Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 The Greatest Common Divisor and Least Common Multiple



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet22/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

1.3. The Greatest Common Divisor and Least Common Multiple
19
Proposition 1.3.2.
(Euclid’s lemma).
Let p be a prime and a
,
b

Z
. If p
|
ab,
then p
|
a or p
|
b.
Proof.
Suppose that
p
a
. Since gcd
(
p
,
a
)
|
p
, we have gcd
(
p
,
a
)
=
1 or
gcd
(
p
,
a
)
=
p
; but the latter implies
p
|
a
, contradicting our assumption, thus
gcd
(
p
,
a
)
=
1. Let
r
,
s

Z
be such that
r p
+
sa
=
1. Then
r pb
+
sab
=
b
and
so
p
|
b
.
More generally, if a prime
p
divides a product of integers
a
1
· · ·
a
n
then
p
|
a
j
for some
j
. This can be proved by induction on the number
n
.
We can define the greatest common divisor of several positive integers
m
1
,
m
2
,
. . .
,
m
s
by considering
d
1
=
gcd
(
m
1
,
m
2
),
d
2
=
gcd
(
d
1
,
m
3
), . . . ,
d
s

1
=
gcd
(
d
s

2
,
m
s
).
The integer
d
=
d
s

1
is called the greatest common divisor of
m
1
, . . . ,
m
s
and denoted by gcd
(
m
1
, . . . ,
m
s
)
. The following properties can be easily verified:
(i) gcd
(
gcd
(
m
,
n
),
p
)
=
gcd
(
m
,
gcd
(
n
,
p
))
, proving that gcd
(
m
,
n
,
p
)
is well
defined.
(ii) If
d
|
m
i
,
i
=
1
, . . . ,
s
, then
d
|
gcd
(
m
1
, . . . ,
m
s
)
.
(iii) If
m
i
=
p
α
1
i
1
· · ·
p
α
ki
k
,
i
=
1
, . . . ,
s
, then
gcd
(
m
1
, . . . ,
m
s
)
=
p
min

11
,...,α
1
k
)
1
· · ·
p
min

1
s
,...,α
ks
)
k
.
For a positive integer
k
we denote by
M
k
the set of all multiples of
k
. Unlike
the set
D
k
defined earlier in this section,
M
k
is an infinite set.
For positive integers
s
and
t
, the minimal element of the set
M
s

M
t
is called
the
least common multiple
of
s
and
t
and is denoted by lcm
(
s
,
t
)
.
The following properties are easily obtained from the definition above:
(1
) If
m
=
lcm
(
s
,
t
)
,
m
=
ss
=
tt
, then gcd
(
s
,
t
)
=
1.
(2
) If
m
is a common multiple of
s
and
t
and
m
=
ss
=
tt
, gcd
(
s
,
t
)
=
1,
then
m
=
m
.
(3
) If
m
is a common multiple of
s
and
t
, then
m
|
m
.
(4
) If
s
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
and
t
=
p
β
1
1
· · ·
p
β
k
k
,
α
i
,
b
i

0,
i
=
1
, . . . ,
k
, then
lcm
(
s
,
t
)
=
p
max

1

1
)
1
· · ·
p
max

k

k
)
k
.
The following property establishes an important connection between greatest
common divisor and least common multiple:


20
I Fundamentals, 1. Divisibility
Proposition 1.3.3.
For any positive integers m
,
n the following relation holds:
mn
=
gcd
(
m
,
n
)
·
lcm
(
m
,
n
).
Proof.
Let
m
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
,
n
=
p
β
1
1
· · ·
p
β
k
k
,
α
i
, β
i

0,
i
=
1
, . . . ,
k
. From
properties (4) and (4
) we have
gcd
(
m
,
n
)
·
lcm
(
m
,
n
)
=
p
min

1

1
)
+
max

1

1
)
1
· · ·
p
min

k

k
)
+
max

k

k
)
k
e
=
p
α
1
+
β
1
1
· · ·
p
α
k
+
β
k
k
=
mn
.
It is also not difficult to see that if
m
|
s
and
n
|
s
, then lcm
(
m
,
n
)
|
s
.
Another useful property is the following.
Proposition 1.3.4.
Let n, a, b be positive integers. Then
gcd
(
n
a

