
- •Министерство образования и науки Российской Федерации
- •Глава I. Азы теории чисел
- •§ 1. Деление целых чисел с остатком
- •5709 Mmmmmdссiiiiiiiii,
- •Перевод числа из десятичной системы счисления в q-ичную
- •Перевод числа из q-чной системы счисления в десятичную (схема Горнера)
- •Перевод числа из одной системы счисления в другую
- •Арифметические действия в позиционных системах счисления
- •§ 2. Деление целых чисел нацело
- •Свойства делимости нацело
- •§ 3. Наибольший общий делитель и наименьшее общее кратное
- •Основные свойства наибольшего общего делителя и наименьшего общего кратного
- •§ 4. Алгоритм Евклида
- •Расширенный алгоритм Евклида
- •§ 5. Взаимно простые числа
- •Простейшие свойства взаимно простых чисел
- •§ 6. Простые числа
- •Простейшие свойства простых чисел
- •§ 7. Простые числа в арифметических прогрессиях
- •О распределении простых чисел
- •§ 8. Язык сравнений
- •Свойства сравнений
- •§ 9. Функция Эйлера
- •§ 10. Теоремы Эйлера и Ферма
- •§ 11. Признаки делимости
- •§ 12. Принцип Дирихле
- •Глава II. Некоторые диофантовы уравнения
- •§ 1. Линейные диофантовы уравнения
- •§ 2. Общее диофантово уравнение от одного переменного
- •§ 5. Пифагоровы тройки
- •§ 6. Уравнение Ферма-Пелля
- •Глава III. Великая теорема ферма и abc – проблема
- •§ 1. Великая теорема Ферма
- •§ 2. Методы Эйлера-Куммера доказательства Великой теоремы Ферма
- •§ 3. Гипотеза Таниямы и доказательство Великой теоремы Ферма
- •§ 4. Abc – Теорема для многочленов и её следствия
- •§ 5. Abc – Гипотеза для натуральных чисел
- •§ 6. Некоторые следствия из abc– гипотезы
- •Глава IV. Задача о счастливых билетах
- •§ 1. Сведение задачи к задаче о числе наборов цифр с заданной суммой компонент
- •§ 2. Задача о числе наборов цифр с заданной суммой компонент
- •§ 3. Ещё одно решение задачи о числе наборов цифр с заданной суммой компонент
§ 11. Признаки делимости
Признак делимости на число m N – это такая процедура (алгоритм), которая сводит задачу о делимости данного большого числа на m к аналогичной равносильной задаче для гораздо меньшего числа. Например, признак делимости на 2 утверждает, что число делится на 2 тогда и только тогда, когда делится на 2 последняя (младшая) цифра этого числа. Таким образом, вместо самого многозначного числа признак делимости на 2 рекомендует делить на 2 только одну цифру.
Из школьного курса известны признаки делимости на 2, 4, 5, 25, 3, 9. Оказывается, что все они укладываются в одну схему.
Пусть даны
натуральные число
m
, и число k
=
,
записанное в десятичной системе
счисления, b0
, … , bn
– фиксированные целые числа, причём
bi
10i
(mod
m)
(0
i
n).
Целое число m(k)
= anbn
+ … + a1b1
+ a0b0
(mod
m)
назовём
т-индикатором
числа k .
Примеры: 1.
Пусть
m
= 3,
bi
= 1 (0
i
n).
Тогда
имеем
10i
1i
= bi
(mod 3).
Поэтому
выражение 3(k)
= an
+ …+ a0
является
3-индикатором
числа k =
.
2.
В предыдущем примере можно было бы
взять и другие числа bi
, например,
bi
= 4
(0
i
n)
также годятся, т.к. 4
1 (mod
3). Поэтому
выражение 3(k)
= 4an
+ …+ 4a0
тоже является
3-индикатором
числа k =
.
3. Проверьте
самостоятельно, что 9(k)
= an
+ …+ a0
является
9-индикатором
числа k =
.
Приведённые примеры показывают, что т-индикаторы определены не однозначно – они зависят от конкретного выбора чисел bi (0 i n), в качестве которых всегда можно взять, например, остатки от деления чисел 10i на т.
Теорема (обобщённый
признак делимости Паскаля). Пусть
заданы произвольное натуральное число
m и число k =
в десятичной системе счисления. Тогдаk
m(k)
(mod
m).
В частности, k
m тогда и только тогда, когда m(k)
m.
Доказательство. Ввиду 10i bi (mod m) имеем
k =
= an10n
+ an–110n–1
+ … + a110
+ a0
anbn + an–1bn–1 + … + a1b1 + a0b0 = m(k) (mod m).
В частности, k m k 0 (mod m) m(k) 0 (mod m) m(k) m.
Теорема доказана.
