SYSTEMATIC MATHEMATICS

数论

本课程分为 9 个按内容定长的单元,共有 44 个可直接学习的知识章节。为什么整数除法会留下唯一余数?为什么这会产生唯一进位制展开?为什么有些整系数方程根本没有整数解?怎样在不写出巨大数字的情况下计算大整数幂的余数?本课从整数除法开始,把每次计算都转成带精确见证的陈述。gcd、lcm、p-进赋值、同余、逆元、剩余、丢番图方程、原根、卷积与递降法,都先从具体方程说明含义,再使用简写。课程证明素数无限,完整分类哪些模数存在原根,把简单根提升到素数幂,证明素数版与正整数完整版二平方定理,认证连分数逼近,区分 Carmichael 欺骗与强合数见证,并证明 Wilson 精确判据与筛法正确性。最后的模运算例子保持到可以手工审计的规模,并明确不把玩具数学冒充真实密码安全。

本课程之前: 已完成证明、逻辑与集合论,以及数学基础中的初等整数运算和离散数学中的有限计数。课程假设掌握直接证明、逆否、反证、归纳、量化陈述、集合、函数、等价关系与有限和。抽象代数第 1–3 章有帮助但不是必需:剩余类、逆元、乘法结构与商语言都在本课程局部重建。课程不假设微积分、编程语言、计算机代数系统、密码学课程或先前数论。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

整除是整数上的存在关系

目标: 不看已经写出的步骤,证明或验证这个精确结论:“若 a∣b 且 a∣c,则对全部整数 m,n 有 a∣(mb+nc)。”然后求解“证明 7 整除 3·35−2·14,并给出商见证。”,并把结果代回原等式、同余式、分解或算法检查。

写作 a∣b 表示 a 乘某个整数等于 b;商见证很重要,零情形必须显式处理。

先读懂记号再使用:对整数 a、b,记号 a∣b 表示存在整数 k∈Z 使 b=ak。 本节要建立的结论是:若 a∣b 且 a∣c,则对全部整数 m,n 有 a∣(mb+nc)。 凡是使结论成立的商、余数、系数、指数、剩余或因子,都作为可检查的见证保留下来。

例题是:证明 7 整除 3·35−2·14,并给出商见证。 按编号完成精确运算,再把结果与原陈述比较。失效边界单独列出,避免在某个假设已经消失后仍套用熟悉公式。

若 a∣b 且 a∣c,则对全部整数 m,n 有 a∣(mb+nc)。

选择见证 b=ar 与 c=as。

代入得 mb+nc=a(mr+ns)。

因 mr+ns 是整数,按定义得到整除。

证明 7 整除 3·35−2·14,并给出商见证。

  1. 计算 35=7·5 与 14=7·2。
  2. 于是 3·35−2·14=7(15−4)。
  3. 表达式等于 7·11=77。

结果: 成立;商见证为 11。