DĚLITELNOST CELÝCH ČÍSEL Def. 1 Říkáme, že celé číslo b dělí celé číslo a (nebo b je dělitelem a nebo a je dělitelné b nebo a je násobkem b), právě když existuje celé číslo x, pro které platí a = b . x. Symbolicky: b|a o (3 x e C)( a = b . x ) Jestliže k číslům a,b € C neexistuje x e C takové, že a - b . x, říkáme, že b nedělí a. b f a Platí-li, že a = b . x, pak čísla b a x jsou dělitelé čísla a a nazývají se sdružení dělitelé čísla a. Pozn. 1. Každé celé číslo a * 0,1,-1 má alespoň 4 celočíselné dělitele, a to čísla 1, a,-1,-a. Tyto dělitele nazýváme samozřejmými děliteli čísla a. (Ostatní dělitele, pokud existují, nazýváme nesamozřejmými.) 2. Čísla 1 a -1 mají právě dva dělitele v množině C, a to 1, -1. 3. Číslo 0 má nekonečně mnoho dělitelů, a to každé celé číslo. 4. Číslo 0 není dělitelem žádného nenulového čísla a, protože neexistuje žádné celé číslo x tak, aby platilo 0 . x - a . 5. Číslo 0 je dělitelem sebe sama (0|0), neboť pro libovolné celé číslo x platí 0 . x = 0. Cvičení: 1. Doplňte: Číslo 10 má 12 dělitelů, jsou to čísla: Dvojice sdružených dělitelů čísla 10: Samozřejmí dělitelé čísla 10: Přirození dělitelé čísla 10 (to jsou dělitele čísla 10 patřící do množiny přirozených čísel): 2. Zjistěte, jaké vlastnosti má binární relace „dělitelnost celých čísel", a tvrzení dokažte. Věta 1. Pro libovolná celá Čísla a, b, c platí a) (b|a a b|c) (bja+c a b|a-c) b) b|a => (-b)|a c) bja => b|(-a) Důkaz: Pozn. Na základě části b) a c) uvedené věty můžeme dále pracovat jen v množině přirozených čísel. (Určíme-li přirozené dělitele přirozeného čísla a, umíme snadno určit všechny dělitele čísla a i čísla -a.). Znaky dělitelnosti jsou věty, které umožňují rozhodnout o dělitelnosti čísla jiným číslem bez provedení dělení, jen ze zápisu čísla Ve všech dalších úvahách máme na mysli přirozená čísla zapsaná v desítkové soustavě. 1. Přirozené číslo a je dělitelné dvěma (pěti, deseti) právě tehdy, když je dvěma (pěti, deseti) dělitelné číslo, zapsané jeho cifrou nultého řádu. 2. Přirozené číslo a je dělitelné čtyřmi, právě když je čtyřmi dělitelné číslo zapsané jeho posledním dvojčíslím. 3. Přirozené číslo a je dělitelné osmi, právě když je osmi dělitelné číslo zapsané jeho posledním trojčíslím. 4. Přirozené číslo a je dělitelné třemi (devíti), právě když je třemi (devíti) dělitelný jeho ciferný součet. (Ciferný součet je součet všech čísel zapsaných jednotlivými číslicemi v zápisu čísla a) 5. Přirozené číslo a je dělitelné jedenácti, právě když je jedenácti dělitelný součet čísel zapsaných jednotlivými ciframi sudého řádu zmenšený o součet čísel zapsaných jednotlivými ciframi lichého řádu v zápisu čísla a. Tyto znaky dělitelnosti plynou z obecnějších vět: I. Dělíme-li přirozené číslo a dvěma (pěti, deseti) dostaneme stejný zbytek, jako když dělíme dvěma (pěti, deseti) číslo zapsané cifrou nultého řádu v zápisu čísla a. II. Dělíme-li přirozené číslo a (aspoň trojciferné) čtyřmi, dostaneme stejný zbytek, jako když dělíme čtyřmi číslo zapsané jeho posledním dvojčíslím. III. Dělíme-li přirozené číslo a (aspoň čtyřciferné) osmi, dostaneme stejný zbytek, jako když dělíme osmi číslo zapsané jeho posledním dvojčíslím. IV. Dělíme-li přirozené číslo a třemi (devíti), dostaneme stejný zbytek, jako když dělíme