Изображения страниц
Текст статьи Кудреватов Г. А. Сравнения // Квант. — 1972. — № 9. — С. 16—21.
Разделится или нет? Этот вопрос часто возникает в арифметике целых чисел. И это не случайно — ведь деление является наиболее сложным из арифметических действий.
Обозначим делимое и делитель буквами

Если
Ответить на вопрос, делится или нет, в ряде случаев помогают признаки делимости. Но в школьном курсе рассматриваются лишь простейшие из них: на 2, 3, 5 и 9. Признаки делимости, например, на 7, 11 лежат за пределами школьного курса. Знаний, получаемых на уроках арифметики, недостаточно, чтобы найти остаток от деления
1. Остаток от деления
Нередко остаток
Другой пример. Наблюдая таблицу целых неотрицательных степеней числа 3, легко заметить (а заметив, и доказать) периодическое повторение последней цифры: $$ \def\a#1{\hskip1.25em\mathclap{#1}\hskip1.25em} \colsep{0pt}{\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}\hline\\[-6pt] \a x&\hskip2pt&\a0&\a1&\a2&\a3&\hskip2pt&\a4&\a5&\a6&\a7\\[6pt]\hline\\[-6pt] 3^x&&1&3&9&27&&81&\a{243}&\a{729}&\a{2187}\\[6pt]\hline \end{array}} $$
Поэтому, чтобы определить последнюю цифру числа
Для тех, кто знаком с комплексными числами (о них шла речь в статье С. Г. Гиндикина «Дебют Гаусса», «Квант» №1, 1972), приведём ещё один пример: целые степени мнимого числа
Например,
Остаток однозначно определяется по делимому
2. Сравнения по модулю
Рассмотренные примеры показывают, что в ряде случаев нам приходится иметь дело с фиксированным натуральным делителем
Очевидно, что каждое целое число сравнимо со своим остатком по модулю
С помощью понятия сравнения выводы в примерах из п. 1 могут быть записаны следующим образом:
- $$ a\equiv b\pmod6~\Rightarrow~\gcd(a,6)=\gcd(b,6). $$
Здесь мы вместо шести можем взять произвольное натуральное число
- $$3^{x_1}\equiv3^{x_2}\pmod{10}~\Leftrightarrow~x_1\equiv x_2\pmod4$$
(последняя цифра натурального числа является его остатком по модулю 10, поэтому числа с одной и той же последней цифрой сравнимы по модулю 10);
- $$i^{x_1}=i^{x_2}~\Leftrightarrow~x_1\equiv x_2\pmod4.$$
Сравнимы ли числа
В данном случае
Утверждение
Таким образом, сравнимые целые числа равны с точностью до слагаемого, кратного модулю. При этом замечательно то, что сравнения имеют не только внешнее сходство с обычными равенствами, но обладают почти всеми основными их свойствами. Так, сравнения по одному и тому же модулю можно почленно складывать, вычитать и перемножать: $$ a\equiv b{,}~c\equiv d\pmod m~\Rightarrow~a\pm c\equiv b\pm d{,}~ac\equiv bd\pmod m.\tag{С} $$ Отсюда получаются такие следствия: к частям данного сравнения можно прибавлять одно и то же число, их можно умножать на одно и то же число, а также возводить в одну и ту же натуральную степень, т. е. $$ a\equiv b\pmod m~\Rightarrow~a+c\equiv b+c{,}~ac\equiv bc{,}~a^k\equiv b^k\pmod m. $$
Упражнения
- Докажите критерий (К) и свойства сравнений (С).
- Докажите, что части сравнения можно сокращать на число, взаимно простое с модулем (если, конечно, обе части сравнения делятся на это число).
- Покажите, что сравнение
$3x\equiv4\pmod5$ верно при любом$x$, сравнимом с 3 по данному модулю. - Проверьте, что не существует целых чисел
$x$, удовлетворяющих сравнению$3x\equiv2\pmod6$.
