初等数论入门 Lesson 1

整除

bab \mid a 等价于 a=bqa = bq 等价于 amodb=0a\bmod b = 0,读作 bb 整除 aa

除法算式定理

定理:设 a,bZ, b>0a,b \in \mathbb{Z},\ b>0,则存在唯一的整数对 (q,r)(q,r),满足:

a=bq+r,0r<ba = bq + r,\quad 0 \le r < b

gcd-lcm 关系

gcd(a,b)lcm(a,b)=ab\gcd(a,b)\cdot \operatorname{lcm}(a,b)=|ab|

欧几里得算法

gcd(a,b)=gcd(b,amodb)\gcd(a,b)=\gcd(b,a\bmod b)

证明:

dad\mid adbd\mid b, 则 d(abq)=rd\mid (a-bq)=r

贝祖定理

a,bZa,b \in \mathbb{Z},不全为 00,令 d=gcd(a,b)d = \gcd(a,b)

存在整数 x,yx,y,使得

ax+by=dax + by = d

这对 (x,y)(x,y) 称为贝祖系数(Bézout 系数)。

贝祖定理强调的是必然存在的问题。

同时 gcd(a,b)\gcd(a,b) 也是 ax+byax+by 能表示出来的最小正整数

推论:

  1. ax+by=1ax+by=1 有解,则 gcd(a,b)=1\gcd(a,b)=1
  2. ax+by=cax+by=c 有解,则 gcd(a,b)c\gcd(a,b)\mid c

扩展欧几里得算法

求解 ax+by=dax+by=dd=gcd(a,b)d=\gcd(a,b)

  1. b=0b = 0,此时 a=da=d

则对于 ax+0y=aax+0\cdot y = a 的解为 (1,0)(1,0)

  1. 否则我们可以先求出 bx+(amodb)y=dbx'+(a\bmod b)y'=d(x,y)(x',y')

然后上面式子可以化简成 ay+b(xaby)=1ay'+b(x'-\lfloor\frac a b\rfloor y')=1

不定方程求解

求解 ax+by=cax+by=c

  1. 判断是否有解 cgcd(a,b)c\mid \gcd(a,b)
  2. 求解 ax0+by0=dax_0+by_0=d
  3. 其中一个解:x=x0cdx=x_0\frac c d
  4. 通解:x=xbdkx'=x-\frac b d ky=y+adky'=y+\frac a dk

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