třemi (devíti) jeho ciferný součet. V. Dělíme-li přirozené číslo a jedenácti, dostaneme stejný zbytek, jako když dělíme jedenácti součet čísel zapsaných ciframi sudého řádu zmenšený o součet čísel zapsaných ciframi lichých řádů. Důkazy vět I. - V. provedeme s využitím následující věty. Věta 2. Je-li celé číslo a součtem dvou celých čísel, z nichž jedno je násobkem celého čísla b, pak druhé dává při dělení číslem b stejný zbytek jako číslo a. (Důkaz viz učebnice s. 185) Def. 2 Přirozené číslo p>l nazýváme prvočíslem, právě když má právě dva přirozené dělitele. Přirozené číslo a>l, které není prvočíslem (tj. má více než dva přirozené dělitele), nazýváme složeným číslem. O tom, zda dané číslo je prvočíslo nebo složené číslo, můžeme rozhodnout pomocí tzv. Eratosthenova síta nebo podle věty 3. Věta 3. Jestliže přirozené číslo a není dělitelné žádným prvočíslem menším nebo rovným Vä , pak a je prvočíslo. Př. Zjistěte, zda 173 je prvočíslo nebo složené číslo. |l73< 14, proto budeme zjišťovat, zda číslo 173 je dělitelné některým z prvočísel 2, 3, 5, 7, 11,13. Číslo 173 není dělitelné žádným z těchto prvočísel, proto je prvočíslem. Věta 4. Každé složené číslo a lze vyjádřit právě jedním způsobem ve tvaru součinu konečného počtu prvočísel kde pi, p2,....., Pk jsou prvočísla, ei, e2, ..., e^ jsou nenulová přirozená čísla. Tento zápis se nazývá prvočíselný rozklad přirozeného čísla a a pi, p2,....., Pk jsou tzv. prvočinitele rozkladu. Př. 600 = 23 . 31. 52 Def. 3 Společný dělitel přirozených čísel a, b je každé přirozené číslo d, pro které platí d a a d b. Def. 4 Nej větší společný dělitel přirozených čísel a, b je ten ze společných dělitelů, který je dělitelný všemi společnými děliteli. Označujeme D(a,b). Pozn. V množině přirozených čísel lze též říci, že největší společný dělitel je největší (maximální) číslo ze společných dělitelů. Def. 5 Přirozená čísla a, b se nazývají nesoudělná, právě když je jejich největší společný dělitel roven 1. D(a,b) = 1 Def. 6 Přirozená čísla a, b se nazývají soudělná, právě když je jejich největší společný dělitel větší než 1. D(a,b) > 1. Def. 7 Společný násobek přirozených čísel a, b je každé přirozené číslo m, které je dělitelné oběma čísly a, b, tj. a m a b m. Def. 8 Nejmenší společný násobek přirozených čísel a, b je ten ze společných násobků, který je dělitelem všech společných násobků čísel a, b. Označujeme n(a,b). Pozn. V množině přirozených Čísel lze těž říci, že n(a,b) je nejmenší číslo z kladných společných násobků čísel a,b. Pozn. Definice 3 - 8 lze rozšířit na libovolný konečný počet přirozených čísel ai,..., an. Určování D(a,b) a n(a,b) 1) pomocí Euklidova algoritmu 2) z rozkladů čísel na součin prvočinitelů ad 1) Euklidův algoritmus vychází z věty 7.1 (uč. na str. 189). Podle této věty platí: Jestliže přirozené číslo a dává při dělení nenulovým přirozeným číslem b zbytek z, tj. a = b.q + z a z < b, pak největší společný dělitel čísel a, b je roven největšímu společnému děliteli čísel b, z, tj. D(a,b) = D(b,z). Tím převádíme problém určení D(a,b) na určení D(b,z). Čísla b a z jsou menší než čísla a, b. Př. Zjistěte D(268, 80) 268 : 80 = 3 neboli 268 = 80 . 3 + 28 28 80 : 28 = 2 80 = 28 . 2 + 24 24 28 : 24 = 1 28 = 24. 1 + 4 4 24 : 4 = 6 24 = 6 . 