Основная теорема арифметики

Основная теорема арифметики утверждает, что каждое натуральное число $n>1$ можно факторизовать (разложить) на простые множители, то есть записать в виде $n=p_{1}\cdot \ldots \cdot p_{k}$, где $p_{1},\ldots ,p_{k}$ — простые числа, причём такое представление единственно, если не учитывать порядок следования множителей.

Если формально условиться, что пустое произведение пустого набора чисел равно 1, то условие $n>1$ в формулировке можно опустить — тогда для единицы подразумевается факторизация на пустое множество простых: $1=1$.

Как следствие, каждое натуральное число $n$ представимо в виде

$n=p_{1}^{d_{1}}\cdot p_{2}^{d_{2}}\cdot \ldots \cdot p_{k}^{d_{k}},$ где $p_{1}<p_{2}<\ldots <p_{k}$ — простые числа, а $d_{1},\ldots ,d_{k}$ — некоторые натуральные числа,

и притом единственным образом. Такое представление числа $n$ называется его каноническим разложением на простые сомножители.

Доказательство

По методу индукции

Существование: докажем существование разложения числа $n$ на простые множители, если предположить, что аналогичное уже доказано для любого другого числа, меньшего $n$. Если $n$ — простое, то существование доказано. Если $n$ — составное, то оно может быть представлено в виде произведения двух чисел $a$ и $b$, каждое из которых больше 1, но меньше $n$. Числа $a$ и $b$ либо являются простыми, либо могут быть разложены в произведение простых (уже доказано ранее). Подставив их разложение в $n=a\cdot b$, получим разложение исходного числа $n$ на простые. Существование доказано.

Единственность: для простого числа единственность очевидна.

Для составного числа идея для доказательства заключается в использовании метода «от противного», а именно выдвигается предположение о том, что число имеет два различных разложения. Рассматриваются простые числа $p_{0}$ и $q_{0}$, являющиеся наименьшими в первом и втором из этих разложений соответственно, а также доказывается следующая лемма:

если разложение числа $m$ на простые множители единственно, то каждый простой делитель $m$ должен входить в это разложение.

Далее рассматривается число $n-p_{0}\cdot q_{0}$, которое, в свою очередь, является натуральным и которое меньше $n$. Из предположения индукции и вышеуказанной леммы следует, что $p_{0}\cdot q_{0}$ является делителем данного числа, после чего аналогично делается вывод, что первое разложение на множители делится на $q_{0}$. Никакое простое число не может встретиться в обоих разложениях сразу, так как иначе на него можно было бы сократить и получить различные разложения на простые множители числа, меньшего $n$, тем самым достигается противоречие предположению индукции и, следовательно, доказывается единственность разложения числа $n$ на простые множители.

С использованием алгоритма Евклида

Можно доказать основную теорему арифметики с помощью следствия из алгоритма Евклида:

наибольший общий делитель $n\cdot a$ и $n\cdot b$ есть наибольший общий делитель $a$ и $b$, умноженный на $n$.

Из данного следствия можно доказать лемму Евклида, также необходимую для доказательства теоремы:

если $p$ — простое число и произведение двух чисел делится на $p$, то хотя бы один из двух множителей делится на $p$.

Существование: идея доказательства существования заключается в том, чтобы доказать лемму:

рассмотрим простое число $p$ и произведение $n\cdot a$. Пусть $n\cdot a$ делится на $p$, но $a$ не делится на $p$, тогда $n$ делится на $p$.

Далее с использованием вышеуказанной леммы ведётся последовательное разложение числа на простые множители, предполагая, что все простые делители данного числа известны.