3. Сравнения по модулю и разбиения на классы
Свойства сравнений, данные в п. 2, позволяют сравнительно просто решать многие задачи теории делимости, нередко встречающиеся среди олимпиадных, конкурсных и т. п. Рассмотрим некоторые из них, но предварительно заметим, что при решении этих задач множество всех целых чисел полезно представлять себе разбитым на классы чисел, сравнимых по данному модулю (при этом модуль выбирается в зависимости от обстоятельств или определяется самим условием задачи).
При каждом
Упражнение
Проверьте, что отношение сравнимости является отношением эквивалентности и разбивает все числа на классы сравнимых, а именно, докажите, что
$x\equiv x\pmod m$; $x\equiv y\pmod m~\Rightarrow~y\equiv x\pmod m$; $x\equiv y{,}~y\equiv z\pmod m~\Rightarrow~x\equiv z\pmod m$.
Подробно о разбиении на классы рассказано в статье М. М. Глухова «Отношения эквивалентности и разбиения множеств», «Квант» №2, 1972.
4. Некоторые задачи
Чтобы свободнее пользоваться «языком сравнений» при решении задач, рассмотрим следующие вопросы: какие классы, например, по модулю
Легко видеть, что класс
Так как
Ответ на последний вопрос можно получить так: целое число по модулю 6 сравнимо с одним из остатков 0, 1, 2, 3, 4 и 5; его четвёртая степень сравнима соответственно с четвёртой степенью остатка, т. е. с одним из чисел 0, 1, 16, 81, 256 и 625. Так как
Остановимся ещё на одном вопросе. До сих пор неизвестно, конечно или бесконечно множество пар простых чисел-близнецов, т. е. простых чисел вида
$$
p{,}\quad p+2.
$$
Примерами «близнецов» служат 3 и 5, 5 и 7, 11 и 13. Но вот с тройками простых чисел вида
$$
p{,}\quad p+2{,}\quad p+4
$$
дело обстоит значительно проще. По модулю 3 для
Первому из этих классов принадлежит единственное простое число
Теперь перейдём к решению задач.
Задача 1. Найти $$ r(2^{2^{\scriptstyle5}}+1,641). $$
Решение.
Задача 2. Найти последнюю цифру натурального числа
Решение. Требуется найти
Так как
Задача 3. Доказать, что не существует натуральных чисел
Решение. Используем модуль 3. В силу
Подчеркнём, что при решении этой задачи мы догадались, что надо использовать модуль 3. Если бы мы взяли модуль 4, то у нас противоречия не получилось бы. Вопрос о выборе подходящего модуля при решении задачи сложен. Если он вас интересует — посмотрите статью М. И. Башмакова «Нравится ли вам возиться с целыми числами», «Квант», №3, 1971.
Задача 4. Доказать, что число
Решение. Если
Если
Задача 5. Доказать, что не существует квадратного уравнения $$ ax^2+bx+c=0 $$ с целыми коэффициентами и дискриминантом 215.
Решение. Если
Замечание. Из решения ясно, что все целые числа, сравнимые с 2 или 3 по модулю 4, не могут быть дискриминантом квадратного уравнения с целыми коэффициентами.
Задача 6. Доказать, что по крайней мере одна из сторон пифагорова треугольника (прямоугольного треугольника, стороны которого выражаются натуральными числами) делится на 5.
Решение. Пусть
$x^2\equiv y^2\equiv1\pmod5$; $x^2\equiv1$, $y^2\equiv4\pmod5$ или$x^2\equiv4$, $y^2\equiv1\pmod5$; $x^2\equiv y^2\equiv4\pmod5$.
Тогда соответственно:
$z^2=x^2+y^2\equiv2\pmod5$; $z^2=x^2+y^2\equiv0\pmod5$; $z^2=x^2+y^2\equiv8\equiv3\pmod5$.
Случаи а) и в) невозможны
Упражнения
Найдите:
$r(1971^{1972},7)$; $r(22^{11}+11^{22},3)$.
- Докажите, что по крайней мере один из катетов пифагорова треугольника делится на 3.
- Найдите натуральные числа
$n$ такие, что$n^2+5$ кратно 7. - Докажите, что нет на плоскости целых точек (точек, обе координаты которых выражаются целыми числами), принадлежащих параболе $$ y=\dfrac15x^2-\dfrac35. $$
- Докажите, что число 287 нельзя представить в виде суммы двух квадратов целых чисел.