4 0 Největší společný dělitel čísel 268 a 80 je číslo 4, tj. poslední nenulový zbytek při postupném dělení. Nejmenší společný násobek čísel a, b pak lze vypočítat podle věty 8.2 v učebnici na str. 191. Věta 4: Pro každá dvě přirozená čísla a, b platí: n(a,b) . D(a,b) = a . b ad 2) Určení největšího společného dělitele a nejmenšího společného násobku z rozkladu daných čísel na součin prvočinitelů. Největší společný dělitel daných přirozených čísel je součinem všech prvočinitelů, kteří se současně vyskytují v prvočíselných rozkladech všech daných čísel, a to s nejmenším s vyskytujících se exponentů. Nejmenší společný násobek daných čísel je součinem všech různých prvočinitelů, kteří se vyskytují v rozkladech daných čísel, a to v největší mocnině. Př. Zjistěte D(108, 90) a n(108, 90). 108 = 22. 33 90 = 2 . 32 . 5 D(108,90) = 2.32= 18 n(108, 90) = 22. 33. 5 = 540 Určení počtu všech přirozených dělitelů daného přirozeného čísla: Věta 5: Je-li a = pel.pc2.....pek prvočíselný rozklad přirozeného čísla a > 1, pak počet všech přirozených dělitelů čísla a (ozn, # (a)) je určen takto: 3(a) = (el + l).(e2+l).....(ek+l) Všechny přirozené dělitele čísla a určíme jako všechny možné součiny prvočinitelů, přičemž kaž' Př: 3° 31 32 2° .5° 1 3 9 2° 51 5 15 45 21 5° 2 6 18 21 51 10 30 90 90 = 2 . 32. 5 & (90) = (1+1). (2+1). (2+1)= 12 Kongruence, rozklad na zbytkové třídy. Věta: Nechť a, b jsou celá čísla taková, že b * 0. Potom existují celá čísla q, r splňující vztah: a-bq + r, 0 < r < | & |, přičemž toto vyjádření je jednoznačné. Poznámka: Je nutno si uvědomit, že zbytek r při dělení je vždy nezáporný, a to i při dělení záporným číslem. Např. a = -26, b = 8, q = -4, r = 6, protože -26 = 8 . (-4) + 6. Poznámka: Celá čísla a, b jsou nesoudělná, je-li jejich největší společný dělitel roven jedné. V opačném případě se nazývají soudělná. Největší společný dělitel čísel a, b budeme označovat NSD(a, b), nejmenší kladný společný násobek NSN(a, b). Eulerova funkce cp(n) vyjadřuje počet přirozených čísel menších nebo rovných číslu n, k y nesoudělných s n. Nechť n = p,a' . ... p£*, pak platí
(n) - n -1.
Kongruence: a, b e Z, m e N, m > 2. Platí a = b <=> m \ (a - b). Čteme: Číslo a je kongruentní s číslem b podle modulu m. Dvě čísla kongruentní podle nějakého modulu m dávají při dělení tímto modulem m týž zbytek. Relace kongruence je ekvivalence na množině všech celých čísel (je reflexivní, symetrická a tranzitivní).
Vlastnosti kongruenci:
1) p prvočíslo a = b (mod^n) => a = b (mod p)
Platí-li kongruence podle modulu, který je mocninou prvočísla, platí i podle modulu rovného tomuto prvočíslu.
2) a = b (mod mj , í = 1,2,...,k => a = b (mod NSN(m/%))
Platí-li kongruence podle několika modulů, platí i podle modulu rovného nejmenšímu společnému násobku těchto modulů.
k k k k
3) fl|5 bx (mod m), i- l,...,k=> ^Ta, = ^ž>(. (modm), Y\ai = ITA (m°d m)-
1=1 í=l i=l i=l
Kongruence podle téhož modulu lze sčítat i násobit. Nechť v dalším platí a = b (mod m):
4) a + x = b + x (mod m), a.y = b.y (mod m)
K oběma stranám kongruence lze přičíst stejné celé číslo a obě strany kongruence lze vynásobit týmž celým číslem. Obecně ale nelze obě strany kongruence dělit týmž celým číslem, např. 24 s 40 (mod 8), ale po vydělení čtyřmi 6 # 10 (mod 8).
