问题

如何证明下面的整除关系成立?

回答
好的,我们来一起探讨如何证明一个整除关系。我们假设要证明的整除关系是:

对于任意的非负整数 $n$,$n^3 n$ 能够被 6 整除。

为了让大家更容易理解,我会尽量用平实的语言,就像和朋友聊天一样,把每一步都讲透彻。

咱们先来聊聊什么是“整除”

“整除”这个概念其实很简单。如果说一个整数 $a$ 能被另一个整数 $b$ 整除,意思就是 $a$ 除以 $b$ 的结果是一个整数,没有余数。换句话说,我们可以找到一个整数 $k$,使得 $a = b imes k$。

举个例子,6 能被 2 整除,因为 $6 = 2 imes 3$。20 能被 5 整除,因为 $20 = 5 imes 4$。但 7 不能被 2 整除,因为 $7 div 2 = 3.5$,不是整数。

为什么要证明这个关系?

可能有人会想,这有什么好证明的?我随便拿几个数试一下不就好了?

当 $n=0$ 时,$0^3 0 = 0$。$0 div 6 = 0$,能被 6 整除。
当 $n=1$ 时,$1^3 1 = 0$。$0 div 6 = 0$,能被 6 整除。
当 $n=2$ 时,$2^3 2 = 8 2 = 6$。$6 div 6 = 1$,能被 6 整除。
当 $n=3$ 时,$3^3 3 = 27 3 = 24$。$24 div 6 = 4$,能被 6 整除。
当 $n=4$ 时,$4^3 4 = 64 4 = 60$。$60 div 6 = 10$,能被 6 整除。

看起来确实是这样。但是,数学上的证明可不能仅仅靠“试了几个就觉得是真的”。因为我们不能把所有的非负整数都试一遍(毕竟有无穷多个!)。一个好的证明,是要能说服任何人,不管这个 $n$ 是多大,甚至是想象中的一个非常非常大的数,这个关系都成立。

怎么才能证明 $n^3 n$ 能被 6 整除呢?

这里我们就要动点脑筋了。要证明一个数能被 6 整除,我们可以把它拆成两部分来考虑:

1. 这个数能不能被 2 整除?
2. 这个数能不能被 3 整除?

为什么是 2 和 3 呢?因为 2 和 3 是质数,而且它们的乘积就是 6 ($2 imes 3 = 6$)。如果一个数同时能被 2 和 3 整除,那么它一定能被它们的最小公倍数,也就是 6 整除。这就好比一个小朋友同时喜欢吃苹果和香蕉,那么他一定喜欢吃水果。

所以,我们的目标就变成了:

证明 $n^3 n$ 总是偶数(能被 2 整除)。
证明 $n^3 n$ 的结果一定是 3 的倍数(能被 3 整除)。

如果这两个都能证明,那 $n^3 n$ 肯定就能被 6 整除啦!

第一步:证明 $n^3 n$ 能被 2 整除

我们先来处理 $n^3 n$ 能被 2 整除这个事情。怎么让它看起来更“数学”一点呢?我们可以对 $n^3 n$ 做一些因式分解。

观察一下 $n^3 n$ 这个式子,我们很容易发现 $n$ 是一个公因子。

$n^3 n = n(n^2 1)$

继续观察括号里的 $n^2 1$,这又是一个熟悉的式子,是平方差的形式!$n^2 1 = n^2 1^2 = (n1)(n+1)$。

所以,我们就把 $n^3 n$ 完全分解了:

$n^3 n = (n1)n(n+1)$

现在我们看到的是三个连续的整数!它们分别是 $n1$、$n$ 和 $n+1$。

想想看,在任意三个连续的整数里面,一定会出现什么?

