Matemáticas de primaria y secundaria · Grades 1–9
64Aritmética: divisores y números primos
La aritmética estudia los números enteros y cómo se dividen entre sí. su Los personajes centrales son el numeros primos, los bloques de construcción a partir de los cuales cada número entero se ensambla mediante multiplicación. El capítulo termina con la máximo común divisor, la herramienta adecuada para simplificar fracciones una vez y para todos. Esta historia continúa, mucho más allá, en la Escuela Secundaria. Volumen y más.
64.1 Divisores y múltiplos
Definición 64.1 (Divisor múltiple)
Sean y números enteros positivos. Decimos que divide (o que sea divisor de , o que es un múltiple de ) cuando para algún entero — es decir, cuando se realiza la división de por deja resto .
Ejemplo 64.2
Los divisores de son — vienen en pares cuyo producto es : , , , . el múltiplos de son
Proposición 64.3 (Reglas de divisibilidad)
Un número entero es divisible:
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Ejemplo 64.4
termina en : divisible por . Su dígito suma es , divisible por pero no : entonces es divisible por , no por . De hecho .
64.2 numeros primos
Definición 64.5 (Número primo)
Un numero primo es un número entero cuyo sólo divisores son y él mismo. Los números primos debajo de son
El número es no primo (por convención) y un número entero que no es primo se llama compuesto.
Teorema 64.6 (Factorización prima)
Cada número entero es un producto de numeros primos, y esto La factorización es única hasta el orden de los factores.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Método 64.7 (Factorizar un número entero)
Dividir por el primo más pequeño posible, repetidamente, hasta llegar a :
- intente siempre que el número sea incluso;
- luego intente , luego , luego , … (solo números primos);
- se detiene cuando cociente es ; recoger los factores con exponentes.
Basta probar los números primos con que no excedan el actual número: si no hay ninguno divide, el número en sí es primo.
Ejemplo 64.8
Factorizar , una división a la vez:
entonces
Teorema 64.9 (Euclides)
Hay infinitos numeros primos.
Demostración. Supongamos que solo hubiera un número finito, digamos , y considerar
Al dividir por cualquier , queda resto , por lo que no hay divide . Pero tiene al menos un primo divisor (Teorema 64.6) — un primo que no está en nuestra lista. Contradicción: ninguna lista finita puede contener todos los números primos. ∎
64.3 El máximo común divisor
Definición 64.10 (MCD)
El máximo común divisor de dos Los números enteros positivos y , escritos , son los más grandes. número entero que divide a ambos. Cuando , se llaman los números enteros coprimo: no comparten ningún divisor excepto .
Ejemplo 64.11
Divisores de : . Divisores de : . Común divisores: ; entonces . el Los números enteros y son coprimo.
Proposición 64.12 (MCD de factorizaciones)
El MCD de dos números enteros es el producto de los números primos que aparecen en ambos factorizaciones, cada una tomada con el menor de sus dos exponentes.
Demostración. Admitido a este nivel. ∎
Ejemplo 64.13
y . común primos: (exponentes y : mantener ) y (exponentes y : mantener ). entonces
Teorema 64.14 (algoritmo euclidiano)
Si es la división de por con resto , entonces
Repitiendo divisiones hasta que resto sea , el MCD de y sea el last nonzero resto.
Demostración. De : cualquier número entero que divida y divide ; y de : cualquier número entero que divida a y divide . entonces los pares y tienen exactamente el mismo divisores común — en particular el mismo más grande. Dado que restos disminuye estrictamente, el algoritmo termina y da el último valor distinto de cero resto. ∎
Ejemplo 64.15
Calcular :
El último resto distinto de cero es : .
Método 64.16 (Simplificando una fracción por completo)
Para escribir en términos más bajos:
- calcula , por ejemplo mediante el algoritmo euclidiano;
- divide numerador y denominador entre : ;
- el fracción resultante es irreducible: es numerador y denominador son coprimo.
Ejemplo 64.17
, y : irreductible.
64.4 Ceremonias
Ejercicio 64.1 ★
Enumere todos los divisores de , de y de .
Ejercicio 64.2 ★
Utilizando las reglas divisibilidad, determine si es divisible mediante , por , por , por , por .
Ejercicio 64.3 ★
Proporcione la factorización prima de , , y .
Solución
Solución de Ejercicio 64.3.
; ; ; .
Ejercicio 64.4 ★
¿ es primo? ¿Es ? ¿Es ? Justifique el uso de la regla de parada de Método 64.7.
Ejercicio 64.5 ★
Calcule de dos maneras: enumerando divisores común y desde las factorizaciones primas.
Solución
Solución de Ejercicio 64.5.
divisores común de y : divisores de 48 son ; divisores de son ; los más comunes son , por lo que .
Por factorización: y ; primos comunes con exponentes más pequeño: .
