辗转相除法和贝祖定理(裴蜀定理)

1.辗转相除法

1.1  先引出直观的图解法:求104和40的最大公约数。


图解最大公约数

   若要求104和40的最大公约数,以40和104为长方形的宽和长,此时若要用若干个全等的边长为k的正方形来填满这个长方形,则K为40和104的公约数,其中最大的k为最大公约数。这样来来回回的最后发现了边长为8的正方形可以填满,所以最大公约数为8。

    证明:因为正方形可以填满长方形,那么边长k一定是104和40的约数。8边长的可以填满16边长的,那么也可以填满24边长的,那么肯定可以填满40边长的。。推下去。证毕。

1.2辗转相除法


辗转相除法过程

证明:     

 假设d为104和40的公约数。

那么第一次 104\div 40 = 2 ......24   ------>24=104-40\times 2,又由于104=d\times k_1,40=d\times k_2 ------>24=d\times k_1-d\times k_2 \times 2 =d \times (k_1-2k_2)这里k_1>2k_2,因为104=d\times k_1  ,40=d\times k_2------>d是24的约数。

到这里可以归纳一下,若d为a和b的约数,即公约数,我们记为d=(a,b),用括号来表示a和b的公约数。

那么在a>b的假设条件下,必然能得到d=(b,r),因为r是余数一定小于除数b。所以一直推下去,d=(a,b)=(b,r)=(r,r_1) ,r1是b/r的余数 =.........直到有一天余数变为0时,前一个()的余数就是所求的最大公约数

那么有人会问了,d是a,b的约数,没说d是最大公约数啊?为啥这么辗转下去就是最大公约数了呢?

证明:反证法,我们以104,40辗转举例子 容易理解。假设d是104和40的非最大公约数,假设k为104何40的最大公约数 ,——>d<k。

根据上述传递性,d=(104,40)=(40,24)=(24,16)=(16,8),(16,8)=8这个是公认的。而根据假设,k=(104,40)=.....=(16,8) >8,而(16,8) 最大的公约数就是除数本身8。k不可能再大于8了,所以矛盾,故不存在k>b。所以这么辗转,就是得到的是最大公约数。

2.贝祖数

 有如下方程:  ax+by=m ,(a,b,m\in Z)。若此方程想要有整数解,即x,y为整数的。有整数解的充要条件是m为a,b的最大公约数的倍数。

证明:若d为a,b的最大公约数,ax+by=k_1dx+k_2dy=(k_1x+k_2y)d,所以m为d的倍数,注意这里面的所有数都是整数。我们假设a,b的线性组合最小正值为s,ax+by=s,s为能取到的最小正数,有s>0且s可以被d整除,所以有S\geq d。我们突然用 s去除a试一下,得到a=qs+r,改写一下a\div s=q.....r,s是除数,q是商,r是余数,所以0\leq r<s。移项得到r=a-qs=a-q(ax+by)=a-aqx-bqy=(1-qx)a+(-qy)b,r也是a和b的线性组合。那么因为我们假设了s为线性组合的最小正数,0\leq r<s,所以r只能=0才能满足假设。所以a÷s余数为0,所以s是a的一个约数,同理可得s是b的一个约数,所以s为a,b的公约数,因为d是a,b的最大公约数,所以s\leq d。刚才还说的S\geq d呢,所以,S=d。即我们假设的线性组合取到的最小正数s就是d,就是a,b的最大公约数。所以当m为最大公约数的倍数时,ax+by=m一定有整数解。  精彩

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