Единственность: пусть число n имеет два разных разложения на простые числа:

$n=p_{1}\cdot p_{2}\cdot p_{3}\cdot \ldots =p'_{1}\cdot p'_{2}\cdot p'_{3}\cdot \ldots$

Так как $p'_{1}\cdot p'_{2}\cdot p'_{3}\cdot \ldots$ делится на $p_{1}$, то либо $p'_{1}$, либо $p'_{2}\cdot p'_{3}\cdot \ldots$ делится на $p_{1}$. Если $p'_{1}$ делится на $p_{1}$, то $p'_{1}=p_{1}$, так как оба эти числа являются простыми. Если же $p'_{2}\cdot p'_{3}\cdot \ldots$ делится на $p_{1}$, то продолжим предыдущие рассуждения. В конце концов получится, что какое-либо из чисел $p'_{1},p'_{2},p'_{3},\ldots$ равно числу $p_{1}$, а следовательно, оба разложения числа на самом деле совпадают. Таким образом доказана единственность разложения.

История

Предпосылки основной теоремы арифметики берут свои истоки в Древней Греции. Несмотря на то, что в древнегреческой математике основная теорема арифметики в современной формулировке не встречается, в «Началах» (др.-греч. Στοιχεῖα) Евклида есть эквивалентные ей предложения. Следуя за Евклидом, многие математики на протяжении веков вносили свой вклад к доказательству основной теоремы арифметики, приводя в своих трудах близкие по смыслу утверждения, среди этих учёных — Камал ад-Дин аль-Фариси, Ж. Престе, Л. Эйлер, А. Лежандр. Первая точная формулировка основной теоремы арифметики и её доказательство приводятся К. Гауссом в книге «Арифметические исследования» (лат. Disquisitiones Arithmeticae), изданной в 1801 году. С этих пор появилось множество различных новых доказательств теоремы, соревнующихся между собой в красоте и оригинальности.

Евклид (III век до н. э.)

Евклид изложил в «Началах» важные основы для теории чисел и в том числе основной теоремы арифметики. Три предложения, очень близкие по смыслу к основной теореме арифметики, можно найти в книгах VII и IX, а именно: предложение 30 из книги VII, наиболее известное как лемма Евклида, предложение 31 из книги VII и предложение 14 из книги IX. Ниже приведены их версии в переводе Мордухай-Болтовского:

VII.30:

Если два числа, умножая друг друга, производят что-то, возникающее же из них измеряется каким-то первым числом, то (последнее) измерит и одно из первоначальных

VII.31:

Всякое составное число измеряется каким-то первым числом

IX.14:

Если число будет наименьшим измеряемым (данными) первыми числами, то оно не измерится никаким иным простым числом, кроме первоначально измерявших (его)

В настоящее^{[какое?]} время доказательство основной теоремы арифметики выводят из предложений VII.30 и VII.31, однако Евклид в своих трудах не изложил это доказательство. Предложение IX.14, в свою очередь, достаточно схоже с утверждением о единственности разложения на простые множители, однако оказалось, что это утверждение охватывает не все возможные случаи — например, то, когда в разложении на простые множители оказывается хотя бы один квадрат простого числа.

Аль-Фариси (XIV век)

Известный персидский учёный Камал ад-Дин аль-Фариси сделал значительный шаг вперёд в изучении основной теоремы арифметики. В его труде «Записки для друзей о доказательстве дружественности» (англ. Memorandum for friends on the proof of amicability) доказано существование разложения на простые множители и предоставлена необходимая информация для доказательства единственности данного разложения. Однако аль-Фариси больше всего интересовало построение собственного доказательства для теоремы Сабита ибн Курры по поиску дружественных чисел — и аль-Фариси не стремился доказать основную теорему арифметики, а занимался поиском всех делителей составного числа. Скрупулёзно исследуя разложение чисел на множители, он сформулировал и доказал утверждение, которое, по сути, и оказалось доказательством существования разложения натурального числа на простые множители.

В переводе его утверждение звучит приблизительно так:

Каждое составное число может быть разложено на конечное число простых множителей, произведением которых оно является.

В утверждении 9 аль-Фариси сформулировал принцип для определения всех делителей составного числа: именно это и было необходимо ему для доказательства теоремы Ибн Курры. Перевод звучит так:

Если составное число $a$ разложено на простые множители как $a=b\cdot c\cdot d\cdot h\cdot \ldots \cdot k\cdot l$, тогда $a$ не имеет делителя кроме $1$ и $b,c,d,...,k,l$ и произведений каждого из них с каждым, произведений троек и т. д. вплоть до произведения всех элементов без какого-либо одного.

