阶乘中的质因数与末尾零
阶乘分层数因子,末尾零按配方成组。
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01
25! 的末尾,究竟有几个零?
25!=1×2×…×25。只看所有乘数贡献了多少个2和5,不计算巨大的乘积。
第1步 / 共5步:列出1到25
12345678910111213141516171819202122232425
每格是一个乘数,还没有拆出质因数。
当前演示 · 25!
待统计
先列乘数,再拆因子
同一数可含多个5。25进入两层,是因为25=5×5;每一层取的是不同的一份5。
02
为什么分层计数恰好不重不漏?
目标:能解释高次幂的额外贡献,处理阶乘商与进制变式。前置:质数、质因数分解、整除、整数除法;进制变式还需位值原理。本页S班为项目编排,不代表任何机构官方六上必学课纲。
定义与条件
非负整数n的阶乘写作n!,n≥1时为1到n的乘积,约定0!=1。对正整数N与质数p,vp(N)表示N中质因数p的个数,例如v5(125)=3。
vp(n!)=⌊n/p⌋+⌊n/p²⌋+⌊n/p³⌋+…
⌊x⌋表示向下取整。超过n的幂开始贡献为0,因此只需有限项。p必须是质数。
第一层:p的倍数各拿出一个p,共⌊n/p⌋个。第二层:p²的倍数还有一个p可拿,共⌊n/p²⌋个。一个含有恰好a份p的乘数,会在前a层各被计一次,恰好贡献a个p。这里按“因子份数”计数,不能把25在第二层出现说成错误的重复计数。
十进制零是配对后的结果
末尾零数=min(v₂(N), v₅(N))
因为10=2×5,恰有k个末尾零等价于10ᵏ整除N而10ᵏ⁺¹不整除N。对n!,每层⌊n/2ʲ⌋≥⌊n/5ʲ⌋,故2不会比5少,可以只数5。普通整数或一般商不能无条件只数5。
03
完整例题:整除先减,再按配方取最小
例题一 · 阶乘商(自拟)
求整数 Q=25!÷(10!×15!) 的十进制末尾零数
- 先确认是整数:从25个不同对象中选10个,先按顺序选有25!÷15!种,同一组被排列10!次,所以Q为整数。
- 分子v₅=25÷5取整+25÷25取整=5+1=6;分母分别为2和3,故v₅(Q)=6−2−3=1。
- v₂(25!)=12+6+3+1=22;v₂(10!)=5+2+1=8;v₂(15!)=7+3+1=11,所以v₂(Q)=22−8−11=3。
- 配对数min(3,1)=1,故恰有1个零。独立核验Q=3,268,760,末位为0而十位为6。
指数相减源于乘积中质因数个数相加。这里减的是指数,不是把各阶乘的末尾零数随便相减;一般商的2和5都应核对。
例题二 · S班进制拓展(自拟)
把10!写成十二进制,末尾有几个零?
- 十二进制每个末尾零意味着多一个因子12,而12=2²×3。
- v₂(10!)=5+2+1=8;v₃(10!)=3+1=4。
- 2能供8÷2=4组,3能供4÷1=4组。取最小值得4个零。
- 核对10!=3,628,800=12⁴×175,175不能被12整除,故不能再多一个零。
一般底数b=p1a₁×p2a₂×…,b≥2,各pᵢ为互不相同的质数、各aᵢ为正整数,末尾零数为各⌊vpᵢ(N)/aᵢ⌋的最小值。必须先完成b的质因数分解;不同进制下的零数不同。
04
迁移练习:反推与除去整十
练习一(自拟)· 最小n与跳跃
最小的非负整数n,使n!末尾至少有5个十进制零,是多少?有没有恰好5个零的阶乘?
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24!中5的指数为⌊24/5⌋=4;25!中为5+1=6。n增大时因子只增加,零数不会减少。因此最小n为25。由于从4直接跳到6,且之后不再下降,不存在恰好5个零的阶乘。
关键在25一次新增两个5,不能把“至少5个”误当“恰好5个”。
练习二(自拟)· 商里还有几对?
整数M=50!÷10¹⁰,末尾有几个十进制零?
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v₅(50!)=10+2=12;v₂(50!)=25+12+6+3+1=47,所以10¹⁰确实整除50!。除去10¹⁰后分别剩下12−10=2个5和47−10=37个2,取min(2,37)=2个零。
除法条件必须先核实;一般N÷D若不是整数,就不使用本页的整数末尾零定义。
加练(自拟)· 配方不对称
20!写成十二进制,末尾有几个零?
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v₂=10+5+2+1=18,可供9组;v₃=6+2=8,可供8组。最小为8。不能直接比较18与8而忽略每组需要两个2。
05
易错与回顾
- 把倍数的个数当作质因数个数:25、125有额外贡献,须继续数更高幂。
- “重复统计同一个25”不等于重复计同一份5,每一层取不同份因子。
- 只数5仅在已证明2足够时成立;500的反例应能主动解释。
- 阶乘商先确认是整数,再分别相减质因数指数。不能对加法套用指数相加。
- 零数会跳跃,反推n要检验邻界,不把方程近似取整当作证明。
四步:确认整数与进制 → 按质数幂分层 → 商中减指数 → 按进制配方成组取最小。
06
逐章回看
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二十五的阶乘,是一到二十五的连乘。末尾有几个零,不必真的乘出这个大数。
五、十、十五、二十、二十五,先各贡献一个五,共五个。
二十五还有第二个五,所以还要再数一层。总共六个五;重复的是数,不是同一个因子。
一般地,数质数的贡献,要数它的倍数、平方的倍数,再数更高次幂的倍数,直到没有为止。
一个十需要一个二和一个五。二十五的阶乘有二十二个二、六个五,只能组成六对,末尾恰有六个零。
看二十五的阶乘除以十的阶乘与十五的阶乘。这个整数中,五的指数是六减二减三,等于一。
二的指数是二十二减八减十一,等于三。最少的一方只有一个,因此商的末尾只有一个零。
若写成十二进制,每个末尾零要消耗两个二和一个三。十的阶乘有八个二、四个三,能配成四组。
记住:阶乘分层数,整除先相减,末尾零按进制配方取最小。普通整数里,不能总认定五比二少。
07
学习与图示说明
数字格子表示1到25各个整数,不按大小缩放;圈与筹码表示独立的质因数份数。正文公式提供证明,动画仅帮助观察。公式核对依据为San Jose Math Circle讲义;本页同时提供独立推导,例题为自拟。数学核验记录保存在制作项目内。十二进制是进阶拓展,先掌握位值与质因数分解。
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