Ejercicio 64.6 ★★
Utilice el algoritmo euclidiano para calcular , luego . Escribe cada línea de división.
Ejercicio 64.7 ★★
Haga que el fracción sea irreducible. (Calcule el MCD por el método de su elección, luego divida).
Solución
Solución de Ejercicio 64.7.
Algoritmo euclidiano: ; : . entonces
que es irreductible.
Ejercicio 64.8 ★★
Un florista tiene rosas y tulipanes y quiere hacer rosas idénticas. ramos, utilizando todas las flores, con tantos ramos como sea posible. ¿Cuántos ramos puede hacer y qué contiene cada uno?
Solución
Solución de Ejercicio 64.8.
El número de ramos deberá dividir tanto a como a ; el mas grande posible es . Factorizaciones: , , por lo que el MCD es . Puede hacer ramos , cada uno de los cuales contiene rosas y tulipanes.
Ejercicio 64.9 ★★
Dos ferries salen del mismo muelle a las 8:00. Uno sale cada minutos, el otro cada minutos. ¿A qué hora volverán a salir juntos? (Busque el común más pequeño múltiple de y ; factorizaciones ayuda.)
Ejercicio 64.10 ★★★
Sea un número entero positivo.
- Demuestre que (los números enteros consecutivos siempre son coprimo).
- Deduzca que el fracción es siempre irreductible.
Solución
Solución de Ejercicio 64.10.
1. Cualquier divisor común de y también divide sus diferencia , entonces : .
2. A fracción es irreducible exactamente cuando es numerador y denominador son coprimo, que es el caso de y por parte 1.
64.5 Problema: Jarras de agua, cigarras y cien taquillas.
Problema 64.1
Problema de fin de semana — el GCD decide qué cantidades que pueden medir dos jarras; los números primos protegen a las cigarras; y el los casilleros que permanecen abiertos son los cuadrados perfectos
Tres acertijos que parecen acertijos y que en realidad son aritméticos: medir agua con jarras sin marcar (el GCD disfrazado), insecto ciclos de vida que evolucionaron hasta numeros primos, y un famoso pasillo de cien taquillas cuyo estado final lo deciden contando divisores. Todo funciona con la maquinaria de este capítulo: divisibilidad, factorización prima (Teorema 64.6) y el algoritmo de Euclides (Teorema 64.14).
Parte I — The water jugs. Estás parado frente a una fuente con dos jarras sin marcar, de L y L. Movimientos permitidos: llenar una jarra hasta el borde, vaciar una jarra por completo, vierte una jarra en la otra hasta que la fuente esté vacío o el objetivo está lleno.
- Mide exactamente L. (Describe tu secuencia de movimientos y el contenido de las dos jarras después de cada una.)
- Mide exactamente L — el rompecabezas de un famoso película de acción. (Se puede hacer en seis movimientos).
- ¿Qué números enteros de litros de a puedes? ¿Exposición (en una jarra o dividida en ambas)? Completa el lista, reutilizando tus secuencias.
- Nuevas jarras: L y L. Intente medir L — luego explique por qué no tiene remedio: compruebe que cada uno de los tres Los movimientos permitidos mantienen el contenido de cada jarra en múltiple de , por lo que cada monto alcanzable es incluso.
- El argumento de la pregunta 4 funciona en general: con jarras de y litros, cada cantidad alcanzable es un múltiple de . Calcule y , y Di lo que predice la ley para cada par de jarras.
Parte II — Euclid at the fountain.
- Calcular con el algoritmo de Euclides: y .
- Explique, con sus propias palabras, por qué los importes que aparecen en las jarras son el restos de Euclides disfrazado: con jarras de L y L, llene repetidamente la jarra pequeña y viértelo en la grande (vaciando la jarra grande cada vez que se llena). Qué nuevas cantidades aparecen primero — y compararlos con el restos en el algoritmo de Euclides para .
- Deduce la respuesta del campeón: con jarras de y litros, ¿puedes medir exactamente L? justificar en uno línea con la pregunta 5 y .
- Una prueba rápida de coprimalidad al estilo de Ejercicio 64.10: muestra que para cada número entero positivo . (¿Qué significa un común divisor de y tienen que dividirse?)
- Dos autobuses salen juntos de la terminal a las 7:00; uno sale cada minutos, el otro cada . Lista los próximos horarios de salida de cada uno y encontrar el primero momento en que se van juntos de nuevo. Verifique en este ejemplo la bella ley: (primera común múltiple) producto de los dos números — y pruébalo nuevamente en y .
Parte III — Cicadas, divisores and lockers.
- Ciertas cigarras norteamericanas emergen solo cada años; supongamos que la población de un depredador alcanza su punto máximo cada años. Si ambas cosas suceden este año, ¿en cuántos años ¿El próximo surgimiento coincide con un pico? La misma pregunta si El ciclo de las cigarras fue años — ¿con qué frecuencia ¿Luego serán masacrados? Explica en una frase por qué La evolución empujó el ciclo a una longitud principal.
