【7】整除性与余数

定义7.1 a,b是整数a\ne 0,若存在整数k使b=ka,则称整数a整除整数b,或称b能被a整除,记作:a\mid b。否则,称整数a不能整除整数b,或称b不能被a整除,记作:a\nmid b
请根据以上定义判断以下每对数是否整除:

表7.1.1

题7.2 以下说法是否正确:
(1) 一个数同时能被3与7整除,它一定能被21整除。
(2)一个数同时能被6与9整除,它一定能被54整除。

定义7.3 a,b是整数且a>0,如果存在整数q,r,满足0\le r<ab=qa+r,则称rb除以a余数,记作r=b\%a。其中q为商。
根据以上定义,求:
(1) 89188\%17
(2) 3^{2022}\%10
(3) (3^{2022}+2^{2022})\%5

题7.4 证明:
(1) 3个除以5余3的整数相乘,其积除以5余2。
(2) 一个整数的平方,除以4不能余2。
证明 (1) 设这三个数为x,y,z,根据题意,存在a,b,c\in \mathbb Z,满足:
x=5a+3\\ y=5b+3\\ z=5c+3
所以,xyz=(5a+3)(5b+3)(5c+3)=(25ab+15a+15b+9)(5c+3)\\ =125abc+75ab+75bc+75ca+45a+45b+45c+27\\ =5(25abc+5ab+5bc+5ca+9a+9b+9c+5)+2
所以,xyz\%5=2
(2) 讨论奇偶性:(a) 如果此数为偶数,它的平方被4除余0;(b)如果此数是奇数,它的平方被4除余1。综上,任意的整数的平方被4除不余2。

定理7.5 a,b,c\in \mathbb Z,c|a,c|b,那么对于任意的整数m,n,有c|(ma+nb)
证明 因为 a,b,c\in \mathbb Z,c|a,c|b,所以存在k_1,k_2满足:
a=k_1c\\b=k_2c
所以ma+nb=mk_1c+nk_2c=(mk_1+nk_2)c
因为mk_1+nk_2\in \mathbb Z,所以c|(ma+nb)
\blacksquare

题7.6 对于任意的整数x,若2|x^2,那么2|x
证明 以下使用反证法:
假设命题不成立,则x是奇数,即存在整数k,使x=2k+1,所以:
x^2=(2k+1)^2\\ =4k^2+4k+1\\ =2(2k^2+2k)+1
可见x^2 \%2 =1,与条件矛盾。所以假设不成立,命题成立。\blacksquare

题7.7 n\in \mathbb Z,证明:
(1) 6|n(n+1)(n+2)
(2) n(n+1)(n+2)(n+3)+1是平方数。
证明 (1) n,n+1,n+2中,必有一个偶数,所以2|n(n+1)(n+2);
n,n+1,n+2中,必有一个是3的倍数,所以3|n(n+1)(n+2)。
综上,6|n(n+1)(n+2)

(2) n(n+1)(n+2)(n+3)+1=(n^2+3n+1)^2

评注7.8 题7.7(2)的思路如下:
b_n=n(n+1)(n+2)(n+3)+1=a_n^2,可以验证:
b_1=5^2\\ b_2=11^2\\ b_3=19^2\\ b_4=29^2\\...
所以,a_1=5,a_2=11=a_1+6,a_3=19=a_2+8,...,a_n=a_{n-1}+2(n+1),所以:
a_2-a_1=6\\ a_3-a_2=8\\ ...\\

题7.9 (1) 1000之内,能被3整除的正整数有多少个?
(2) 2022之内的正整数中,既是8的倍数,又是18的正倍数有多少个?
(3) 2022之内的正整数中,3的倍数、8的倍数、18的倍数共有多少个?
(1) \frac{1000}3 = 333....1,所以1000之内,能被3整除的正整数有333个。
(2) [8,18]=72,且2022/72=28...6,所以它们共同的倍数有28个。
(3) 根据容斥原理计算:
\lfloor2022/3\rfloor+\lfloor2022/8\rfloor+\lfloor2022/18\rfloor-\lfloor2022/[3,8]\rfloor-\lfloor2022/[8,18]\rfloor-\lfloor2022/[18,3]\rfloor+\lfloor2022/[3,8,18]\rfloor\\ =674+252+112-84-28-112+28=842
所以,满足条件的整数有842个。
\blacksquare

题7.10 9000的所有因数有_________个,它们的和是___________
9000=2^3\times 3^2\times 5^3,所以,它的因数有4\times 3\times 4=48个,其和为(1+2+4+8)(1+3+9)(1+5+25+125)=15\times 13\times 156=30420
\blacksquare

