〔質問〕 オイラー関数についてです。 φ(pk)=pk-pk-1 になるのはどうしてですか? また、φ(pq) について、p とq が異なる素数の時、と、p とq が互いに素の時の違いは何ですか? |
〔回答〕 まず、1点目ですが、 例えば、35 のケース(p=3, k=5)で考えてみると、 1 から 35 までで、35 と1以外の公約数を持つもの(互いに素でないもの)は、単純に3の倍数のことだけを考えればいいですので、35÷3 の 34個 という形で求まり、 よって、互いに素の整数の個数は、全体 35個 から 34個 を除く、という形で求まります。 これを一般化したのが pk-pk-1 です。 次に、2点目について、 3点目については、ややこしいですので、下記、詳細欄を確認してください。 |
p とq が互いに素のときは、上記2つのように考えられませんので、改めて別の作戦で進める必要があります。
例えば p=5, q=6 のケースで考えてみます。
ちなみに、先に答えとしては、
① φ(5):1, 2, 3, 4 の4個
② φ(6):1, 5 の2個
③ φ(30):1, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29 で8個
という関係性です。
まず事実として確認して欲しいのが、③ で列挙した数について、
・5 で割った余りは、① の 1, 2, 3, 4 のいずれか
・6 で割った余りは、② の 1, 5 のいずれか
になっているということです。(※)
例えば、19 の場合だと、
・5 で割った余りは 4
・6 で割った余りは 1 となっています。
(最終的には、③ の各数で、この余りの組合せが全部違っていて、なので 2×4 で 8 が求まる、という方向に持っていきます)
この(※)が言える理由は、
例えば「6 で割った余りが 2(②に含まれないもの)」みたいなことが起こっているなら、n=6×●+2 の形式ということで、2で括れてしまいますので、「30とは互いに素ではない数(③ の中からは除外されているはず)」ということになってしまうためです。
次に、
・5 で割った余りは 4
・6 で割った余りは 1
となるのが(1以上30以下で)19 以外に存在するのか、ということを検討します。
もし、存在して、それを y とするとき、
19 も y も 5×●+4 の形式のため、19-y は5の倍数で、
一方、19 も y も 6×■+1 の形式のため、19-y は6の倍数でもある、ということになります。
よって、19-y は(5の倍数かつ6の倍数のため)30の倍数ということになり、
19-y=30k(kは整数)で、
移項して y=19-30k より、
y(≠19)は、1以上30以下の間にはないということになります。
(19に30ごと加減した数であるため)
ですので、③ に含まれる数については、
・5 で割った余りの a
・6 で割った余りの b
について、(a, b) の組合せはすべて異なることになり、
a が4通り、b が2通りということで、4×2 の8通りの組合せを考えればいいかな、ということになります。
ただ、これだけだと不十分で、
実はまだ「少なくとも、共通の (a, b) はない」ことしか言えておらず、
もしかしたら、③ の中には (a, b)=(3, 1) みたいな組合せは無いかもしれません。
(最大で8通りとは言えるが、これよりも少ないかもしれない)
ですので、今度は逆に、(a, b)=(3, 1) みたいな場合も含め、全8通りがきちんと③の中にあることを確認します。
これについては、
・n=5x+3
・n=6y+1
から、5x+3=6y+1(つまり、-5x+6y=2)が得られ、これはいわゆる1次不定方程式の話になります。
この場合だと、x=2-6k が得られ、n=-30k+13 となり、1≦n≦30 で n=13 が存在する、と確認することができます。
(証明としては、これを一般化すればよい)
ですので、① の4通りと ② の2通りの積である8通りについて、漏れなくダブりなく対応する ③ の値が存在する、ということになります。
※ なお、上記では順番に説明しましたが、
p, q が互いに素のとき、
・p で割った余りが a
・q で割った余りが b
となるような数xが、1≦x≦pq に1つだけ存在することが知られていて、これを「中国剰余定理」と呼びます。
※ 理解を優先するために、あえて大雑把に書いてある場合があります |
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