具体数学-第10课(素数和阶乘的有趣性质)

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欧几里得数

首先我们来证明一下,素数有无穷多个。

假设素数只有 k 个,分别为 2,3, \ldots ,{P_k} ,那么我们构造下面的数字:
M = 2 \cdot 3 \cdot \ldots \cdot {P_k} + 1
显然 M 无法被 2,3, \ldots ,{P_k} 中的任意一个整除,那么要么 M 可以被其他的素数整除,要么 M 自己就是一个素数。所以素数有无穷多个。

下面我们来定义欧几里得数,是用递归形式来定义的:
{e_n} = {e_0}{e_1}{e_2} \ldots {e_{n - 1}} + 1

那么欧几里得数是否是素数呢?当然不是的, {e_5} = 1807 = 13 \cdot 139

但是欧几里得数还是有很多奇妙的性质。

性质1
\gcd ({e_m},{e_n}) = 1,m \ne n
证明:
假设 n > m ,那么有
\gcd ({e_m},{e_n}) = \gcd ({e_m},{e_0}{e_1} \ldots {e_m}{e_{m + 1}} \ldots {e_{n - 1}} + 1) = \gcd (1,{e_m}) = 1
性质2
如果令 q_j 等于 e_j 的最小素因子,那么 {q_1},{q_2}, \ldots 就是一个不重复的素数序列,这也证明了素数有无穷多个。
性质3
{e_n} = {e_0}{e_1}{e_2} \ldots {e_{n - 1}} + 1 = ({e_{n - 1}} - 1){e_{n - 1}} + 1 = e_{n - 1}^2 - {e_{n - 1}} + 1
在后面的章节可以证明:
{e_n} = \left\lfloor { {E^{ {2^n}}} + \frac{1}{2}} \right\rfloor
其中 E \approx 1.264

下面我们稍稍探究一下下面这个数的性质:
{2^p} - 1
这个数如果是素数,那么就被叫做梅森素数,那么它在什么情况下是素数呢?

首先 p 不能是合数,因为有
{2^{km}} - 1 = ({2^m} - 1)({2^{m(k - 1)}} + {2^{m(k - 2)}} + \cdots + 1)
但是如果 p 是素数,这个数也不一定是素数,2017年年末美国一个电气工程师发现了人类历史上最大的梅森素数—— {2^{77232917}} - 1

阶乘

阶乘定义如下:
n! = 1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot n = \prod\limits_{k = 1}^n k
所以有
n{!^2} = (1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot n)(n \cdot \ldots \cdot 2 \cdot 1) = \prod\limits_{k = 1}^n {k(n + 1 - k)}
由基本不等式可以得到
n \le k(n + 1 - k) \le \frac{ { { {(n + 1)}^2}}}{4}
所以
\prod\limits_{k = 1}^n n \le n{!^2} \le \prod\limits_{k = 1}^n {\frac{ { { {(n + 1)}^2}}}{4}}
所以
{n^{n/2}} \le n! \le \frac{ { { {(n + 1)}^n}}}{ { {2^n}}}
这里得到了阶乘的一个粗略范围,在后面章节中,我们会得到阶乘的一个更精确的表达式:
n! \sim \sqrt {2\pi n} {\left( {\frac{n}{e}} \right)^n}
这就是斯特林数,搞ACM还是很有用的。

下面我们来探讨 n! 中含有多少个素因子 p ,个数记为 {\varepsilon _p}(n!)

从特殊情况讨论起,当 p=2 的时候,我们首先看 n! 含有多少个2,然后看有多少个4,再看有多少个8,依次下去,所以答案为:
{\varepsilon _2}(n!) = \sum\limits_{k \ge 1} {\left\lfloor {\frac{n}{ { {2^k}}}} \right\rfloor }
可以看出,这个答案不就是 n 的二进制表示不停右移1位,然后相加吗?所以又可以写成:
{\varepsilon _2}(n!) = n - {\nu _2}(n)
其中 {\nu _2}(n) 表示 n 的二进制表示中1的个数。

推广到一般情况:
{\varepsilon _p}(n!) = \sum\limits_{k \ge 1} {\left\lfloor {\frac{n}{ { {p^k}}}} \right\rfloor }
放缩一下有:
{\varepsilon _p}(n!) = \sum\limits_{k \ge 1} {\left\lfloor {\frac{n}{ { {p^k}}}} \right\rfloor } < \sum\limits_{k \ge 1} {\frac{n}{ { {p^k}}} = \frac{n}{ {p - 1}}}