Следствие
1
(известные признаки делимости). Для
числа k =
справедливы следующие утверждения:
(1)
для
любого
s (1
s
n) верно
k
2s
2s
,
(2)
для
любого
s (1
s
n) верно
k
5s
5s
,
(3) k 3 (an + … + a0) 3,
(4) k 9 (an + … + a0) 9,
(5) k
11
(an(–1)n
+ … + ai
(–1)i
+ … + a0)
11.
Доказательство.
(1),
(2) Обозначая
через m
числа 2s
или 5s
(в зависимости от доказываемого
утверждения), имеем 10i
10i
(mod
m ) при i
< s и 10i
0 (mod
m) при i
s. Поэтому,
если в обобщённом признаке делимости
Паскаля положить bi
=
, то
k
т
(an0
+ … + as
0
+ as–1
10s–1
+ … + a0
100)
т
т.
(3), (4) Снова, обозначая через m числа 3 или 9 (в зависимости от доказываемого утверждения), получим 10i 1 (mod m), так что всё следует из признака делимости Паскаля.
(5) Легко видеть, что 10i (–1)i (mod 11), т.е. в качестве bi в признаке делимости Паскаля можно взять (–1)i.
Следствие 1 доказано.
Следствие 2
(признак делимости на 7).
Для числа k =
выполнены следующие утверждения:
(1) трёхзначное
число k =
делится на 7 тогда и только тогда, когда7(k)
= a0 +
3a1
+ 2a2
делится на 7,
(2) если число k
разбито справа налево на грани gi
=
по три десятичных цифры в каждой (0
i
+ 1), то k
7 в том и только том случае, когда (g0
– g1
+ … + (–1)igi
+ …)
7,
(3) в условиях утверждения (2) k 7 в том и только том случае, когда (7(g0) – 7(g1) + … + (–1)i7(gi) + …) 7.
Доказательство. (1) следует непосредственно из признака делимости Паскаля при b0 = 1 100, b1 = 3 101, b2 = 2 102 (mod 7).
(2) Ясно, что выполнено равенство k = g0 + g1103 + g2106 + … , причём, 103 = 7143 – 1 –1 (mod 7). Поэтому 103i (–1)i и, как и при доказательстве признака делимости Паскаля,
k = g0 + g1103 + g2106 + … g0 – g1 + … + (–1)igi + … (mod 7).
(3) Положим b6i = 1, b6i+1 = 3, b6i+2 = 2, b6i+3 = –1, b6i+4 = –3, b6i+5 = –2 (i N0). Тогда можно убедиться, что 10s bs (mod 7). Значит
7(k) = a0b0 + … + anbn =
= (a01 + a13 + a22)–(a31 + a43 + a52)+…+(–1)i(a3i1 + a3i+13 + a3i+22)+… = = 7(g0) – 7(g1) + … + (–1)i7(gi) + … .
Следствие 2 доказано.
Примеры: 1. Делится ли на 7 число 89653421567 ?
89.653.421.567 = 089.653.421.567 567 – 421 + 653 – 089
(17 + 36 + 25) – (11 + 32 + 24) + (13 + 35+ 26) – (19 + 38 + 20)
0 – 1 + 2 – 5 = –4 3 (mod 7).
Таким образом, число даёт остаток 3 при делении на 7, и не делится на 7.
Делится ли на 7 число 82936455364728195106114 ?
gi |
082 |
936 |
455 |
364 |
728 |
195 |
106 |
114 |
7(gi) |
–2 |
–2 |
0 |
0 |
0 |
–1 |
1 |
2 |
7(k) |
–(–2)+(–2)–0+0–0+(–1)–1+2 = 0 |
Итак, исходное число делится на 7.
Упражнение: Сформулируйте признаки деления на 13, 15, 27.
Замечание. Признаки делимости не всегда удобно формулировать, конструируя m-индикаторы. Хотя, как правило, удачно выбранный m-индикатор и минимизирует вычисления (что особенно важно при программировании на ЭВМ), но расплачиваться приходится трудностью запоминания получающихся признаков делимости, в чём читатель уже имел возможность убедиться, изучив признак делимости на 7. Следующая теорема показывает альтернативный путь – пусть менее короткий для вычислений, но зато более запоминающийся.
Теорема (признаки
делимости на 7,
11, 13).
Число k =
с количеством цифрn
3 делится на 7, 11, 13 тогда и только
тогда, когда на эти числа делится разность
чисел, записанных его старшими (n
– 3)-мя цифрами и младшими 3-мя цифрами
соответственно.: если m
{7, 11, 13}, то
m
(
–
)
m
.
Доказательство. Всё следует из a1000 + b –a + b (mod m).
Теорема доказана.
Упражнение: Докажите, что 10a + b 11 b – a 11, 10a + b 19 a + 2b 19.