- Найдите такое простое число
$p$, чтобы числа$4p^2+1$ и$6p^2+1$ оба были простыми. - Докажите, что не существует прямоугольного параллелепипеда с целочисленными рёбрами и диагональю
$\sqrt{807}$.
5. Признаки делимости и проверка действий
Сравнения могут служить для установления различных признаков делимости. Например, признак делимости на 11 можно вывести с помощью очевидного сравнения
Остаётся сформулировать признак делимости: число делится на 11 тогда и только тогда, когда на 11 делится упомянутая разность. Например,
Рассмотрим ещё признак делимости на 7. Исходя из сравнения
При выполнении «арифметических действий полезно проверять правильность результатов. Один из способов проверки действий сложения, вычитания и умножения — «способ девятки» — легко получить с помощью сравнений. По модулю 9 каждое натуральное число
Найденное условие может выполняться и при ошибке в результате действия (когда ошибка кратна 9), но если выведенное нами условие не выполняется, то результат действия заведомо ошибочен. Для действия деления, например, чтобы обнаружить ошибочность записи
Ещё пример. Запись
Упражнения
- Дан многочлен
$ax^n+bx^{n-1}+\ldots+fx+d$ с целыми коэффициентами. Докажите, что сравнимым значениям аргумента$x$ отвечают сравнимые значения этого многочлена (по одному и тому же модулю). - Попробуйте вывести признак делимости на 101.
- Установите ещё один признак делимости на 11, исходя из сравнения $$ 100\equiv1\pmod{11}. $$
- Докажите, что
$\!\sqrt[\scriptstyle3~]{19\,783}\ne27$. Делятся ли на 7 числа
$123\,456\,789$; $987\,654\,321$?
В заключение укажем, что с методом сравнений более подробно можно познакомиться по книгам:
- И. М. Виноградов. Основы теории чисел. — М.: Наука. 1965.
- Г. Н. Берман. Число и наука о нём. — М.: Физматгиз, 1960.
- Г. Дэвенпорт. Высшая арифметика. — М.: Наука, 1965.
- Ш. Х. Михелевич. Теория чисел. — М.: Высшая школа, 1967.
Ответы, указания, решения
- Пусть
$ac\equiv bc\pmod m$, где$\gcd(c,m)=1$. Тогда $$ (ac-bc)\del m~\Leftrightarrow~(a-b)\del m~\Leftrightarrow~a\equiv b\pmod m. $$ - $$x\equiv3\pmod5~\Leftrightarrow~3x\equiv3\cdot3=9\equiv4\pmod5.$$
$\gcd(3x,6)$ кратен 3, а$\gcd(6,2)=2$ и на 3 не делится.- 4;
- 2.
- Если
$x\not\equiv0$, $y\not\equiv0\pmod3$, то$x^2\equiv y^2\equiv1\pmod3$ (проверьте!). Но тогда$z^2=x^2+y^2\equiv2\pmod3$. $n=\pm3+7t$, где$t$ — целое число.- Имеем
$5y=x^2-3$. При целых$x$ и$y$ из этого равенства следует, что$x^2\equiv3\pmod5$. Но квадрат целого числа не сравним с 3 по модулю 5. - Указание.
$287\equiv3\pmod4$. $p=5$. Указание. Используйте модуль 5.- Указание. Используйте модуль 8.
- Это следует из свойств (С) сравнений.
- При помощи сравнения
$100\equiv-1\pmod{101}$ для натурального числа$n=\overline{a_n\ldots a_2a_1a_0}$ получаем сравнение — признак делимости на 101: $$ n\equiv(\overline{a_1a_0}+\overline{a_5a_4}+\ldots)-(\overline{a_3a_2}+\overline{a_7a_6}+\ldots)\pmod{101}. $$ - $$\overline{a_na_{n-1}\ldots a_2a_1a_0}\equiv\overline{a_1a_0}+\overline{a_3a_2}+\overline{a_5a_4}+{\ldots}\pmod{11}.$$
$S(19\,783)=28$, $S(27)=9$, $9^3-28$ не делится на 9.- Нет.