Уже из самой формулировки утверждения можно сделать вывод, что аль-Фариси знал о единственности разложения на простые множители. Кроме того, все утверждения и факты, приведённые учёным для доказательства данного утверждения, являются необходимым набором для доказательства единственности в основной теореме арифметики.

Жан Престе (XVII век)

Результаты, опубликованные Жаном Престе в книге «Elements de Mathématiques» (1675), подтверждают, что разложение на простые множители рассматривалось в те времена не как что-то, что представляет интерес само по себе, а как полезное приложение — средство для нахождения делителей заданного числа. Престе не сформулировал ни существования, ни единственности разложения и уделял наибольшее внимание самому поиску делителей числа. Несмотря на это, Престе, подобно аль-Фариси, предоставил всю необходимую информацию для доказательства единственности разложения на простые множители при помощи своего следствия IX, которое само по себе можно считать эквивалентным единственности разложения на простые множители.

Следствие IX:

Если числа $a$ и $b$ простые, то каждый делитель числа $a\cdot a\cdot b$ — это либо $a$, либо $a^{2}$, либо $1$, либо одно из произведений этих трех чисел на $b$. То есть один из шести: $1,a,a\cdot a,1\cdot b,a\cdot b,a\cdot a\cdot b$.

Эйлер и Лежандр (XVIII век)

В книге «Полное руководство по алгебре» (нем. Vollstandige Einleitung zur Algebra) Леонард Эйлер опубликовал результаты, схожие с трудами своих предшественников. Он сформулировал существование разложения числа на простые множители и, опуская некоторые подробности, предоставил частичное доказательство этого в пункте 41 главы IV из первой части первого раздела книги.

В переводе его формулировка такова:

Все составные числа, которые могут быть разложены на множители, представлены произведением простых чисел; то есть все их множители — простые числа. Ибо, если найти множитель, который не является простым числом, он всегда может быть разложен и представлен двумя или более простыми числами.

Эйлер не формулировал теоремы о единственности разложения, но предложил схожее утверждение, которое оставил без доказательства, в пункте 65 главы IV из первого раздела первой части. Там Эйлер неявно объясняет, что разложение числа на простые множители единственно, говоря, что все делители числа можно найти, зная простые множители из разложения данного числа. Таким образом, этот пункт может считаться эквивалентным единственности разложения на простые множители.

В переводе данное утверждение звучит так:

Когда мы разложили число на простые множители, становится очень легко найти все его делители. Ибо мы, во-первых, должны перемножать простые множители друг на друга, а затем умножать их попарно, три на три, четыре на четыре и т. д., пока мы не придем к самому числу.

«Опыт теории чисел» (фр. Essai sur la théorie des nombres, 1798) Лежандра содержит доказательство существования разложения на простые множители и своеобразное предположение о единственности данного разложения при помощи перечисления всех простых делителей заданного числа.

Утверждение Лежандра о существовании разложения гласит:

Любое число $N$, не являющееся простым, может быть представлено как произведение нескольких простых чисел $\alpha ,\beta ,\gamma$ и т. д., каждое из которых возведено в определённую степень, таким образом, всегда можно полагать $N=\alpha ^{m}\beta ^{n}\gamma ^{p}$ и т. д.

Утверждение, связанное с уникальностью разложения на простые множители, приведено в пункте 10 введения, где Лежандр намеревался найти число всех делителей числа и в то же время их сумму. Из этого утверждения легко доказывается единственность.

Карл Гаусс (XIX век)

Первая точная формулировка теоремы и её доказательство приводятся в книге Гаусса «Арифметические исследования» (1801). Формулировку теоремы можно найти в параграфе 16, и её перевод таков:

Составное число может быть разложено на простые множители единственным образом.

Применение

Наибольший общий делитель и наименьшее общее кратное

Основная теорема арифметики даёт элегантные выражения для НОД и НОК.

Обозначим за ${p_{i}}$ все различные простые числа, на которые числа $a$ и $b$ были разложены, a степени, с которыми они встречаются в этих разложениях, — как ${d_{i}}$ и ${d'_{i}}$ соответственно. При этом ясно, что ${d_{i}},{d'_{i}}$ могут принимать только натуральные или нулевые значения.