至少有一个是偶数(能被 2 整除)。
为什么呢?因为偶数和奇数是交替出现的。比如:奇、偶、奇;偶、奇、偶。在三个连续的数里,不可能全是奇数,也不可能两个偶数隔着一个奇数。所以,一定至少有一个是偶数。

既然这三个连续整数中至少有一个是偶数,那么它们的乘积 $(n1)n(n+1)$ 也就一定是偶数,也就是能被 2 整除。

好!第一个小目标达成了!我们证明了 $n^3 n$ 总是能被 2 整除。

第二步:证明 $n^3 n$ 能被 3 整除

接下来,我们继续利用刚才的分解式:$n^3 n = (n1)n(n+1)$。

我们知道这是三个连续的整数。那么,在这三个连续的整数里面,一定会出现什么呢?

正好有一个是 3 的倍数(能被 3 整除)。
为什么呢?想想数字除以 3 的余数,无非就是 0、1、2 这三种情况。
如果一个数除以 3 的余数是 0,那它就是 3 的倍数。
如果一个数除以 3 的余数是 1,那么下一个数(加 1)除以 3 的余数就是 2。
如果一个数除以 3 的余数是 2,那么下一个数(加 1)除以 3 的余数就是 3,也就是余数 0,所以它又是 3 的倍数。
同理,如果一个数是 3 的倍数(余数 0),那接下来的两个数余数就是 1 和 2。

所以,在任何三个连续的整数中,无论从哪里开始数,都会有一个数能够被 3 整除。比如:
$1, 2, 3$ (3 能被 3 整除)
$2, 3, 4$ (3 能被 3 整除)
$3, 4, 5$ (3 能被 3 整除)
$4, 5, 6$ (6 能被 3 整除)

既然这三个连续整数中正好有一个是 3 的倍数,那么它们的乘积 $(n1)n(n+1)$ 也一定是 3 的倍数,也就是说能被 3 整除。

太棒了!第二个小目标也达成了!我们证明了 $n^3 n$ 总是能被 3 整除。

最终的结论:为什么一定能被 6 整除?

我们已经证明了:

1. $n^3 n$ 总是能被 2 整除。
2. $n^3 n$ 总是能被 3 整除。

因为 2 和 3 是互质的(它们没有大于 1 的公因数),所以如果一个数能同时被 2 和 3 整除,那么它就一定能被它们的乘积 $2 imes 3 = 6$ 整除。

这就好比说,如果一个小朋友既能独立完成数学作业,又能独立完成语文作业,而且数学老师和语文老师都是班里最讲道理的(互质),那他就可以认为自己学习非常棒(被 6 整除)了!

所以,我们可以得出结论:对于任意的非负整数 $n$,$n^3 n$ 能够被 6 整除。

换一种角度看看(补充说明,让证明更扎实)

除了上面用因式分解的方法,我们还可以用数学归纳法来证明。这种方法更像是按照步骤一步步往前推。

数学归纳法的基本思想是:

1. 证明基础(Base Case): 先证明当 $n$ 取第一个可能的数值时,结论是成立的。
2. 假设成立(Inductive Hypothesis): 假设当 $n=k$ 时,结论成立。
3. 证明递推(Inductive Step): 利用“当 $n=k$ 时结论成立”这个假设,来证明当 $n=k+1$ 时,结论也成立。

如果这两步都做到了,那么就可以说,对于所有可能的 $n$,这个结论都成立。

我们来试试用数学归纳法证明 $n^3 n$ 能被 6 整除。

1. 证明基础 ($n=0$):
当 $n=0$ 时,$0^3 0 = 0$。0 能被 6 整除($0 = 6 imes 0$)。所以基础成立。

2. 假设成立 (假设 $n=k$ 时成立):
假设对于某个非负整数 $k$, $k^3 k$ 能被 6 整除。这意味着我们可以写成 $k^3 k = 6m$(其中 $m$ 是一个整数)。

3. 证明递推 (证明 $n=k+1$ 时也成立):
我们要证明的是,当 $n=k+1$ 时,$ (k+1)^3 (k+1) $ 也能被 6 整除。

我们先展开 $(k+1)^3 (k+1)$:

$(k+1)^3 (k+1) = [(k+1)^2 imes (k+1)] (k+1)$
$= (k^2 + 2k + 1)(k+1) (k+1)$
$= (k^3 + k^2 + 2k^2 + 2k + k + 1) (k+1)$
$= k^3 + 3k^2 + 3k + 1 k 1$
$= k^3 + 3k^2 + 2k$

