问题

「只要整数的各个位数之和是 3 的倍数,那么这个整数就一定是 3 的倍数」是如何证明的?

回答
我们来详细解释一下“只要整数的各个位数之和是 3 的倍数,那么这个整数就一定是 3 的倍数”这个被称作 整除3的判定法则 的证明过程。

核心思想:

这个证明的关键在于将一个整数拆解成它的各位数字,并利用数位值以及模运算的性质。我们将展示,任何整数都可以表示成一个“各位数字之和”加上一系列“与各位数字的位值相关的数”,而这些“与各位数字的位值相关的数”恰好都是 9 的倍数。既然 9 是 3 的倍数,那么这些数也都是 3 的倍数。

详细证明步骤:

我们以一个任意的三位数为例来讲解,然后再推广到任意位数。

1. 表示一个三位数:

假设我们有一个三位数,例如 537。
我们可以把它表示成它的各位数字和位值:
$537 = 5 imes 100 + 3 imes 10 + 7 imes 1$

更一般地,一个三位数 $abc$(其中 $a, b, c$ 分别是个位数),可以表示为:
$N = a imes 10^2 + b imes 10^1 + c imes 10^0$
或者写成:
$N = 100a + 10b + c$

2. 将各位数字的位值与各位数字之和联系起来:

我们的目标是把 $N$ 表示成“各位数字之和”加上一些其他项。各位数字之和是 $a + b + c$。

让我们看看 $100a$ 和 $a$ 之间的关系:
$100a = (99 + 1)a = 99a + a$

再看看 $10b$ 和 $b$ 之间的关系:
$10b = (9 + 1)b = 9b + b$

最后是 $1c$ 和 $c$ 之间的关系:
$1c = c$ (这里已经和 $c$ 本身一样了)

3. 将这些关系代入原式:

现在,我们将这些改写后的项代回到 $N$ 的表达式中:
$N = (99a + a) + (9b + b) + c$

重新排列一下项的顺序:
$N = (a + b + c) + 99a + 9b$

4. 分析剩下的项:

我们得到了 $N = (a + b + c) + 99a + 9b$。
注意看后面的两项:$99a$ 和 $9b$。
$99a$ 是 99 乘以一个整数 $a$。因为 $99 = 3 imes 33$,所以 $99a$ 也是 3 的倍数。
$9b$ 是 9 乘以一个整数 $b$。因为 $9 = 3 imes 3$,所以 $9b$ 也是 3 的倍数。

因此,$99a + 9b$ 也是 3 的倍数(两个 3 的倍数相加还是 3 的倍数)。

5. 导出结论:

我们将 $N$ 的表达式再次写出来:
$N = (a + b + c) + ( ext{某个是 3 的倍数的项})$

现在,我们应用题设的条件:“整数的各个位数之和是 3 的倍数”。
这意味着 $a + b + c$ 是 3 的倍数。

所以,我们得到:
$N = ( ext{某个是 3 的倍数的项}) + ( ext{另一个是 3 的倍数的项})$

两个 3 的倍数相加,结果一定是 3 的倍数。
因此,$N$ 一定是 3 的倍数。

推广到任意位数:

这个原理可以推广到任意位数的整数。

假设我们有一个 $k$ 位数,可以表示为:
$N = d_{k1} imes 10^{k1} + d_{k2} imes 10^{k2} + dots + d_1 imes 10^1 + d_0 imes 10^0$
其中 $d_{k1}, d_{k2}, dots, d_1, d_0$ 是这个整数的各位数字。

各位数字之和是:$S = d_{k1} + d_{k2} + dots + d_1 + d_0$

现在,我们对每一项的位值进行处理:
$10^m = 9dots9 + 1$ (其中有 $m$ 个 9)。
例如:
$10^1 = 10 = 9 + 1$
$10^2 = 100 = 99 + 1$
$10^3 = 1000 = 999 + 1$
一般地,$10^m = 1underbrace{00dots0}_{m ext{个0}} = underbrace{99dots9}_{m ext{个9}} + 1$

注意到 $underbrace{99dots9}_{m ext{个9}}$ 总是可以表示为 $9 imes underbrace{11dots1}_{m ext{个1}}$,它一定是 9 的倍数,因此也一定是 3 的倍数。

所以,我们可以将 $N$ 中的每一项 $d_i imes 10^i$ 写成:
$d_i imes 10^i = d_i imes (underbrace{99dots9}_{i ext{个9}} + 1)$
$d_i imes 10^i = d_i imes underbrace{99dots9}_{i ext{个9}} + d_i$

将这个代入 $N$ 的表达式中:
$N = (d_{k1} imes underbrace{99dots9}_{k1 ext{个9}} + d_{k1}) + (d_{k2} imes underbrace{99dots9}_{k2 ext{个9}} + d_{k2}) + dots + (d_1 imes 9 + d_1) + d_0$

重新组合一下:
$N = (d_{k1} + d_{k2} + dots + d_1 + d_0) + d_{k1} imes underbrace{99dots9}_{k1 ext{个9}} + d_{k2} imes underbrace{99dots9}_{k2 ext{个9}} + dots + d_1 imes 9$

我们看到了熟悉的各位数字之和 $S = d_{k1} + d_{k2} + dots + d_1 + d_0$。

剩下的项是:
$d_{k1} imes underbrace{99dots9}_{k1 ext{个9}} + d_{k2} imes underbrace{99dots9}_{k2 ext{个9}} + dots + d_1 imes 9$

每一项 $d_i imes underbrace{99dots9}_{i ext{个9}}$ 都是一个数字乘以一个 9 的倍数,所以它本身也是 3 的倍数。
这些项相加,整个部分仍然是 3 的倍数。

