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定理証明済み

算術の基本定理

内容

任意の整数 n>1n>1 は素数の積 n=p1a1p2a2⋯pkakn=p_1^{a_1}p_2^{a_2}\cdots p_k^{a_k} として表され、この分解は因数の順序を除いて一意である。

なぜ正しいのか?

素数は掛け算における分割不可能な「原子」である。存在性は、最小の素因数を繰り返し取り出していくことから従う。一意性は、素数が積を割り切るならその素数は因数のどれかを割り切るという事実(ユークリッドの補題)から従い、これにより同じ数に対して本当に異なる二通りの分解が存在することはあり得なくなる。

証明の概略

存在性:nn についての強帰納法 ― 任意の n>1n>1 は素数であるか、あるいは、ともに >1>1 である二つの小さい整数の積であり、それぞれ帰納法の仮定により素因数分解できる。一意性:ユークリッドの補題(p∣ab⇒p∣ap\mid ab\Rightarrow p\mid a または p∣bp\mid b、これ自体はベズーの等式から導かれる)を用いて、同じ nn の二つの分解と仮定されるものから一致する素数を次々に消去していくと、両辺が尽きて一致せざるを得ないことが分かる。

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参考文献

  1. Carl Friedrich Gauss (trans. Arthur A. Clarke) (1986). Disquisitiones Arithmeticae
  2. G. H. Hardy, E. M. Wright (2008). An Introduction to the Theory of Numbers · DOI:10.1093/oso/9780199219858.001.0001