- Usando la factorización , contar el divisores de sin enumerarlos: a divisor elige un exponente para (cuatro opciones: ), uno para , uno para . cuantos divisores en total?
- Demuestre que en la factorización de un cuadrado perfecto , cada número primo lleva un incluso exponente. Deduzca, sin calcular ninguna raíz cuadrada, que es no es un cuadrado perfecto.
- Emparejar cada divisor de con su compañero (para : , , , , ). cuando es un divisor ¿su propio socio? Deducir el criterio: tiene un extraño número de divisores exactamente cuando es un cuadrado perfecto. Compruébelo en y en .
- Las cien taquillas. Las taquillas a comienzan cerradas. El estudiante alterna cada casillero; estudiante alterna taquillas ; estudiante alterna el múltiplos de ; y así sucesivamente hasta el estudiante . explicar qué estudiantes tocan el casillero , cuántas veces sucede alternado, y — usando la pregunta 14 — exactamente qué Los casilleros terminan abiertos. ¿Cuantos estan abiertos?
Solución
Solución de Problema 64.1.
1. Llene el y viértalo en el (contenido en grande). Llene nuevamente el y viértalo en el hasta llenarse: la jarra grande sólo toma más, quedando
Movimientos: llenar ; vierta ; llenar ; para .
2. Llene el ; vierta en el (deja en el grande); vaciar el ; vierta el en el ; llenar el ; vierta en el hasta que esté lleno — se necesita , dejando L en la jarra grande. Seis movimientos.
3. Todos ellos: (pregunta 1), (después de dos movimientos de la pregunta 2), y (rellenos únicos), (pregunta 2), (una jarra pequeña llena más vertida en el grande), , (ambos completos). cada cantidad entera de a L se puede medir con el y el .
4. Inicio: ambas jarras contienen , una múltiple de . El llenado establece un contenido en o : incluso. Al vaciarlo se establece : incluso. El vertido mueve un poco de agua entre jarras cuyo contenido eran incluso y la cantidad vertida es diferencia de incluso numeros (espacio restante o cantidad disponible): todo el contenido permanece incluso para siempre. Un objetivo extraño como L es inalcanzable.
5. : sólo importes incluso — confirmado por pregunta 4. : todo monto entero está permitido por la ley, y la pregunta 3 los cumplió todos. El GCD es exactamente la unidad de medida de las jarras.
6. ; ; : . y ; : .
7. Verter en la jarra repetidamente: después de dos rellenos la jarra grande contiene ; el tercer relleno solo cabe , dejando en la jarra pequeña — el resto de por era , y las cantidades (espacio) y (sobrantes) son exactamente los números de Euclides (, ). Continuando aparece : el Siguiente resto del algoritmo. La fuente representa la obra de Euclides. divisiones con agua.
8. , por lo que la ley de la pregunta 5 permite cada cantidad entera — y la cascada de la pregunta 7 en realidad producido L. Sí.
9. Un divisor común de y divide : debe ser . Por lo tanto siempre.
10. Autobús A: 7:12, 7:24, 7:36, 7:48, 8:00 …; autobús B: 7:18, 7:36, 7:54 … Primera salida común: 7:36, después minutos — el primer múltiple común de y . Ley: . Para y : primer múltiple común, y .
11. Con un ciclo de años: la siguiente coincidencia es el primer múltiple común de y ; desde , es decir años — el las cigarras alcanzan el pico una vez cada cuatro apariciones. con un Ciclo de año : es un múltiple de , por lo que cada El surgimiento alcanza su punto máximo. La duración de un ciclo principal no comparte ningún factor con cualquier ciclo depredador más corto, llevando las coincidencias tan lejos lo más apartado posible: la aritmética como camuflaje.
12. Cuatro opciones de exponente para , tres para , dos para : divisores.
13. Si , entonces : cada exponente es duplicado, por lo tanto incluso. En , el exponentes de y de son extraño: no es un perfecto cuadrado.
14. Un divisor es su propio socio exactamente cuando , es decir : sólo los cuadrados tienen tal medio divisor. Para todos los demás , el divisores se divide en pares, un recuento incluso. Entonces: número impar de divisores cuadrado perfecto. Comprobar: tiene divisores — nueve de ellos, extraño, y ; mientras que tiene (pregunta 12), incluso, y es sin cuadrado (pregunta 13).
15. El casillero lo cambia una vez cada estudiante cuyo número divide : en total, tantas veces como tenga divisores. Un casillero termina abierto cuando se alterna un impar numero de veces — por la pregunta 14, exactamente cuando es un cuadrado perfecto. Casilleros abiertos: — diez de ellos.