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数论

数学符号和基础知识

前言

本篇内容不需要单独学习,可以在碰到自己所不熟悉的数学符号时来本页面查阅。

在学习数学的过程中大家会见到许多复杂的公式符号。因此在学习具体内容之前,建议大家首先理解下列常见符号的含义。一些特殊的符号会在对应的章节中讲到,而这里则有一些极为常见的符号需要大家提前掌握。

渐进符号

请参见 复杂度。

整除/同余理论常见符号

  1. 整除符号:x∣yx\mid y,表示 xx 整除 yy,即 xx 是 yy 的因数。
  2. 取模符号:x mod yx\bmod y,表示 xx 除以 yy 得到的余数。
  3. 互质符号:x⊥yx\perp y,表示 xx,yy 互质。
  4. 最大公约数:gcd⁡(x,y)\gcd(x,y),在无混淆意义的时侯可以写作 (x,y)(x,y)。
  5. 最小公倍数:lcm⁡(x,y)\operatorname{lcm}(x,y),在无混淆意义的时侯可以写作 [x,y][x,y]。

数论函数常见符号

求和符号:∑\sum 符号,表示满足特定条件的数的和。举几个例子:

  • ∑i=1ni\sum_{i=1}^n i 表示 1+2+⋯+n1+2+\dotsb+n 的和。其中 ii 是一个变量,在求和符号的意义下 ii 通常是 正整数或者非负整数(除非特殊说明)。这个式子的含义可以理解为,ii 从 11 循环到 nn,所有 ii 的和。这个式子用代码的形式很容易表达。当然,学过简单的组合数学的同学都知道 ∑i=1ni=n(n+1)2\sum_{i=1}^n i=\dfrac{n(n+1)}{2}。
  • ∑S⊆T∣S∣\sum_{S\subseteq T}|S| 表示所有被 TT 包含的集合的大小的和。
  • ∑p≤n,p⊥n1\sum_{p\le n,p\perp n}1 表示的是 nn 以内有多少个与 nn 互质的数,即 φ(n)\varphi(n),φ\varphi 是欧拉函数。

求积符号:∏\prod 符号,表示满足特定条件的数的积。举几个例子:

  • ∏i=1ni\prod_{i=1}^ni 表示 nn 的阶乘,即 n!n!。在组合数学常见符号中会讲到。
  • ∏i=1nai\prod_{i=1}^na_i 表示 a1×a2×a3×⋯×ana_1\times a_2\times a_3\times \dotsb\times a_n。
  • ∏x∣dx\prod_{x|d}x 表示 dd 的所有因数的乘积。

在行间公式中,求和符号与求积符号的上下条件会放到符号的上面和下面,这一点要注意。

其他常见符号

  1. 阶乘符号 !!,n!n! 表示 1×2×3×⋯×n1\times 2\times 3\times \dotsb \times n。特别地,0!=10!=1。
  2. 向下取整符号:⌊x⌋\lfloor x\rfloor,表示小于等于 xx 的最大的整数。常用于分数,比如分数的向下取整 ⌊xy⌋\left\lfloor\dfrac{x}{y}\right\rfloor。
  3. 向上取整符号:⌈x⌉\lceil x\rceil,与向下取整符号相对,表示大于等于 xx 的最小的整数。
  4. 组合数:(xy)\binom{x}{y}
  5. 第一类斯特林数:[xy]x\brack y
  6. 第二类斯特林数:{xy}x\brace y

本文对于数论的开头部分做一个简介。

整除

定义

设 a,b∈Za,b\in\mathbf{Z},a≠0a\ne 0。如果 ∃q∈Z\exists q\in\mathbf{Z},使得 b=aqb=aq,那么就说 bb 可被 aa 整除,记作 a∣ba\mid b;bb 不被 aa 整除记作 a∤ba\nmid b。

整除的性质:

  • a∣b  ⟺  −a∣b  ⟺  a∣−b  ⟺  ∣a∣∣∣b∣a\mid b\iff-a\mid b\iff a\mid-b\iff|a|\mid|b|
  • a∣b∧b∣c  ⟹  a∣ca\mid b\land b\mid c\implies a\mid c
  • a∣b∧a∣c  ⟺  ∀x,y∈Z,a∣(xb+yc)a\mid b\land a\mid c\iff\forall x,y\in\mathbf{Z}, a\mid(xb+yc)
  • a∣b∧b∣a  ⟹  b=±aa\mid b\land b\mid a\implies b=\pm a
  • 设 m≠0m\ne0,那么 a∣b  ⟺  ma∣mba\mid b\iff ma\mid mb。
  • 设 b≠0b\ne0,那么 a∣b  ⟹  ∣a∣≤∣b∣a\mid b\implies|a|\le|b|。
  • 设 a≠0,b=qa+ca\ne0,b=qa+c,那么 a∣b  ⟺  a∣ca\mid b\iff a\mid c。

约数

定义

若 a∣ba\mid b,则称 bb 是 aa 的 倍数,aa 是 bb 的 约数。

00 是所有非 00 整数的倍数。对于整数 b≠0b\ne0,bb 的约数只有有限个。

平凡约数(平凡因数):对于整数 b≠0b\ne0,±1\pm1、±b\pm b 是 bb 的平凡约数。当 b=±1b=\pm1 时,bb 只有两个平凡约数。

对于整数 b≠0b\ne 0,bb 的其他约数称为真约数(真因数、非平凡约数、非平凡因数)。

约数的性质:

  • 设整数 b≠0b\ne0。当 dd 遍历 bb 的全体约数的时候,bd\dfrac{b}{d} 也遍历 bb 的全体约数。
  • 设整数 b>0b\gt 0,则当 dd 遍历 bb 的全体正约数的时候,bd\dfrac{b}{d} 也遍历 bb 的全体正约数。

在具体问题中,如果没有特别说明,约数总是指正约数。

带余数除法

定义

设 a,ba,b 为两个给定的整数,a≠0a\ne0。设 dd 是一个给定的整数。那么,一定存在唯一的一对整数 qq 和 rr,满足 b=qa+r,d≤r<∣a∣+db=qa+r,d\le r<|a|+d。

无论整数 dd 取何值,rr 统称为余数。a∣ba\mid b 等价于 a∣ra\mid r。

一般情况下,dd 取 00,此时等式 b=qa+r,0≤r<∣a∣b=qa+r,0\le r<|a| 称为带余数除法(带余除法)。这里的余数 rr 称为最小非负余数。

余数往往还有两种常见取法:

  • 绝对最小余数:dd 取 aa 的绝对值的一半的相反数。即 b=qa+r,−∣a∣2≤r<∣a∣−∣a∣2b=qa+r,-\dfrac{|a|}{2}\le r<|a|-\dfrac{|a|}{2}。
  • 最小正余数:dd 取 11。即 b=qa+r,1≤r<∣a∣+1b=qa+r,1\le r<|a|+1。

带余数除法的余数只有最小非负余数。如果没有特别说明,余数总是指最小非负余数。

余数的性质:

  • 任一整数被正整数 aa 除后,余数一定是且仅是 00 到 (a−1)(a-1) 这 aa 个数中的一个。
  • 相邻的 aa 个整数被正整数 aa 除后,恰好取到上述 aa 个余数。特别地,一定有且仅有一个数被 aa 整除。

互素

定义

若 (a1,a2)=1(a_1,a_2)=1,则称 a1a_1 和 a2a_2 互素(既约)。

若 (a1,…,ak)=1(a_1,\ldots,a_k)=1,则称 a1,…,aka_1,\ldots,a_k 互素(既约)。

多个整数互素,不一定两两互素。例如 66、1010 和 1515 互素,但是任意两个都不互素。

素数与合数

定义

设整数 p≠0,±1p\ne0,\pm1。如果 pp 除了平凡约数外没有其他约数,那么称 pp 为 素数(不可约数)。

若整数 a≠0,±1a\ne0,\pm 1 且 aa 不是素数,则称 aa 为 合数。