如果我们令 p=2p=3 可以发现:
{\varepsilon _2}(n!) \approx 2{\varepsilon _3}(n!)
但是这个式子在什么情况下相等呢?这仍然是一个未解之谜。

所以 pn! 的贡献度满足如下式子:
{p^{ {\varepsilon _p}(n!)}} < {p^{\frac{n}{ {p - 1}}}}
又因为 p \le 2^{p - 1} ,所以
{p^{ {\varepsilon _p}(n!)}} < {p^{\frac{n}{ {p - 1}}}} \le {2^n}
假设素数只有 k 个,分别为 2,3, \ldots ,{P_k} ,那么有
n! < {({2^n})^k}
如果我们令 n = {2^{2k}} ,那么
n! < {({2^n})^k} = {2^{k{2^{2k}}}} = {2^{2k{2^{2k}}/2}} = {n^{n/2}}
这与我们之前推过的不等式矛盾!所以一定有无穷个素数。

设小于等于 n 的素数个数为 \pi (n) ,所以
n! < {2^{n\pi (n)}}
根据斯特林数公式,我们可以得到
\pi (n) > \lg (n/e)

互素

定义
mn 互素定义为 gcd(m, n) = 1 ,记作 m \bot n

互素也有很多性质。

性质1
m/\gcd (m,n) \bot n/\gcd (m,n)
性质2
m \bot n \Leftrightarrow \min ({m_p},{n_p}) = 0
其中 {m_p},{n_p} 就是两个数的素数指数表示法,详细定义见上一节课。
或者可以表示为
m \bot n \Leftrightarrow {m_p}{n_p} = 0
性质3
k \bot m,k \bot n \Leftrightarrow k \bot mn

Stern-Brocot树

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如上图所示,Stern-Brocot树就是0到1之间的分数生成的一棵二叉树。

初始时只有 \frac{0}{1},\frac{1}{0} 两个数,第一轮将两者分母相加,分子也相加作为新的分数的分母分子。第二轮再对相邻的两个分数做相同的操作,生成新的分数序列。不断生成下去,得到了上图的二叉树。

Stern-Brocot树有下面四个性质:

  1. 0到1之间的所有有理数都出现在了这棵树中。
  2. 每个分数仅出现了1次。
  3. 每个分数都是不可约分的,即分子分母互素。
  4. 生成的序列是单调递增的。

下面我们来一个一个证明。

引理
对于相邻的两个分数 \frac{m}{n},\frac{ {m'}}{ {n'}} ,满足:
m'n - mn' = 1
证明
用数学归纳法证明。

性质4就是证明:
\frac{m}{n} < \frac{ {m + m'}}{ {n + n'}} < \frac{ {m'}}{ {n'}}
结论是很显然的,这样性质2同时就成立了。

性质1的话,对于任意有理数 \frac{a}{b} ,假设 \frac{m}{n} < \frac{a}{b} < \frac{ {m'}}{ {n'}}
我们采用如下策略生成 \frac{a}{b}

  • 如果 \frac{ {m + m'}}{ {n + n'}} = \frac{a}{b} ,那么成功。
  • 如果 \frac{ {m + m'}}{ {n + n'}} < \frac{a}{b} ,那么令 m = m + m',n = n + n'
  • 如果 \frac{ {m + m'}}{ {n + n'}} > \frac{a}{b} ,那么令 m' = m + m',n' = n + n'

那么有
an - bm \ge 1,bm' - an' \ge 1
所以
(m' + n')(an - bm) + (m + n)(bm' - an') \ge m' + n' + m + n
而左边式子就等于 a+b ,所以
a + b \ge m' + n' + m + n
因为 m,n,m',n' 都在不断增加,所以最多 a + b 轮就能生成 \frac{a}{b}

性质3的话,同样用数学归纳法。通过引理可以得到
(m + m')n - m(n + n') = 1
由扩展欧几里得定理可以得到 m + m'n + n' 互素。

Farey序列
我们引申出Farey序列的概念,定义如下:
{F_n} = \{ a/b|\gcd (a,b) = 1,0 \le a,b \le n,0 \le a/b \le 1\}
关于它的更多性质,留到下一节课继续。

posted on 2020-01-17 01:03  godweiyang  阅读(605)  评论(0编辑  收藏  举报

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