Основная теорема арифметики: почему разложение единственно

Статья Математика

Основная теорема арифметики утверждает: каждое натуральное число больше 1 можно представить произведением простых чисел, и набор этих простых множителей единственен с точностью до порядка. Существование следует из того, что составной множитель можно снова разделить; единственность опирается на лемму Евклида: если простое число делит произведение, оно делит хотя бы один множитель.

Почему, например, у 84 не могут оказаться два разных набора простых «деталей»? Разные первые деления возможны: 84 = 6 · 14 и 84 = 4 · 21. Но это ещё не списки простых чисел. Доведём обе ветви до простых листьев и выясним, почему совпадение неизбежно, а не случайно.

Содержание

О чём именно говорит теорема

Простое число имеет ровно два положительных делителя: 1 и само себя. Для любого натурального n > 1 существует запись n = p1 · … · pk, где каждый pi прост. Если получена другая такая запись, в ней те же простые числа с тем же числом повторений; меняться может только порядок. Утверждение состоит из двух разных частей: существования и единственности.

Две дороги к одним простым листьям числа 84
Первый выбор Следующее деление Простые листья
84 = 6 · 14 6 = 2 · 3; 14 = 2 · 7 2 · 3 · 2 · 7
84 = 4 · 21 4 = 2 · 2; 21 = 3 · 7 2 · 2 · 3 · 7
Порядок различается, но оба списка содержат две двойки, одну тройку и одну семёрку.

Почему разложение обязательно существует

Возьмём n > 1. Если оно простое, нужная запись состоит из одного множителя n. Если составное, то n = ab, где 1 < a,b < n. С каждым составным множителем поступаем так же. В каждой новой ветви появляются натуральные числа меньше прежнего; бесконечно убывать среди положительных целых они не могут. Поэтому ветви закончатся простыми числами. Перемножая листья, снова получим n. Это доказывает существование, но само по себе ещё не доказывает единственность.

Ключ к единственности: лемма Евклида

Если простое p делит ab, то p делит a или b. Например, 5 делит 10 · 9 и делит первый множитель 10. Нельзя заменить слово «простое» на «составное»: 6 делит 2 · 3, но не делит ни 2, ни 3.

Лемма не выводится из основной теоремы, которую мы только собираемся доказать. Её можно получить раньше из алгоритма Евклида и равенства Безу. Если p не делит a, то общий делитель простого p и a равен 1. Равенство Безу даёт целые u,v с up + va = 1. Умножим на b: upb + vab = b. При p | ab оба слагаемых слева делятся на p; значит, p | b. Так лемма доказана без обращения к единственности разложения.

Почему равенство Безу не использует эту теорему?

Алгоритм Евклида последовательно делит с остатком. Каждый остаток есть целочисленная комбинация исходных чисел p и a; последний ненулевой остаток равен их НОД. Если НОД равен 1, обратная подстановка даёт up + va = 1. Здесь нужны только деление с остатком и свойства делимости, а не разложение на простые.

Почему второго набора простых быть не может

Предположим, что одно и то же n записано двумя произведениями простых: p1 · … · pk = q1 · … · qm. Простой p1 делит левую часть, значит, и произведение справа. Применяя лемму Евклида к произведению по очереди, получаем: p1 делит один из простых qj. У простого qj нет положительных делителей кроме 1 и него самого, поэтому p1 = qj. Переставим этот множитель на первое место и сократим равные положительные множители.

Сопоставление двух предполагаемых списков
Шаг Что гарантировано
Выбрать простой из первого списка Он делит произведение второго списка.
Применить лемму Евклида Он равен одному простому из второго списка.
Сократить одинаковую пару Осталось равенство более коротких произведений.
Повторить Все пары совпадут; лишний простой дал бы произведение больше 1.
Повторы сокращаются по одному, поэтому сохраняется и их количество.

Повторяем этот шаг, пока один список не опустеет. Другой не может сохранить ни одного простого: тогда справа стояло бы произведение чисел больше 1, а слева уже 1. Значит, длины и все множители совпали. Это и есть единственность с точностью до порядка.

Два примера, где видны обе части

Пример 1: 84. В таблице выше две ветви завершились записью 84 = 2 · 2 · 3 · 7. Существование видно по конечным простым листьям. Если кто-то предложит ещё один список простых для 84, лемма заставит его содержать 2; после сокращения снова 2, затем 3 и 7. Запись 2 · 3 · 14 не опровергает теорему: 14 составное.

Пример 2: 90. Имеем 90 = 9 · 10 = 3 · 3 · 2 · 5. Это простое разложение, включая повтор тройки. В любом другом простом списке для 90 число 5 обязано встретиться: оно делит произведение, а по лемме делит один из простых множителей и потому равно ему. Сократив 5, тем же рассуждением находим 2 и две тройки. Список 2 · 3 · 3 · 5 допустим, потому что поменялся только порядок; список 2 · 3 · 15 не является списком простых.

Границы утверждения

Единицу не называют простым числом и исключают из формулировки: иначе к любой записи можно было бы бесконечно дописывать множители 1 и потерять единственность. Ноль тоже исключён: произведение с нулём допускает сколько угодно дополнительных множителей. Для отрицательных целых отдельно учитывают знак: например, -30 = -1 · 2 · 3 · 5; утверждение выше сформулировано для натуральных чисел больше 1. Повторения важны: 12 = 2 · 2 · 3, а не просто «2 и 3».

Теорема объясняет, почему показатели простых в записи числа определены однозначно. Поэтому в задаче о количестве делителей можно опираться на эти показатели. Если нужна именно техника поиска множителей, а не доказательство её однозначности, она разобрана отдельно в статье о разложении на простые множители.

Проверьте утверждение до раскрытия ответа

Задача 1. Верно ли, что 48 = 2 · 2 · 2 · 2 · 3 — простое разложение и другого набора простых для 48 нет?

Ответ: да. Все множители простые, их произведение равно 48. Лемма Евклида и последовательное сокращение гарантируют тот же набор в любом другом простом разложении; порядок может измениться.

Задача 2. Утверждают: 30 = 2 · 15 и 30 = 3 · 10, поэтому единственность неверна. Найдите ошибку.

Ответ: 15 и 10 составные, поэтому обе записи ещё не простые разложения. После продолжения обе дают 2 · 3 · 5. Разные промежуточные ветви не являются контрпримером.

Задача 3. Можно ли заменить «простое p» на «любое p» в лемме Евклида? Проверьте p = 6 и произведение 2 · 3.

Ответ: нет. 6 делит 2 · 3 = 6, но не делит ни 2, ни 3. Простота p необходима; без неё шаг доказательства единственности не работает.

Оставить комментарий