1
,
n
b

1
)
=
n
gcd
(
a
,
b
)

1
.
Proof.
Without loss of generality, we assume that
a

b
. Then
gcd
(
n
a

1
,
n
b

1
)
=
gcd
(
n
a

1

n
a

b
(
n
b

1
),
n
b

1
)
=
gcd
(
n
a

b

1
,
n
b

1
).
Recall the process of finding gcd
(
a
,
b
)
=
gcd
(
a

b
,
b
)
given by the Euclidean
algorithm. We see that the process of computing gcd
(
n
a

1
,
n
b

1
)
is the same as
the process of computing gcd
(
a
,
b
)
as the exponents, from which the conclusion
follows.
Problem 1.3.1.
Prove that for odd n and odd integers a
1
, a
2
, . . . ,
a
n
, the greatest
common divisor of numbers a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
is equal to the greatest common divisor
of
a
1
+
a
2
2
,
a
2
+
a
3
2
, . . . ,
a
n
+
a
1
2
.
Solution.
Let
a
=
gcd
(
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
)
and
b
=
gcd
a
1
+
a
2
2
,
a
2
+
a
3
2
, . . . ,
a
n
+
a
1
2
.
Then
a
k
=
b
k
a
, for some integers
b
k
,
k
=
1
,
2
, . . . ,
n
. It follows that
a
k
+
a
k
+
1
2
=
b
k
+
b
k
+
1
2
a
,
(
1
)
where
a
n
+
1
=
a
1
and
b
n
+
1
=
b
1
. Since
a
k
are odd numbers,
b
k
are also odd, so
b
k
+
b
k
+
1
2
are integers.
From relation (1) it follows that
a
divides
a
k
+
a
k
+
1
2
for all
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
}
so
a
divides
b
.
On the other hand,
a
k
+
a
k
+
1
2
=
β
k
b
, for some integers
β
k
. Then
2
b
|
a
k
+
a
k
+
1
(
2
)


1.3. The Greatest Common Divisor and Least Common Multiple
21
for all
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
}
. Summing up from
k
=
1 to
k
=
n
yields
2
b
|
2
(
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
n
),
hence
b
|
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
n
.
(
3
)
Summing up for
k
=
1
,
3
, . . . ,
n

2 implies
2
b
|
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
n

1
and furthermore
b
|
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
n

1
.
(
4
)
From (3) and (4) we get that
b
divides
a
n
; then using relation (2) we obtain
b
|
a
k
for all
k
. Hence
b
|
a
and the proof is complete.
Problem 1.3.2.
Prove that for all nonnegative integers a
,
b
,
c
,
d such that a and
b are relatively prime, the system
ax

yz

c
=
0
,
bx

yt
+
d
=
0
,
has infinitely many solutions in nonnegative integers.
Solution.
We start with a useful lemma that is a corollary to Proposition 1.3.1.
Lemma.
If a and b are relatively prime positive integers, then there are positive
integers u and
v
such that
au

b
v
=
1
.
Proof.
Here we give a different argument as in the proof of Proposition 1.3.1.
Consider the numbers
1
·
a
,
2
·
a
, . . . , (
b

1
)
·
a
.
(
1
)
When divided by
b
, the remainders of these numbers are distinct. Indeed,
otherwise we would have
k
1
=
k
2
∈ {
1
,
2
, . . . ,
b

1
}
such that
k
1
a
=
p
1
b
+
r
,
k
2
a
=
p
2
b
+
r
,
for some integers
p
1
,
p
2
. Hence
(
k
1

k
2
)
a
=
(
p
1

p
2
)
b
.
Since
a
and
b
are relatively prime, it follows that
b
divides
k
1

k
2
, which is
false because 1
≤ |
k
1

k
2
|
<
b
.


22

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   18   19   20   21   22   23   24   25   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish