因数(英语:factor)也称约数、因子、除子(divisor),用于描述整数之间存在的整除关系:整数n的因数是一个非零整数m,使得m乘上某个整数后可以得到n,此时也称n是m的一个倍数。
定义
设均为整数且非零,如果存在整数满足,我们就称是的一个因数,记作。此时我们也称是的一个倍数,或称
整除。如果不是的因数,则记作。
永远是
整数 的因数,它们称为整数的平凡因数。不是平凡因数的因数称为非平凡因数。设为大于1的整数,如果没有非平凡因数,则称为
素数,反之则称为
合数。
若干整数公有的因数称为它们的公因数,其中最大的那个相应称为它们的最大公因数。
基本例子
2是6的因数,因为有。因此我们可以记,说6是2的倍数,或者说2整除6。
6的非平凡因数为2,-2,3,-3,所以6是合数。
3的因数只有1,-1,3,-3,没有非平凡因数,因此是素数。
12的正因数为1,2,3,4,6,12。
相关性质和定理
以下是整除性的几条基本性质:
若且,则。
若且,均为整数,则。然而,若且,均为整数,则不一定成立,例如且,但。
若是素数且,则或。
算数基本定理
每个大于1的整数可唯一地(计重数但不计顺序)分解为其素因数的乘积。作为推论,整数 的正因数都是其一些素因数的乘积。
因数个数
正整数 的正因数个数记为。它是一个乘性函数,即若
互素,则有。注意,对于不互素的,这一关系未必成立。例如, 的正因数有1,2,3,6共4个,且;同时。如果
是正整数的素因数分解,那么
我们有估计。同时还有
其中是
欧拉常数。该结果的一种解释是,随机选择的正整数的正因数个数平均约为。
因数和
正整数的正因数之和记为。它也是一个乘性函数。如果
是正整数的素因数分解,那么
辗转相除法
辗转相除法是一种计算两数最大公因数的递归算法。其算法是首先用较大数除以较小数,之后递归用出现的余数去除除数,直至除尽。最后的除数就是这两个数的最大公约数。
辗转相除法的实质如下:如果整数而用带余除法表为则有
在环中的推广
因数的许多相关概念在环中有自然的推广。设为环,。
如果存在使得,就称是的左因子而是的右倍数;同理可定义右因子和左倍数的概念。
如果同时是的左、右因子,则称其为双边因子。
对零因子相关定义略有改动:如果存在使得,则称为左零因子;条件改作则称右零因子。左零因子和右零因子统称为零因子。
交换环上的因子不分左右,统称为因子,用符号表示是的因子。
无非零的零因子的非零交换环称为整环,它是整数环的抽象化,很好地继承了整数环的整除性质。以下均设为整环。整环中的元素如果满足且,则称它们为相伴的。相伴关系是一个等价关系。两元素相伴当且仅当它们差一个中元素。在整除性问题中显然不起作用, 故引进商幺半群,以表示的像。整除性赋予偏序:。
如果的像在中有上确界,为其
原像,则称是的
最大公因子;按上确界定义 是唯一的。如果的最大公因子为1,则称它们互素。
整环中的非零元如果满足 且 或 ,则称为素元。这是素数性质的抽象化。
整环中的非零元如果满足 且在 中 蕴含 或 ,则称 为不可约的。不可约性仅取决于 在 中的像。
如果 中的每个元素都能唯一地(计重数但不计顺序)写为不可约元的像的乘积,则称 为唯一分解环。众所周知整数环 是唯一分解环:这无非是算术基本定理。因此唯一分解性是
算术基本定理的推广。
历史
因数的概念可以追溯到古埃及和巴比伦等文明,例如埃及人使用因数来解决与土地测量和分配有关的实际问题。古希腊数学家
欧几里得在他的著作《几何原本》中详细讨论了因数和素数的性质。他提出了著名的“辗转相除法”计算两个数的最大公因数。中国的《九章算术》中讨论了分数的运算法则和比例算法,这些都涉及因数的概念。
应用
给定两个整数,很容易计算它们的乘积。但是,给定一个大整数(比如100位数以上的整数),找出它的素因数分解在计算上是非常困难的。整数分解目前没有已知的多项式时间算法,虽然也还没有人证明这种算法不存在。这就是许多现代密码系统的关键所在。如果能够找到解决整数分解问题的快速方法,几个重要的密码系统将会被攻破,包括RSA加密算法。