02
先理解唯一分解,再看指数
学习目标:把合数分解成质因数的乘积;由指数判断整除;构造使乘积成为平方或立方的最小正整数。前置知识:整数乘除、质数、整除和乘方。S班是本项目的教学深度编排,不代表某机构官方课纲。
质数、合数、0 与 1
在正整数中,大于1且只有1和自身两个正因数的数是质数;大于1且还有其他正因数的数是合数。2是质数,4=2×2是合数。1只有一个正因数,既不是质数也不是合数。0不在这两个定义的范围,也不能写成有限个质数的乘积;不能对0使用本页的指数结构。
为什么一定能拆到质数?
若大于1的整数不是质数,就把它拆成两个都大于1且比原数小的因数。每条拆分路径上的整数严格变小,因此有限步后终止,叶子都是质数。例如 360=36×10=(2×2×3×3)×(2×5)=2³×3²×5。不能停在 4×90,也不能把1当作质因数。
唯一分解定理:任意大于1的整数都能分解为质数的乘积,除了顺序外分解唯一。因此先拆成8×45与先拆成36×10,最终每种质数出现的次数相同。1约定为空乘积,各质因数指数都是0。
S班追问:唯一性为什么可信?
用到欧几里得引理:质数p整除ab,则p整除a或b。这里给出基于贝祖等式的简证:若p不整除a,因为p是质数,p与a的最大公因数为1,存在整数u、v使up+va=1。两边乘b;p整除左侧的upb与vab,所以p整除b。贝祖等式可由辗转相除法回代得到,这一前置定理不在本页完整展开。
现在假设同一个整数有两种质因数分解。第一种的质数p整除第二种的乘积,由引理逐项推出p整除其中一个质数q,于是p=q。约去这两个相同的质因数,重复此过程,直到全部约完。不能一边提前约完而另一边还剩质数,因为非空质数乘积大于1。故两边各质数的出现次数一致。动画只展示这一结构,不作为唯一性的证明。
用指数表达整除
把涉及的全部质数列在同一张表里,某数没有的质因数指数记为0。对于正整数a、b,a整除b,当且仅当每种质数在a中的指数都不超过在b中的指数。因为 b=a×c 时指数相加;反过来,逐项指数相减都是非负整数,就能构造正整数商c。
72=2³×3²,360=2³×3²×5,所以 72∣360,商为5。
48=2⁴×3 中2的指数4超过360中的3,所以48不整除360。只比较大小不够:48<360,但商360÷48=15/2不是整数。
平方与立方的判定为何成立?
正整数x的平方x²,把x中每种质因数指数都乘2,所以所有指数均为偶数。反过来,若所有指数都是偶数,把每个指数除以2便构造出整数平方根。立方同理:指数全部是3的倍数,当且仅当这个正整数是完全立方数。
N=∏pᵉ,Nm 为 k 次方数 ⇒ e+f 为 k 的倍数。
这里p遍历质数,e是N中p的指数,f是m中p的指数,k≥2是固定整数,∏表示相乘且只有有限项非1。每个f选择满足条件的最小非负整数,就得到最小乘数m₀。任何其他合法乘数在每个p上的指数都不小于这个最小值,所以都含有m₀作因数,数值也不小于m₀。额外引入新质数也不能降低乘数。
04
S班迁移:用指数枚举全部因数
360的任意正因数d都可唯一写成 2ᵃ×3ᵇ×5ᶜ,其中 a∈{0,1,2,3},b∈{0,1,2},c∈{0,1}。a有4种选择、b有3种、c有2种,合计4×3×2=24个正因数。
不遗漏:由整除判定,每个因数的指数都落在这些范围内。不重复:由唯一分解,不同指数数组产生不同整数。指数全部为0时得到因数1;全部取上界时得到360。指数可独立选择是乘法原理能使用的原因。
这和“乘数补齐”是同一种眼光:把整数问题改写成每种质因数上的指数条件。一个是指数范围,一个是指数除以2或3的余数条件。