,,,n a a a L ) |N. 例1求9x+24y-5z=1000的一切整数解. 解 因(9,24,-5)=1,所以不定方程有整数解,因(9,24)=3,可设9x+24y=3u,于是 ①3x+8y=u, ②3u-5z=100 ①的通解为x=u-8s,y=-u+3s,s ∈Z,②的通解为u=5t,z=-20+3t,t ∈Z. 故原不定方程的通解为x=5t-8s,y=-5t+3s,z=-20+3t,s,t ∈Z. 例2 把17/60写成分母两两互质的三个既约分数之和. 解 因60=3×4×5,设 1760345x y z =++,整理得20x+15y+12z=17.因(20,15,12=1,不定故方程有整数解,设20x+15y=5u,则 ①4x+3y=u, ②5u+12z=17. ①的通解为 x=u-3s,y=-u+4s,s ∈Z,②的通解为 u=1-12t,z=1+5t,t ∈Z. 故原不定方程的通解为 x=1-12t-3s,y=-1+12t+4s,z=1+5t,s,t ∈Z. 所以, 17112311241560345t s t s t ---+++=++.当t=s=0时,x=-y=z=1,此时有 1711160345-=++ . 作业:1求3x+6y-5z=15的一切整数解. §3 勾股数 1.不定方程222x y z += 不定方程222 x y z +=的一组整数解(x,y,z)称为一组勾股数. 例如,(3,4,5),(6,8,10),(9,12,15),(8,15,17)等都是勾股数. 定理 不定方程222 x y z +=, (1) 满足x>0,y>0,z>0,(x,y)=1,2 |x (2) 一切正整数解可由下式表出:x=2ab,y=22a b -,z=22 a b + (3) 其中a>b>0,(a,b)=1,a,b 一奇一偶. (4) ① a=2,b=1,x=4,y=3,z=5; ②a=3,b=2,x=12,y=5,z=13; ③ a=4,b=1,x=8,y=15,z=17; ④a=4,b=3,x=24,y=7,z=25; ⑤ a=5,b=2,x=20,y=21,z=29; ⑥a=5,b=4,x=40,y=9,z=41. 2.其它不定方程 例3 求不定方程的全部整数解 ①xy=6, ②xy-x+y-4=0. 解① x=±1且y=±6,或x=±6,且y=±1,或x=±2,且y=±3,或x=±3,且y=±2。 ②原方程可变为(x+1)(y-1)-3=0,即(x+1)(y-1)=3.所以有 x+1=±1且y-1=±3,或x+1=±3,且y-1=±1.故得不定方程的全部整数解为 x=0,y=4;x=-2,y=-2;x=2,y=2,x=-4,y=0. 作业:1.写出不定方程222x y z +=的满足x>0,y>0,z>0,(x,y)=1,2 |x 的2组正整数解。 2.求不定方程xy-x-y-4=0的全部整数解. 第三章 同 余 §1同余的概念及其性质 1.同余及性质 定义 设m 是正整数,称m 为模.a,b ∈Z,如果a,b 被m 除所得的余数相同,则称a,b 对模m 同余,记为a ≡b(modm).如果a,b 被m 除所得的余数不同,则称a,b 对模m 不同余,记为a?b(modm). 例如 4≡7(mod3),6≡11(mod5),4?5(mod3),6?8(mod5). 定理1 整数a,b 对模m 同余的充分必要条件是,m|a-b,即a=b+mt,t ∈Z. 证明 必要性,若a ≡b(modm).可设a=msa=r,b=mua=r,s,u ∈Z,则a-b=m(s-u)=mt, T=s-u ∈Z.所以m|a-b,且a=b+mt. 充分性,设a=ms+1r ,b=mu+2r ,a-b=m(s-u)+1r -2r .因m|a-b,所以m|1r -2r ,但|1r -2r | ,即a ≡b(modm). 同余的性质 甲:a ≡b(modm). 乙:若a ≡b(modm),b ≡a(modm). 丙:若a ≡b(modm),b ≡c(modm),则a ≡c(modm). 丁、戊: 1122(mod ),(mod ),a b m a b m ≡≡则 12121212(mod ), (mod ) a a b b m a a b b m +≡+≡ 由此可得,若 1122(mod ),(mod ),,(mod ) k k a b m a b m a b m ≡≡≡L 则 12121212(mod ),(mod ) k k k k a a a b b b m a a a b b b m +++≡+++≡L L L L . 由此可得定理2. 2.同余的应用 (9)|a 的条件 设a=110101010n n i n n a a a a --++++L ,09,1,,,0i n a i n a ≤≤=≠L .