Приглашение в теорию чисел

В действительности мы очень мало знаем о свойствах пар дружественных чисел, однако, можно на основе наших таблиц высказать несколько предположений. Например, отношение одного из них к другому, по-видимому, должно все больше и больше приближаться к 1 по мере того, как они увеличиваются. Из таблицы видно, что эти числа бывают либо оба четными, либо оба нечетными, но не было найдено случая, когда одно число четно, а другое нечетно, хотя поиски дружественных чисел такого вида были проведены среди всех чисел n ≤ 1 3 000 000 000.

ГЛАВА 4

НАИБОЛЬШИЙ ОБЩИЙ ДЕЛИТЕЛЬ И НАИМЕНЬШЕЕ ОБЩЕЕ КРАТНОЕ

§ 1. Наибольший общий делитель

Откровенно говоря, мы надеемся, что многое в этой главе окажется для вас знакомым.

В ней рассматриваются понятия, с которыми вы познакомились в школе, как только научились обращаться с обыкновенными дробями. Единственным оправданием включения этого материала является желание освежить его в вашей памяти. Мы также надеемся, что приведенное изложение материала явится более систематическим, чем то, к которому вы привыкли.

Возьмем некоторую дробь а/b, отношение двух целых положительных чисел а и b. Обычно мы стараемся привести ее к простейшему виду, т. е. мы стараемся сократить множители, общие для а и b.

Эта операция не изменяет значения дроби, например,

24/36 = 8/12 = 2/3.

Общим делителем двух натуральных чисел а и b называется натуральное число d, которое является множителем как числа а, так и числа b, т. е.

a = d • а₁, b = d • b₁.

Если число d — общий делитель чисел а и b, то он также делит числа а + b и а — b, так как

а + b = а₁d + b₁

d = (а₁ + b₁) d,

а — b = а₁d — b₁d = (а₁ — b₁) d.

Когда известны разложения чисел а и b на простые множители, нетрудно найти все их общие делители. Выпишем эти два разложения на простые множители:

а = р₁^α₁ • … • р_r^α_r, b = р₁^β₁ • … • р_r^β_r. (4.1.1)

Здесь мы договариваемся записывать разложения чисел а и b так, как если бы они имели одинаковые простые множители

р₁, p₂

…, р_r

но с условием, что мы допускаем возможность использования показателя степени, равного 0. Например, если p₁ делит число а, но не делит число b, мы полагаем, что в формуле (4.1.1) β₁ = 0. Таким образом, если

а = 140, b = 110, (4.1.2)

то

а = 2² • 5¹ • 7¹ • 11⁰, b = 2¹ • 5¹ • 7⁰ • 11¹. (4.1.3)

Из формулы (4.1.1) следует, что любой делитель d числа а может иметь простыми множителями только числа p_i, которые встречаются в числе а и каждое из них содержится в степени δ_i, не превосходящей соответствующей степени α_i в числе а. Аналогичные условия имеют место и для любого делителя d числа b. Поэтому общий делитель d чисел а и b может иметь в качестве простых множителей только числа p_i, которые встречаются одновременно в числах а и b, а степень δ_i числа p_i в d не может превосходить меньшей из двух степеней: α_i и β

_i.

Из этого обсуждения мы можем сделать вывод: любые два натуральных числа а и b имеют наибольший общий делитель d₀. Простыми множителями p_i числа d₀ являются те, которые одновременно встречаются в числах а и b, а степень числа р_i в числе d₀ есть меньшее из двух чисел α_i и β_i.

Пример. Возьмем два числа, указанных в (4.1.2), имеющие разложения на простые множители (4.1.3); очевидно, что

d₀ = 2¹ 5¹ = 10.

Так как степень простого числа p_i в наибольшем общем делителе по крайней мере не меньше, чем у любого другого общего делителя, то мы получаем характеристическое свойство:

Любой общий делитель d делит наибольший общий делитель d₀.

Наибольший общий делитель двух чисел настолько важен, что для него существует специальное обозначение:

d₀ = D(a, b). (4.1.4)

Система задач 4.1.

1. Найдите наибольший общий делитель пар чисел: а) 360 и 1970, б) 30 и 365, в) номера вашего телефона и вашего почтового индекса.

2. Как бы вы стали доказывать, что √2 есть иррациональное число, используя в доказательстве теорему о единственности разложения?

§ 2. Взаимно простые числа

Число 1 является общим делителем для любой пары чисел а и b. Может случиться, что единица будет единственным их общим делителем, т. е.

d₀

= D(a, b) = 1. (4.2.1)

В этом случае мы говорим, что числа а и b взаимно простые.

Пример. (39, 22) = 1.

Если числа имеют общий делитель, больший единицы, то они также имеют общий простой делитель.

Итак, два числа могут быть взаимно простыми только тогда, когда они не имеют общих простых множителей, поэтому условие (4.2.1) означает, что числа а и b не имеют общих простых множителей, т. е. все их простые множители различны.

Вернемся к началу этой главы, где мы приводили дробь а/b к простейшему виду. Если d₀ есть наибольший общий делитель чисел а и b, то мы можем написать

a = a₀d₀, b = b₀d₀. (4.2.2)

Тогда

a/b = a₀d₀/b₀d₀ = a₀/b₀. (4.2.3)