5) m |z => a + z = b (mod m)
Celé číslo, které je násobkem modulu, lze přičíst pouze k jedné straně kongraence.
6) a" s b" (mod m)
Obě strany kongruence lze umocnit na libovolný přirozený exponent.
7) d la Ad |b a NSD(4m') = 1 => — s — (mod m)
' d d
Obě strany kongruence lze vydělit celým číslem nesoudělným s modulem.
8) ac = bc (mod mc)
Obě strany kongruence i modul lze vynásobit týmž celým kladným číslem.
9) e b a e\b a e\c => — s — (mod —)
e e e
Obě strany kongruence i modul lze vydělit týmž celým kladným číslem různým od nuly.
10) a = é (mod ití) a d\m =í> a = b (mod ď)
Platí-li kongruence podle modulu m, platí i podle modulu rovného libovolnému kladnému děliteli čísla m, většímu než jedna.
Eulerova věta: m e N, m > 1, a e Z, D(a,m) = 1, pak a**"0 s 1 (mod m).
Je-H specielně prvočíslo, které není dělitelem čísla a, pak platí a1*"1 = 1 (mod p) (tzv. malá
Fermato va věta).
Definice. — Nechť rn je pevné přirozené číelo. Označme:
C i = { x € % j r. dává po dělení číslem m zbytek i} , pro i = 0,1, ... ,m—1
Pak množina. Cj sě' nazýva zbytková trida podle modulu rn. Symbolem Zm se označí množina všech zbytkových tříd podle modulu rn, tzn. Zm = {Co, Ci,..., Cm_i} .
Poznámka.
Někdy bude technicky výhodnější přeformulovat definici zbytkové třídy d do ekvivalentního tvaru:
Ci= { x € I> | x = i (mod m) }, pro i — 0,1, ... , m—1.
Ekvivalentnost vyjádření okamžitě plyne z věty ., uvědoiníme-li si zřejmý
fakt, že číslo i, kde 0 < i < m—l , dává po dělení číslem rn zbytek i.
Z věty o děleiií se zbytkem celých čísel plyne, že zbytkových tříd podle modulu m musí být opravdu právě m (neboť zbytek po dělení každého celého čísla číslem m musí podle této věty uabývat právě jedné z hodnot 0,1,..., m—1). Dále, každá zbytková třída podle modulu rn obsahuje zřejmě nekonečně mnoho celých čísel, lišících se o nějaký celočíselný násobek modulu rn. Pokusírne-li se schematicky zapsat jednotlivé zbytkové třídy podle modulu rn, dostaneme f
Co = {■ .. , -2m , —m , 0 , -rn , 2m , }
Cx = {• .. , -2rn + 1 , —m + 1 , 1 , rn + 1 , 2m + 1 , ... }
C2 » {■ .. , -2m + 2 , -m + 2 , 2 , m+ 2 , 2m + 2 , •• }
''m-1 — {■ .. , -m - 1 , -1 , m — 1 , 2m - 1 , 3rn — 1 ,
/ veui
./ Nechť vi je pevné přirozené číslo. Pak množina Zm všech zbytkových tříd podia modulu /J m tvoří.rozklad na množině Z všech celých čísel;
Důkaz.
Uvažme iimožimi zbytkových tříd Zm = {Co, Ci, ■ ■., Cm-i} .
dokážeme, že Zm je rozklad na Z.
1. každá Ke zbytkových tříd Cť je zřejmě neprázdnou podmnožinou v Z.
2. uecliť d, C j e Z a d n Cj ^ 0. Potom existuje číslo x 6 Q n C,-, což znamená, že x dává po delení CÍBlem m zbytek i a současně také zbytek j. Ale z vety o dělení celých čísel se zbytkem víme, že zbytek po delení je určen jednoznačně, tzii. i = j, odkud dostávame, že Cj = Oj ■
3. zřejmě platí, že sjednocení Co iTCi U • • * U Cm-i m %> ■
; v-