则 因101i ≡(mod3(9)),i=1,…,n,则a 110 n n a a a a -≡++++L (modm),于是 3(9)|a ?是3(9)|10 n a a a +++L . (11,13)|a 的条件 设a=110100010001000n n i n n a a a a --++++L ,0999,1,,,0 i n a i n a ≤≤=≠L .因 10001i ≡-(mod7(11,13)),则a 01(1)n n a a a ≡-++-L (modm),于是 7(11,13)|a ?是7(11,13)| 01(1)n n a a a -++-L . 例1 设a=5874192,b=435693,10 n a a a +++L =5+8+7+4+1+9+2=36,10 n a a a +++L =4+3+5+6+9+3=30,所以9|a,3|b. 例2若a=637693, 01(1)n n a a a -++-L =693-637=56, 7|56,11?56,13?56,所以7|5a,11?a6,13?a. 作业::2. §2 剩余类及完全剩余系 1.模m 的剩余类及完全剩余系 设m 是正整数,Z 是整数集,令r K ={mt+r|t ∈Z},r=0,1,…,m-1,则 0K ,1K ,…,1m K -称为模m 的剩余类. 易知,?a,b ∈r K ,则a ≡b(modm).称a 为r K 中其它数的剩余. 设 r r a K ∈,r=0,1,…,m-1,称 0a ,1 a ,…,1m a -为模m 的完全剩余系. 定义 设m 是正整数,0,1,…,m-1称为模m 的非负最小完全剩余系. m 为偶数时, ,1,,1,0,1,,1,-1,,1,0,1,,22222m m m m m - -+--+-L L L L 或称为模m 的绝对最小完全剩余系;m 为奇数 时, 11 ,,1,0,1,,22m m --- -L L 称为模m 的绝对最小完全剩余系. 例1 m=6,模6的剩余类为 0K ,1K ,2K ,3K ,4K ,5 K ,0,1,2,3,4,5是模6的一个完全剩余系,1,2,3,4,5,6也是模6的一个完全剩余 系.-3,-2,-1,0,1,2;-2,-1,0,1,2,3都是模6的完全剩余系,称为模6的绝对最小完全剩余系. 例2 m=5时,0,1,2,3,4;-2,-1,0,1,2分别叫做模5的非负最小完全剩余系和绝对最小完全剩余系. 2.完全剩余系的判定 定理1 m 个整数1a ,2a ,…,m a 为模m 的完全剩余系的充分必要条件为,1a ,2a ,…,m a 对模m 两两不同余. 定理2 设m 是正整数,(a,m)=1,b ∈Z, 1x ,2x ,…,m x 是模m 的一个完全剩余系,则 1ax b +,2ax b +,…, m ax b +是模m 的一个完全剩余系. 证明 对j ≠i,m? () j i x x -,因为 ()() j i j i ax b ax b a x x +-+=-,且(a,m)=1,于是m? () j i a x x -,所以m? ()j i ax b ax b +-+.j ax b +?i ax b +(modm ),i,j=1,2,…,m, j ≠i,从而1ax b +,2ax b +,…,m ax b +是模m 的一个完 全剩余系. 例3 ①写出模9的一组完全剩余系,它的每一个数都是偶数; ②写出模9的一组完全剩余系,它的每一个数都是奇数. 作业:1.分别写出模7、模8的非负最小完全剩余系、绝对最小完全剩余系. 3 简化剩余系与欧拉函数 1.简化剩余系、欧拉函数 定义若模m 的一个剩余类里的数与m 互质,则称这个剩余类为与模m 互质的. 对与模m 互质的全部剩余类,从每一类里任取一数组成的集合,叫做模m 的简化剩余系. m=6时, 1K ,5K 是全部与模m 互质的剩余类,1,5是模6的简化剩余系.m=8时, 1K , 3K ,5K ,7 K 是模8的简化剩余系. 定义设a 是正整数,欧拉函数()a ?=0,1,…,a-1中与a 互质的整数的个数. 例如(1)?=1,(2)?=1,(3)?=2,(4)?=2,(5)?=4,(6)?=2,(7)?=6. 模m 的一个简化剩余系中含有()m ?个数。 2.简化剩余系的判定 定理1 模m 的剩余类 r K 与模m 互质的?是?a ∈Z,使得(a,m)=1.与模m 互质的剩余类的个数是()m ?.模m 的每一个简化剩余系,是 由与m 互质的对模m 两两不同余的()m ?个整数组成. 定理3设m 是正整数,(a,m)=1, 1x ,2x ,…,()m x ?是模m 的一个简化剩余系,则1ax , 2 ax ,…, () m ax ?是模m 的一个简化剩余系. 定理4若 1m ,2m 是互质的两个正整数,1x ,2x 分别通过模的简化剩余系,则1m 2x + 2m 1 x 通过模 1m 2 m 的简化剩余系. 