欧拉公式证明

欧拉函数 :

欧拉函数是数论中很重要的一个函数,欧拉函数是指:对于一个正整数 n ,小于 n 且和 n 互质的正整数(包括 1)的个数,记作 φ(n) 。

完全余数集合:

定义小于 n 且和 n 互质的数构成的集合为 Zn ,称呼这个集合为 n 的完全余数集合。

显然 |Zn| =φ(n) 。

有关性质:

对于素数 p ,φ(p) = p -1 。

对于两个不同素数 p, q ,它们的乘积 n = p * q 满足 φ(n) = (p -1) * (q -1) 。

这是因为 Zn = {1, 2, 3, ..., n{p, 2p, ..., (q{q, 2q, ..., (p1)1)1) = (p -1) * (q -1) =φ(p) * φ(q) 。

欧拉定理 :

对于互质的正整数 a 和 n ,有 a

φ(n)

≡ 1 mod n

证明:

( 1 ) 令 Zn = {x1, x2, ..., xφ(n)} , S = {a * x1 mod n, a * x2 mod n, ..., a * xφ(n) mod n} ,

则 Zn = S 。

① 因为 a 与 n 互质, xi (1 ≤ i ≤ φ(n)) 与 n 互质, 所以 a * xi

与 n 互质,所以 a * xi

mod n ∈ Zn 。

② 若 i ≠ j , 那么 xi ≠ xj,且由 a, n互质可得 a * xi mod n ≠ a * xj mod n (消去律)。

( 2 )

a* x1 * x2 *...* xφ(n) mod n

≡ (a * x1) * (a * x2) * ...* (a * xφ(n)) mod n

≡ (a * x1 mod n) * (a * x2 mod n) * ...* (a * xφ(n) mod n) mod n

x1 * x2 * ...* xφ(n) mod n

φ(n)

对比等式的左右两端,因为 xi

(1 ≤ i ≤ φ(n)) 与 n 互质,所以 a

1 mod n (消去律)。

注:

消去律:如果 gcd(c,p) = 1 ,则 ac ≡ bc mod p ⇒ a ≡ b mod p 。

费马定理 :

若正整数 a 与素数 p 互质,则有 appk -1

证明:

小于 pk 的正整数个数为 pk1-1)} 共计 pk1 个

所以 φ(n) = pk(pk1) = pk1 。

( 2 ) p * q 的欧拉函数

假设 p, q是两个互质的正整数,则 p * q 的欧拉函数为 φ(p * q) = φ(p) * φ(q) , gcd(p, q) = 1 。

证明:

令 n = p * q , gcd(p,q) = 1

根据中国余数定理,有

Zn 和 Zp × Zq 之间存在一一映射 (我的想法是:
a ∈ Zp , b ∈ Zq ⇔ b * p + a * q ∈ Zn 。)

所以 n 的完全余数集合的元素个数等于集合 Zp × Zq 的元素个数。

而后者的元素个数为 φ(p) * φ(q) ,所以有

φ(p * q) = φ(p) * φ(q) 。

( 3 ) 任意正整数的欧拉函数

任意一个整数 n 都可以表示为其素因子的乘积为:

I

n = ∏ piki (I 为 n 的素因子的个数)

i=1

根据前面两个结论,很容易得出它的欧拉函数为:

I

I Φ(n) = ∏ piki-1(pi-1) = n∏ (1 - 1 / pi)

i=1

i=1

对于任意 n > 2,2 | Φ(n) ,因为必存在

pi -1 是偶数。

//直接求解欧拉函数

int euler(int n){ //返回euler(n)

int res=n,a=n;

for(int i=2;i*i

if(a%i==0){

res=res/i*(i-1);//先进行除法是为了防止中间数据的溢出

while(a%i==0) a/=i;

}

}

if(a>1) res=res/a*(a-1);

return res; }

//筛选法打欧拉函数表

#define Max 1000001 int euler[Max]; void Init(){

euler[1]=1;

for(int i=2;i

euler[i]=i;

for(int i=2;i

if(euler[i]==i)

for(int j=i;j

euler[j]=euler[j]/i*(i-1);//先进行除法是为了防止中间数据的溢出

}

证明:

( 1 ) 令 Zn = {x1, x2, ..., xφ(n)} , S = {a * x1 mod n, a * x2 mod n, ..., a * xφ(n) mod n} ,