Тогда:

${\text{НОД}}(a,b)=p_{1}^{\min\{\,d_{1},d_{1}'\,\}}\cdot p_{2}^{\min\{\,d_{2},d_{2}'\,\}}\cdot p_{3}^{\min\{\,d_{3},d_{3}'\,\}}\cdot p_{4}^{\min\{\,d_{4},d_{4}'\,\}}\cdot \ldots =\prod p_{i}^{\min\{\,d_{i},d_{i}'\,\}};$

${\text{НОК}}(a,b)=p_{1}^{\max\{\,d_{1},d_{1}'\,\}}\cdot p_{2}^{\max\{\,d_{2},d_{2}'\,\}}\cdot p_{3}^{\max\{\,d_{3},d_{3}'\,\}}\cdot p_{4}^{\max\{\,d_{4},d_{4}'\,\}}\cdot \ldots =\prod p_{i}^{\max\{\,d_{i},d_{i}'\,\}}.$

Делители натурального числа

Зная разложение натурального числа на множители, можно сразу указать все его делители.

Используем каноническое разложение числа $n=p_{1}^{d_{1}}\cdot p_{2}^{d_{2}}\cdot \ldots \cdot p_{k}^{d_{k}},$ указанное в начале статьи. Натуральные числа $d_{1},\cdots ,d_{k}$ — это не что иное, как количество соответствующих простых чисел $p_{1},...,p_{k}$, встречающихся в разложении исходного числа. Таким образом, для поиска всех делителей достаточно записать произведения со всевозможными комбинациями простых чисел, варьируя количество каждого $p_{i}$ в произведении от $0$ до $d_{i}$

Пример: $N=1164=2\cdot 2\cdot 3\cdot 97=2^{2}\cdot 3^{1}\cdot 97^{1}.$

Так как число 2 встречается в разложении 2 раза, $d_{1}$ может принимать целые значения от 0 до 2. Аналогично $d_{2}$ и $d_{3}$ принимают значения от 0 до 1. Таким образом, множество всех делителей состоит из чисел

${\begin{alignedat}{2}1,\\2,\\3,\\97,\\2\cdot 2,\\2\cdot 3,\\2\cdot 97,\\3\cdot 97,\\2\cdot 2\cdot 3,\\2\cdot 2\cdot 97,\\2\cdot 3\cdot 97,\\2\cdot 2\cdot 3\cdot 97.\end{alignedat}}$.

Для подсчёта общего количества делителей нужно перемножить количество всех возможных значений у разных $d_{k}$.

В данном примере общее количество делителей равно $2\cdot 2\cdot 3=12.$

Арифметические функции

Некоторые арифметические функции можно вычислить с помощью канонического разложения на простые множители.

Например, для функции Эйлера от натурального числа справедлива формула: $\varphi (n)=n\prod _{p\mid n}\left(1-{\frac {1}{p}}\right),\;\;n>1,$ где $p$ — простое число и пробегает все значения, участвующие в разложении $n$ на простые сомножители (доказательство).

Факторизация произведения натуральных чисел

Вычисление произведения двух чисел можно провести таким образом:

$a\cdot b=p_{1}^{d_{1}+d_{1}'}\,p_{2}^{d_{2}+d_{2}'}\,p_{3}^{d_{3}+d_{3}'}\,p_{4}^{d_{4}+d_{4}'}\ldots =\prod p_{i}^{d_{i}+d_{i}'},$

где ${d'_{i}}$ — это степень, с которой простое число ${p_{i}}$ встречается в разложении числа $b$. Пример: $68\cdot 36=(2\cdot 2\cdot 17)\cdot (2\cdot 2\cdot 3\cdot 3)=2^{4}\cdot 3^{2}\cdot 17$

Основная теорема арифметики в кольцах

Рассмотрим основную теорему арифметики в более общем случае: в кольцах с нормой и в евклидовых кольцах.