推论 若 1m ,2m 是互质的两个正整数,则 1212()()()m m m m ???=. 定理5 设正整数a 的标准分解式为a= 12 12k k p p p αααL ,则 ()a ?=1 2 111 1122(1)(1)(1)k k k p p p p p p ααα------L = 12111 (1)(1)(1)k a p p p - --L 证明 在数列1,2,…,p-1,p,p+1,…,p+p-1,2p,……, p(1p α--1)+1,…, p(1p α--1)+p-1,1 p α-p 中与 p α互质的整数有1 p α-(p-1)个,即1 ()(1)p p p αα?-=-. 作业P60:3. §4欧拉定理 费尔玛定理及其应用 1.欧拉定理 费尔玛定理 定理1(Euler)设a,m ∈Z,m>1,(a,m)=1,则 )(mod 1) (m a m ≡?. 证明取模m 的一个简化剩余系)) ((,,,,21m s b b b s ?=Λ,由于(a ,m )=1,由§3定理3知, s ab ab ab ,,,21Λ也是模m 的一个简化剩余系, 于是 1212()()()(mod ) s s ab ab ab b b b m ≡L L ,即 ()1212(mod ) m s s a b b b b b b m φ≡L L ,因(m,i b )=1,i= 1,2,…,()m ?,所以(m,12(),,,m b b b ?L )=1,从而 )(mod 1)(m a m ≡?.证毕。 推论(费尔玛定理)设P 是素数,则1 1(mod )P a P -≡,而且?a ∈Z,(mod )P a a P ≡. 证明 若p |a,则0P a a ≡≡(modP),若(a ,m )=1,则1 1(mod )P a P -≡,所以 (mod )P a a P ≡. 例1 设p,q 是不同的素数,证明 111P q q p --+≡(modpq). 证明 因p,q 是不同的素数,所以(p,q)=1,由费尔玛定理知, 11 1P q q p --+≡(modp), 111P q q p --+≡(modq).由同余的性质得,111P q q p --+≡(modpq). 例2设p ≠2,5为素数,整数a 的十进制数由p-1位,而且每一位上的数字都是9,证明p |a. 证明因p ≠2,5为素数,所以(10,p)=1,由费尔玛定理得,a=99…9=1 101P --≡0(mo dp),即p |a. 例3 若变量x 取整数时,多项式P(x)= 01n n b b x b x +++L 的值总为整数,则称P(x) 为整值多项式.证明,131 () 2730x x -是整值多项式. 证明 2730=2×3×5×7×13,当x 取整数值时,由费尔玛定理, 130x x -≡(mod13),即13|13x x -. 1376()(1)0x x x x x -=-+≡(mod7),即7|13x x -. 13584()(1)0x x x x x x -=-++≡(mod5),即5|13x x -. 133108642()(1)0x x x x x x x x x -=-+++++≡(mod3),即3|13x x -. 13211()(1)0x x x x x x -=-+++≡L (mod2),即2|13x x -. 因2,3,5.7.13两两互质,由整除的性质知,2×3×5×7×13|13 x x -,即2730| 13 x x -.故131 ()2730x x -是整值多项式. 例4 今天是星期一,问从今天起再过10 1010 天是星期几 解 10≡3(mod7),221032≡≡(mod7), 33 1032361≡≡=≡-g (mod7),所以 6101≡(mod7)。又因10≡-2(mod6), 221022≡≡-(mod6),故101024≡-≡(mod6)。 设10 1064k =+,k 为正整数,于是10 1064 64 10 10 101034k k +==≡-≡(mod7),这就是说,从今天起再过10 1010 天是星期五(1+4)。 例5求 2011 2011 2011被8除的余数。 作业:P64:1.例3 2.分数与循环小数 定义 如果无限小数0. 12n a a a L L ( n a ∈ {0,1,…,9})从任何一位数后不全为0,且能找到两个整数s ≥0,t >0,使得 s i s i kt a a +++=,i=1,2,…,t,k=0,1,2,…. (*) 则称它为循环小数,并简记为0.112s s t s a a a a a ++g g L L . 对满足(*)的最小正整数t,称1s s t a a ++g g L 为循环节,称t 为循环节的长度.若最小的s=0,那小数就叫做纯循环小数,否则叫做混循环小数。 定理2有理数a b ,0