数论问题
1. 基本整除性质
- 被2整除的特征:尾数为0、2、4、6、8(偶数)
- 被4、8、16整除的特征:看后2、3、4位
- 被3或9整除的特征:看所有数字和
- 被5整除的特征:尾数为5、0
- 被25、125整除的特征:看后2、3位
- 被11整除的特征:看(奇数位数和 - 偶数位数和)
2. 同余的定义与性质
定义
如果 、 除以 所得的余数相同,那么称 、 对模 同余,记作 。否则,称 、 对模 不同余,记作 。
性质 1
的充要条件是 (即 能整除 )。
性质 2
若 ,,则:
证明(以 为例 )
要证 ,根据性质 1,只需证明 。
对 变形:
ac - bd&= ac - bc + bc - bd\\ &=(a - b)c + b(c - d) \end{align*}$$ 由条件 $a\equiv b\pmod{m}$,$c\equiv d\pmod{m}$,根据性质 1 可知 $m\mid a - b$,$m\mid c - d$。 因为 $m$ 能整除 $(a - b)c$($m\mid a - b$ ,$c$ 是整数 ),也能整除 $b(c - d)$($m\mid c - d$ ,$b$ 是整数 ),所以 $m$ 能整除 $(a - b)c + b(c - d)$,即 $m\mid ac - bd$ 。 故 $ac\equiv bd\pmod{m}$ 得证,其他式子可类似证明。 ### 性质3 **性质 VI 同余式** 若 $$ca \equiv cb \pmod{m}$$ 等价于 $$a \equiv b \pmod{\tfrac{m}{gcd(c,m)}}.$$ 当 $gcd(c,m) = 1$ 有 $a \equiv b \pmod m$ ### 性质 4 若 $ m\geqslant1 $,$gcd(a,m)=1$,则存在 $ c $ 使得 $$ ca \equiv 1\pmod{m} \tag{8} $$ 我们把 $ c $ 称为 $ a $ 对模 $ m $ 的逆,记做 $ a^{-1}\pmod{m} $ 或 $ a^{-1} $。 ### 约数的性质 **什么样的数只有一个约数?** - 数字 1 **什么样的数只有两个约数?** - 质数 **什么样的数只有三个约数?** - 质数的平方 **什么样的数只有四个约数?** - 质数的立方 - 两个不同质数的积 **什么样的数只有五个约数?** - 质数的四次方 **什么样的数只有六个约数?** - 质数的五次方 - 质数平方 × 另一个质数 **什么样的数只有奇数个约数?** - 平方数 **什么样的数只有偶数个约数?** - 不是平方数 好的 👍 我来帮你把这套“约数规律”用**约数个数公式**总结出来,并给出推导示例。 --- #### 1.约数个数公式 若一个正整数 $n$ 的质因数分解为:n = p_1^{e_1} \times p_2^{e_2} \times \cdots \times p_k^{e_k}
其中 $p_i$ 为不同的质数,$e_i$ 为指数。 则 **约数个数公式**为:d(n) = (e_1+1)(e_2+1)\cdots(e_k+1)
--- #### 2. 规律总结 1. **只有 1 个约数的数** * 公式:只有 $n=1$。 * 因为 $1$ 没有质因数,按定义约数个数 $=1$。 --- 2. **有 2 个约数的数** * 公式:$d(n)=2$,即必须是 $p^1$。 * 所以是**质数**。 --- 3. **有 3 个约数的数** * 公式:$d(n)=3$,只能是 $p^2$。 * 所以是**质数的平方**。 * 例:$9=3^2$。 --- 4. **有 4 个约数的数** * 可能情况: * $p^3$,约数个数 $(3+1)=4$。 * $p_1^1 p_2^1$,约数个数 $(1+1)(1+1)=4$。 * 所以是**质数立方**或**两个不同质数的乘积**。 * 例:$8=2^3$,$15=3\times 5$。 --- 5. **有 5 个约数的数** * 公式:$d(n)=5$,必须是质数四次方 $p^4$。 * 例:$16=2^4$。 --- 6. **有 6 个约数的数** * 可能情况: * $p^5$,约数个数 $(5+1)=6$。 * $p_1^2 p_2^1$,约数个数 $(2+1)(1+1)=6$。 * 所以是**质数五次方**或**一个质数平方 × 另一个质数**。 * 例:$32=2^5$,$18=2\times 3^2$。 --- 7. **有奇数个约数的数** * 规律:只有**完全平方数**才有奇数个约数。 * 理由:因子成对出现,只有平方数多出一个“重复因子”。 * 例:$36=6^2$,约数 9 个。 --- 8. **有偶数个约数的数** * 规律:所有**非平方数**。 * 例:$20$,约数 6 个。 --- #### 3. 快速判断技巧 * **1 个约数**:1 * **2 个约数**:质数 * **3 个约数**:质数平方 * **4 个约数**:质数立方 或 两个不同质数的积 * **5 个约数**:质数四次方 * **6 个约数**:质数五次方 或 质数平方 × 另一质数 * **奇数个约数**:平方数 * **偶数个约数**:非平方数 --- ### 最大公约数和最小公倍数 1. A和B两个数的最大公约数是p,最小公倍数是q,有AB=pq 2.所有公约数都是最大公约数的约数,所有公倍数都是最小公倍数的倍数。 ### 求解同余方程 $7x-10y=86$ 步骤 1:检查是否有整数解(判定条件) * 计算$\gcd(7,10)=1$。 * 只要$\gcd(7,10)\mid86$(即1能整除86,显然成立),就一定有整数解。 * 这一步是保证“有解”的前提。 步骤 2:先在模10下求出 $x$ 的同余类 把等式按模10取余,理由:右边是86,模10只看个位数。 1. 由方程得: $7x-10y\equiv86\pmod{10}$ 因为$-10y\equiv0\pmod{10}$(10的倍数模10为0),所以: $7x\equiv86\pmod{10}$ 2. 计算 $86\bmod10$: $86\equiv6\pmod{10}$ 所以有: $7x\equiv6\pmod{10}$ 3. 在模10下,7有乘法逆元。因为 $7\times3=21\equiv1\pmod{10}$,因此 $7^{-1}\equiv3\pmod{10}$。 4. 两边同乘以3(等价变形): $(3\cdot7)x\equiv3\cdot6\pmod{10}$ $1\cdot x\equiv18\pmod{10}$ $x\equiv8\pmod{10}$ **结论(同余):** 所有解的 $x$ 都满足“被10除余数是8”。这用参数表示就是 $x=8+10t,\quad t\in\mathbb Z.$ > 小提示:这一步的直觉是——因为系数里有个“10y”,它注定在模10里消失,所以用模10能很快锁定$x$的余数。 步骤 3:代回去求 $y$,并确认一定是整数 把 $x=8+10t$ 代回原式:\begin{aligned} 7x-10y&=86\ 7(8+10t)-10y&=86\ 56+70t-10y&=86\ -10y&=86-56-70t\ -10y&=30-70t\ 10y&=70t-30=10(7t-3) \end{aligned}
因此 $y=7t-3.$ 这里顺便验证了:不管 $t$ 是什么整数,右边都能被10整除,所以 $y$ 一定是整数。 步骤 4:写出通解并校验 **整数解通解:** $x=8+10t,\quad y=7t-3,\quad t\in\mathbb Z.$ 快速校验(取 $t=1$):$(x,y)=(18,4)$,代回:$7\cdot18-10\cdot4=126-40=86$,正确。 步骤 5:如果要求“正整数/非负整数”解 * **正整数解:** $x=8+10t>0$ 对所有整数 $t$ 都真; $y=7t-3>0\Rightarrow t\ge1$。 所以所有正整数解为:$(x,y)=(8+10t,\,7t-3),\quad t=1,2,3,\dots$ 最小正整数解:$(18,4)$(取 $t=1$)。 * **非负整数解:** $y=7t-3\ge0\Rightarrow t\ge1$。首个仍是 $(18,4)$。 步骤 6(可选):另一种找特解的方法(扩展欧几里得) 我们也可先解出使左边等于1的整数对,然后乘以86: * 因为 $7\cdot3-10\cdot2=1$。两边乘以86: $7\cdot(3\cdot86)-10\cdot(2\cdot86)=86$ 得一组特解 $(x_0,y_0)=(258,172)$。 * 然后利用线性丢番图的“平移不变性”,通解为 $x=258+10t,\quad y=172+7t,$ 把参数平移一下(令 $t\leftarrow t-25$)就与上面的通解同一族。本质相同,只是起点不同。 ## 真题串讲