Кольцо, в котором имеется алгоритм деления с остатком, называется евклидовым. Для любого евклидова кольца доказательство основной теоремы арифметики можно провести точно так же, как для натуральных чисел.

Основная теорема арифметики в кольце целых гауссовых чисел

См. также: Факторизация гауссовых чисел

Основная теорема арифметики с небольшой поправкой (а именно уточняется, что множители берутся не только с точностью до порядка следования, но и до ассоциированности — свойства гауссовых чисел получаться друг из друга умножением на делитель единицы: 1, i, −1 или −i) имеет место в кольце гауссовых целых чисел. Идея доказательства состоит в нахождении алгоритма деления с остатком в данном кольце чисел.

Неединственность разложения в кольце

Однако действие данной теоремы не распространяется на все кольца.

Рассмотрим, к примеру, комплексные числа вида $a=m+in{\sqrt {5}}$, где $m$, $n$ — целые числа. Сумма и произведение таких чисел будут числами того же вида. Тогда получим кольцо с нормой $N(a)=m^{2}+5n^{2}=|a|^{2}$.

Для числа 6 в этом кольце существуют два различных разложения: $6=2\cdot 3=(1-i{\sqrt {5}})(1+i{\sqrt {5}})$. Остаётся доказать, что числа $2,3,1\pm i{\sqrt {5}}$ являются простыми. Докажем, что число 2 — простое. Пусть число $2$ разложено на простые множители как $(m_{1}+in_{1}{\sqrt {5}})(m_{2}+in_{2}{\sqrt {5}})$. Тогда $4=|m_{1}+in_{1}{\sqrt {5}}|^{2}|m_{2}+in_{2}{\sqrt {5}}|^{2}=(m_{1}^{2}+5n_{1}^{2})(m_{2}^{2}+5n_{2}^{2})$. А для того, чтобы числа $m_{1}+in_{1}{\sqrt {5}}$ и $m_{2}+in_{2}{\sqrt {5}}$ оставались простыми, у $m_{1}^{2}+5n_{1}^{2}$и $m_{2}^{2}+5n_{2}^{2}$ есть единственный вариант — они должны равняться именно 2.

Но в рассматриваемом кольце нет чисел с нормой 2, — следовательно, такое разложение невозможно, поэтому число 2 — простое. Аналогично рассматриваются числа $3,1\pm i{\sqrt {5}}$.

Кольца, в которых основная теорема арифметики всё же выполняется, называются факториальными.

См. также

• Основная теорема алгебры
• Основная теорема анализа

Литература

• Виноградов И. М. Основы теории чисел. — Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. — 180 с. — 10 000 экз.
• Дэвенпорт Г. Высшая арифметика / под ред. Ю. В. Линник, пер. Б. З. Мороз — М.: Наука, 1965. — С. 15—38. — 176 с.
• Жиков В.В. Основная теорема арифметики // Соросовский Образовательный Журнал. — 2000. — Т. 6, № 3. — С. 112—117.
• Калужнин Л. А. Основная теорема арифметики. — Популярные лекции по математике. — М.: Наука, 1969. — 32 с.
• Курант Р., Роббинс Г. Дополнение к главе I, § 4.2 // Что такое математика? — МЦНМО, 2000. — 568 с.
• Weisstein E. W. CRC Concise Encyclopedia of Mathematics (англ.) — Second edition — Hoboken: CRC Press, 2002. — 3242 p. — ISBN 978-1-4200-3522-3
• A. Göksel Ağargün and E. Mehmet Özkan. A Historical Survey of the Fundamental Theorem of Arithmetic // Historia Mathematica. — 2001. — Vol. 28. — P. 207–214. — doi:10.1006/hmat.2001.2318.
• Д.Д. Мордухай-Болтовской, И.Н. Веселовский. Начала Евклида. Книги VII-X. — Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. — 510 с.
• M.D. Hendy. Euclid and the fundamental theorem of arithmetic. — Historia Mathematica 05/1975, 1975.
• A.A. Mullin. Mathematico-philosophical remarks on new theorems anaiogous to the fundamental theorem of arithmetic. — Notre Dame Journal of Formal Logic, 1965.