现在,我们想把这个式子跟我们知道的假设 $k^3 k$ 联系起来。我们可以做一些调整:

$k^3 + 3k^2 + 2k = (k^3 k) + k + 3k^2 + 2k$
$= (k^3 k) + 3k^2 + 3k$

我们看看这个式子:$(k^3 k) + 3k^2 + 3k$

第一部分 $(k^3 k)$:根据我们的假设,它是能被 6 整除的。
第二部分 $3k^2 + 3k$:我们可以把它因式分解一下,变成 $3(k^2 + k)$。而 $k^2 + k$ 又是 $k(k+1)$,也就是两个连续整数的乘积。我们知道两个连续整数的乘积一定是偶数(能被 2 整除)。所以,$3(k^2+k)$ 一定是 $3 imes ( ext{偶数})$。那么它肯定能被 2 整除。同时,它本身还乘以了 3,所以它肯定能被 3 整除。结合起来,$3(k^2 + k)$ 也能被 6 整除。

或者更简单一点,从 $3k^2 + 3k = 3(k^2 + k)$ 来看,这个表达式很明显有因子 3。而 $k^2+k = k(k+1)$ 呢?这是两个连续整数的乘积,所以它一定是偶数。一个偶数乘以 3,结果自然是偶数,也自然是 3 的倍数,所以它肯定能被 6 整除。

所以,我们有:
$(k+1)^3 (k+1) = (k^3 k) + (3k^2 + 3k)$
$= ( ext{能被 6 整除的数}) + ( ext{能被 6 整除的数})$

两个能被 6 整除的数相加,结果当然还是能被 6 整除的数!

这样一来,我们就证明了,如果 $n=k$ 时结论成立,那么 $n=k+1$ 时结论也成立。

结论:
通过数学归纳法,我们证明了对于所有非负整数 $n$,$n^3 n$ 都能被 6 整除。

总结一下我们是怎么证明的

我们证明了 $n^3 n$ 能被 6 整除,主要用了两个思路:

1. 因式分解法: 把 $n^3 n$ 分解成 $(n1)n(n+1)$,即三个连续整数的乘积。然后利用“连续整数必含偶数”和“连续整数必含三的倍数”这两个性质,推出它能被 2 和 3 整除,进而被 6 整除。
2. 数学归纳法: 从最简单的 $n=0$ 开始,证明结论成立;然后假设对任意 $n=k$ 成立,推导出对 $n=k+1$ 也成立。这个方法更像是一种逻辑上的接力。

这两种方法都很有效,而且相互印证。通过这些步骤,我们就严谨地证明了 $n^3 n$ 这个式子无论 $n$ 是多少(只要是非负整数),结果都能被 6 整除。

希望这个解释够详细,而且大家能明白其中的逻辑推理过程!数学的魅力就在于,我们可以通过严密的推理,去证明一些看似“显而易见”但又需要我们去证实的规律。

网友意见

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@六院的灵猿 的回答已经非常全了,我们就不妨做一些推广:

事实上,这个问题可以拓展为:

命题: ,即n总是整除 关于h的离散Fourier变换。

证明:经过类似 @六院的灵猿 的变换,可得:

定义拉马努金和 ,则原式变换为:

事实上,拉马努金和满足:

[1]

并且 。因此,我们的命题变成了 :

对于此类问题,我们要化整为零。假设n可以被分解为a、b两个互素数,则:

这意味着 。因此我们只需要考虑证明最简单的情况,即

展开可得:

现在设 则可以分类讨论:

当r=w时:

其中最后一行可以参考 @六院的灵猿 的回答。

当r<w时:

由 可知:

而第二项可以被分解成

由于在a-h>1的情况下 ,我们仅选择 的情况进行求和:

将第一项和第二项的结果回代至(a)式,可得:

综上所述, ,撒花!!

参考

  1. ^当数论遇上分析——拉马努金和与欧拉函数的故事 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/166530236

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