定理7.11 整除有如下性质:
(1) a|b,b|c\rightarrow a|c
(2) a|b,a|c\rightarrow\forall m,n\in \mathbb Z,a|(mb+nc)
(1) 由条件得,存在整数k_1,k_2,满足b=k_1a,c=k_2b,所以c=k_1k_2a,所以a|c
(2) 由条件得,存在整数k_1,k_2,满足b=k_1a,c=k_2a,所以mb+nc=mk_1a+nk_2a=(mk_1+nk_2)a\\
所以,a|(mb+nc)
\blacksquare
定义7.12(a,b)a,b的最大公约数,[a,b]a,b的最小公倍数。
(30,45)=_____,[30,45]=_____,(30,45)\times[30,45]=_____,30\times45=_____

定义7.13 如果a,b的最大公约数是1,那么称a,b互质数

定理7.14
(1) (a,b)=d,则自然数na,b的公约数,当且仅当n|d
(2) [a,b]=m,则自然数na,b的公倍数,当且仅当m|n

定理7.15 a,b是整数,(a,b)=d当且仅当\left(\frac{a}d,\frac{b}d\right)=1
证明 (1)先证必要性:假设命题不成立,则设\left(\frac{a}d,\frac{b}d\right)=d'>1。则存在q_1,q_2\in \mathbb Z,满足\frac{a}d=q_1d'\\\frac{b}d=q_2d'
即得a=q_1dd',b=q_2dd',所以(a,b)\ge dd'>d矛盾。所以假设不成立,命题成立。
(2) 再证充分性:假设命题不成立,则存在比d大的公约数d'=kd,其中k\in \mathbb Z,k>1。此时又有k_1,k_2\in \mathbb Z满足:a=k_1d'=k_1kd\\b=k_2d'=k_2kd
于是:\left(\frac{a}d,\frac{b}d\right)=(k_1k,k_2k)\ge k>1矛盾。所以假设不成立,命题成立。
\blacksquare

定理7.16 a,b是整数,[a,b]=m当且仅当\left(\frac{m}a,\frac{m}b\right)=1
证明 (1)先证必要性:假设命题不成立,设\left(\frac{m}a,\frac{m}b\right)=d>1\\
于是存在k_1,k_2\in \mathbb Z,满足:m=k_1da=k_2db
m'=m/d\in \mathbb Z_+,则m'=k_1a=k_2b,即m'a,b的公倍数且小于m,矛盾。所以假设不成立,命题成立。
(2)再证充分性:假设命题不成立,则令[a,b]=m',则存在k\in\mathbb Z,k>1,m=km'
\exists k_1,k_2\in \mathbb Z,m'=k_1a=k_2b,所以m=kk_1a=kk_2b,于是:\left(\frac{m}a,\frac{m}b\right)=(kk_1,kk_2)\ge k>1\\矛盾。所以假设不成立,命题成立。
\blacksquare

定理7.17 (a,b)[a,b]=ab
证明(a,b)=d,则存在整数k_1,k_2,满足a=k_1d\\b=k_2d\\(k_1,k_2)=1
所以\tag{7.17.1}ab=k_1k_2d^2
另外,令m=k_1k_2d,则 k_1=\frac{m}b,k_2=\frac{m}a,所以\left(\frac{m}a,\frac{m}b\right)=(k_1,k_2)=1\\
根据定理7.16得m=[a,b],再由(7.17.1)得(a,b)[a,b]=ab
\blacksquare

推论 a,b互素,[a,b]=ab

题7.18 求以下各数的所有因数:
(1) 468的所有因数:________________________
(2) 37^{3}的所有因数:________________________
(3) 3^2 19^4的所有因数:________________________
(4) 15^2 20^3的所有因数:________________________
(3) 因为3,19都是因数,所以3^2 19^4的所有因数是下式展开后不合并的各项:(1+3+3^2 )(1+19+19^2+19^3+19^4)=1+19+19^2+19^3+19^4\\+3+3\times19+3\times19^2+3\times19^3+3\times19^4\\+3^2+3^2\times19+3^2\times19^2+3^2\times19^3+3^2\times19^4
所以,其因数有:1,19,19^2,19^3,19^4,\\3,3\times19,3\times19^2,3\times19^3,3\times19^4,\\3^2,3^2\times19,3^2\times19^2,3^2\times19^3,3^2\times19^4

题7.19 求以下各组数的所有公因数:
(1) 170,68的所有公因数:________________________
(2) 2^3 5^{10},2^{20}5^2的所有公因数:________________________
(3) 2^3 3^4 5^8 20^3,630的所有公因数:________________________

定理7.20 a,b,c是自然数,(a,b)=1,a,b\ne 0,且a|c,b|c,那么ab|c.
定理7.21 a,b,c是自然数,a,b\ne 0,且a|c,b|c,那么[a,b]|c.

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