具体数学-第12课(数论进阶与组合数入门)

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这节课内容太多了,再加上感冒身体不舒服,下面的定理就不一一证明了,大家可以自行练习。以后有空我会补上的!

例题1


首先接着上节课同余继续讲,在第三章例题2中,我们遗留了一个问题:对于如下序列
<!–swig0–>
它的值就是
<!–swig1–>
的某个排列,并且重复了$d$次。其中$d = gcd(m, n)$

首先我们有如下同余式:
<!–swig4–>
这就可以看出该序列的确是重复出现了$d$次,那么剩下的问题就是证明这$m/d$个数恰好就是
<!–swig7–>
的某个排列。
令$m = m'd,n = n'd$,所以有
<!–swig9–>
所以我们只考虑$m \bot n$的情形,在此情形下,我们可以得到
<!–swig11–>
由此可以看出,这$m-1$个数一定就是
<!–swig13–>
至此得证。

下面介绍几个著名的数论定理。

费马最后定理


对于所有的正整数$a,b,c,n>2$,有
<!–swig15–>

费马小定理


如果$n \bot p$,那么有
<!–swig17–>

证明也很好证。

之前证过了,序列
<!–swig18–>
结果就是
<!–swig19–>
的某个排列,所以有
<!–swig20–>
所以
<!–swig21–>
所以
<!–swig22–>

欧拉函数


定义$\varphi (m)$为小于$m$且与其互素的正整数个数。

所以我们有欧拉定理
<!–swig25–>
其中$n \bot m$,可以发现,当$m$是素数时,欧拉定理就是费马小定理,所以欧拉定理是费马小定理的推广形式。

欧拉定理有很多有趣的性质,这里就不一一介绍了,详情见博客地址。

莫比乌斯函数


定义莫比乌斯函数$\mu (m)$为
<!–swig29–>

这个定义看起来很奇怪是不是?其实这是一个递归定义,可以递归地计算得到所有的值。

这个函数有什么用呢?主要用来进行莫比乌斯反演:
<!–swig30–>

详细的性质及应用也不介绍了,给大家推荐一个牛逼的博客博客地址,我当时学ACM的时候这部分都是看着他的学的。

组合数入门


定义组合数$\left( {\begin{array}{c}n\\k\end{array}} \right)$为从$n$个物品中取出$k$个物品的方法数,具体计算为
<!–swig34–>

推广到实数领域,定义
<!–swig35–>

下面介绍一些组合数性质。

性质1

<!–swig36–>
这里为什么要限定$n \ge 0$呢?举个例子,如果$n = -1$,那么有
<!–swig39–>
因为左边等于${( - 1)^k}$,而右边等于${( - 1)^{-1-k}}$。

性质2

<!–swig42–>

性质3

<!–swig43–>

性质4

<!–swig44–>
这条性质可以通过性质3和性质4两边分别相加得到。

性质5

<!–swig45–>

性质6

<!–swig46–>

性质7

微分形式:
<!–swig47–>
<!–swig48–>

二项式系数


<!–swig49–>

二项式系数也有很多有趣的性质。

<!–swig50–>

<!–swig51–>
即奇数项系数和等于偶数项系数和。

推广到实数域:
<!–swig52–>
可以通过泰勒展开证明。


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