所以,我们再次得到:
$N = ( ext{各位数字之和 } S) + ( ext{某个是 3 的倍数的项})$

如果各位数字之和 $S$ 是 3 的倍数,那么 $N$ 就是 (3 的倍数) + (3 的倍数),因此 $N$ 也是 3 的倍数。

另一种理解方式(模运算):

我们可以使用模运算来更简洁地表达这个概念。

我们知道:
$10 equiv 1 pmod{3}$ (10 除以 3 余 1)

利用模运算的性质,如果 $a equiv b pmod{m}$,那么 $a^n equiv b^n pmod{m}$。
所以:
$10^1 equiv 1^1 equiv 1 pmod{3}$
$10^2 equiv 1^2 equiv 1 pmod{3}$
$10^3 equiv 1^3 equiv 1 pmod{3}$
...
$10^n equiv 1^n equiv 1 pmod{3}$

对于一个整数 $N = d_{k1}10^{k1} + d_{k2}10^{k2} + dots + d_110^1 + d_010^0$:

$N pmod{3} = (d_{k1}10^{k1} + d_{k2}10^{k2} + dots + d_110^1 + d_010^0) pmod{3}$

利用模运算的性质, $(a+b)pmod{m} = (a pmod{m} + b pmod{m}) pmod{m}$ 和 $(a imes b)pmod{m} = (a pmod{m} imes b pmod{m}) pmod{m}$:

$N pmod{3} = (d_{k1} pmod{3} imes 10^{k1} pmod{3} + d_{k2} pmod{3} imes 10^{k2} pmod{3} + dots + d_1 pmod{3} imes 10^1 pmod{3} + d_0 pmod{3} imes 10^0 pmod{3}) pmod{3}$

由于 $10^n equiv 1 pmod{3}$:

$N pmod{3} = (d_{k1} pmod{3} imes 1 + d_{k2} pmod{3} imes 1 + dots + d_1 pmod{3} imes 1 + d_0 pmod{3} imes 1) pmod{3}$

$N pmod{3} = (d_{k1} + d_{k2} + dots + d_1 + d_0) pmod{3}$

这正好是各位数字之和 $S$ 对 3 取模的结果。
$N pmod{3} = S pmod{3}$

如果 $N$ 是 3 的倍数,那么 $N pmod{3} = 0$。
所以,如果 $N$ 是 3 的倍数,那么 $S pmod{3} = 0$,即各位数字之和 $S$ 是 3 的倍数。

反过来,如果各位数字之和 $S$ 是 3 的倍数,那么 $S pmod{3} = 0$。
根据 $N pmod{3} = S pmod{3}$,我们得到 $N pmod{3} = 0$。
这意味着 $N$ 是 3 的倍数。

总结:

证明这个法则的核心在于:

1. 将整数表示为其各位数字的线性组合,其中系数是 10 的幂。
2. 注意到 10 除以 3 的余数是 1。这意味着任何 10 的幂除以 3 的余数也是 1。
3. 利用这一性质,可以将整数表示为“各位数字之和”与“一个由 9 的倍数组成的数”之和。
4. 由于 9 的倍数都可以被 3 整除,那么这个“由 9 的倍数组成的数”也能被 3 整除。
5. 因此,一个整数是否能被 3 整除,仅取决于它的各位数字之和是否能被 3 整除。

这个证明过程既严谨又易于理解,是数学中一个非常基础且实用的判定法则。

网友意见

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一个整数如abcd

可以写成1000×a+100×b+10×c+d

=999×a+99×b+9×c+a+b+c+d

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根据十进制的性质,我们总可以将整数n表达成 ,取3的同余则根据 得:

因此 当且仅当 ,证毕。

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这个问题能上热榜第一,很符合知乎人均常春藤的水平

任意非负整数 满足

于是 和它的各个位数之和 除以 有相同的余数。

因此(1)是的倍数等价于各个位数之和是的倍数;

(2)是的倍数等价于各个位数之和是的倍数。

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很有年代感的一个问题

如果我没记错的话,这个定理最早出现于小学课本,不过当时老师只是让我们背下来,而不去考虑它背后的证明。

其实现在回过头看看,原理也很简单,为了更好的叙述,下面我们引入一个记号:

给定一个正整数 ,如果两个整数 和 满足 能够被 整除,即 得到一个整数,那么就称整数 与 对摸 同余,记作: 。

我们要证的是:

只要整数的各个位数之和是3的倍数,那么这个整数就一定是3的倍数。

应该注意到一个浅显的事实,对任何一个正整数 ,都可以写成 的形式,其中 都是正整数,而且是整数 的的各个位数。

例如 , 。


不妨设:

将原命题用数学语言修改一下,即为:

还是补充说明一下吧,“ ”也是一个记号,表达的意思是,若 为整数,则记为 ,读作:“a整除b”。例如: (2整除4), (3整除6)。

因为余数为零时必定可以整除,所以更一般的,可以将原命题转化为:


不妨先举几个简单例子,例如

因为

因为 是 的倍数,所以, 也一定是 的倍数,故 一定是一个整数

毕竟

故:

同理:

而 也都是 的倍数,故 也一定是 的倍数。

故:


按照上面的思路,对任意的正整数 。

不妨设:

故:

因为

都是 的倍数,故

也一定是 的倍数,

所以按照上面的思路: 。


不过这个性质我想应该只在十进制中成立,其他进制可以思考一下,留作课后作业。

还有,按照本回答的这种思路,可以证明,把 换成 ,结论依然成立,即:

只要整数的各个位数之和是9的倍数,那么这个整数就一定是9的倍数 。

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