则 Zn = S 。

#① 因为 a 与 n 互质, xi (1 ≤ i ≤ φ(n)) 与 n 互质, 所以 a * xi 与 n 互质,所以 a * xi mod n ∈ Zn 。

#② 若 i ≠ j , 那么 xi ≠ xj,且由 a, n互质可得 a * xi mod n ≠ a * xj mod n (消去律)。

( 2 ) aφ(n) * x1 * x2 *...* xφ(n) mod n

≡ (a * x1) * (a * x2) * ...* (a * xφ(n)) mod n ≡ (a * x1 mod n) * (a * x2 mod n) * ...* (a * xφ(n) mod n) mod n ≡ x1 * x2 * ...* xφ(n) mod n 对比等式的左右两端,因为 xi (1 ≤ i ≤ φ(n)) 与 n 互质,所以 aφ(n)

≡ 1 mod n (消去律)。

欧拉函数是数论中很重要的一个函数,欧拉函数是指:对于一个正整数 n ,小于 n 且和 n 互质的正整数(包括 1)的个数,记作 φ(n) 。

完全余数集合:

定义小于 n 且和 n 互质的数构成的集合为 Zn ,称呼这个集合为 n 的完全余数集合。

显然 |Zn| =φ(n) 。

有关性质:
对于素数 p ,φ(p) = p -1 。

对于两个不同素数 p, q ,它们的乘积 n = p * q 满足 φ(n) = (p -1) * (q -1) 。

这是因为 Zn = {1, 2, 3, ..., n{p, 2p, ..., (q{q, 2q, ..., (p1)1)1) = (p -1) * (q -1) =φ(p) * φ(q) 。

消去律:如果 gcd(c,p) = 1 ,则 ac ≡ bc mod p ⇒ a ≡ b mod p

调和级数S=1+1/2+1/3+……是发散的,证明如下:

由于ln(1+1/n)

于是调和级数的前n项部分和满足

Sn=1+1/2+1/3+…+1/n>ln(1+1)+ln(1+1/2)+ln(1+1/3)+…+ln(1+1/n)

=ln2+ln(3/2)+ln(4/3)+…+ln[(n+1)/n]

=ln[2*3/2*4/3*…*(n+1)/n]=ln(n+1)

由于

lim Sn(n→∞)≥lim ln(n+1)(n→∞)=+∞

所以Sn的极限不存在,调和级数发散。

但极限S=lim[1+1/2+1/3+…+1/n-ln(n)](n→∞)却存在,因为Sn=1+1/2+1/3+…+1/n-ln(n)>ln(1+1)+ln(1+1/2)+ln(1+1/3)+…+ln(1+1/n)-ln(n)

=ln(n+1)-ln(n)=ln(1+1/n)

由于

lim Sn(n→∞)≥lim ln(1+1/n)(n→∞)=0

因此Sn有下界

Sn-S(n+1)=1+1/2+1/3+…+1/n-ln(n)-[1+1/2+1/3+…+1/(n+1)-ln(n+1)]

=ln(n+1)-ln(n)-1/(n+1)=ln(1+1/n)-1/(n+1)

将ln(1+1/n)展开,取其前两项,由于舍弃的项之和大于0,故

ln(1+1/n)-1/(n+1)>1/n-1/(2n^2)-1/(n+1)=1/(n^2+n)-1/(2n^2)>0

即ln(1+1/n)-1/(n+1)>0,所以Sn单调递减。由单调有界数列极限定理,可知Sn必有极限,因此

S=lim[1+1/2+1/3+…+1/n-ln(n)](n→∞)存在。

于是设这个数为γ,这个数就叫作欧拉常数,他的近似值约为0.57721566490153286060651209,目前还不知道它是有理数还是无理数。在微积分学中,欧拉常数γ有许多应用,如求某些数列的极限,某些收敛数项级数的和等。例如求

lim[1/(n+1)+1/(n+2)+…+1/(n+n)](n→∞),可以这样做:lim[1/(n+1)+1/(n+2)+…+1/(n+n)](n→∞)

=lim[1+1/2+1/3+…+1/(n+n)-ln(n+n)](n→∞)

-lim[1+1/2+1/3+…+1/n-ln(n)](n→∞)+lim[ln(n+n)-ln(n)](n→∞)=γ-γ+ln2=ln2

欧拉常数发现的历史

著名数学家莱昂哈德·欧拉(1707-1783)该常数最先由瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)在1735年发表的文章 De

Progreionibus harmonicus observationes 中定义。欧拉曾经使用C作为它的符号,并计算出了它的前6位小数。

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