问题

请问贝祖定理(裴蜀定理)除了用辗转相除法还能怎么证?

回答
裴蜀定理,这个数学界里一个小而美的存在,它的核心在于告诉我们,对于任意两个不全为零的整数 $a$ 和 $b$,一定存在整数 $x$ 和 $y$,使得 $ax + by = ext{gcd}(a, b)$。大家最熟悉的证明方法,就是利用我们小学就开始接触的辗转相除法。但是,如果我们就此打住,那可就辜负了数学的魅力。其实,除了辗转相除法,我们还可以从其他几个角度来理解和证明这个定理,每个角度都像是在探寻同一块美玉的不同侧面。

借助集合的“封闭性”:数论的优雅视角

我们先从一个稍微抽象但非常自然的视角出发,看看那些形如 $ax + by$ 的整数的集合,它们究竟隐藏着什么秘密。

考虑所有可以表示为 $ax + by$(其中 $x, y$ 是任意整数)的整数构成的集合,我们不妨称之为 $S$。也就是说,$S = {ax + by mid x, y in mathbb{Z}}$。

这个集合有什么特点呢?

1. 非空性 (Nonempty): 显然,$S$ 不是空的。因为我们可以取 $x=1, y=0$,得到 $a$;取 $x=0, y=1$,得到 $b$。所以 $a$ 和 $b$ 都在 $S$ 中。甚至,我们还可以取 $x=0, y=0$,得到 $0$,所以 $0 in S$。

2. 封闭性 (Closure): 这是关键!如果 $u in S$ 并且 $v in S$,那么 $u+v$ 和 $uv$ 也一定在 $S$ 中。
既然 $u in S$,那么存在整数 $x_1, y_1$ 使得 $u = ax_1 + by_1$。
既然 $v in S$,那么存在整数 $x_2, y_2$ 使得 $v = ax_2 + by_2$。
那么,$u+v = (ax_1 + by_1) + (ax_2 + by_2) = a(x_1+x_2) + b(y_1+y_2)$。因为 $x_1+x_2$ 和 $y_1+y_2$ 仍然是整数,所以 $u+v in S$。
同理,$uv = (ax_1 + by_1) (ax_2 + by_2) = a(x_1x_2) + b(y_1y_2)$。因为 $x_1x_2$ 和 $y_1y_2$ 仍然是整数,所以 $uv in S$。

现在,我们有了这样一个非空、对加法和减法封闭的整数集合 $S$。这让我想起了数论中一个非常重要的性质:任何非空整数集合,如果对减法封闭,那么它一定包含其最小正元素,并且该集合中的所有元素都是这个最小正元素的倍数。

让我们来证明这个性质。
由于 $a$ 和 $b$ 不全为零,所以 $S$ 中总存在非零元素。设 $S$ 中所有正元素构成的集合为 $S^+$。$S^+$ 是一个非空的正整数集合,根据良序原理(任何非空正整数集合都有最小元素),$S^+$ 必存在一个最小的正元素,我们称之为 $d$。
我们需要证明 $d = ext{gcd}(a, b)$。
证明 $d$ 是 $a$ 和 $b$ 的公约数:
因为 $a in S$ (取 $x=1, y=0$),根据我们上面证明的封闭性,对于任意 $u in S$, $u ku$ 也在 $S$ 中,其中 $k$ 是整数。
根据除法定理,将 $a$ 除以 $d$,我们得到 $a = qd + r$,其中 $q$ 是商,$r$ 是余数,$0 le r < d$。
现在我们来看这个余数 $r$ 是否也在集合 $S$ 中。 $r = a qd$。
因为 $a in S$,而 $d in S$,所以根据封闭性,$qd in S$(因为 $d in S$,根据封闭性,$d+d in S, d+d+d in S$,以此类推,任意整数倍的 $d$ 都在 $S$ 中)。
因此,$r = a qd$ 也是 $S$ 中的元素。
我们知道 $d$ 是 $S$ 中最小的正元素。如果 $r$ 是一个正数 ($r > 0$),那么 $r$ 就比 $d$ 更小但仍在 $S$ 中,这与 $d$ 是 $S$ 中最小正元素矛盾。
所以,唯一的可能性就是 $r=0$。这意味着 $a = qd$,即 $d$ 整除 $a$。
同理,我们也可以证明 $d$ 整除 $b$。所以,$d$ 是 $a$ 和 $b$ 的公约数。

证明 $d$ 是 $a$ 和 $b$ 的最大公约数:
我们已经证明了 $d$ 是 $a$ 和 $b$ 的公约数。
现在假设存在另一个公约数 $c$,它也整除 $a$ 和 $b$。
既然 $c$ 整除 $a$,那么 $a = kc$ 对于某个整数 $k$。
既然 $c$ 整除 $b$,那么 $b = mc$ 对于某个整数 $m$。
我们知道 $d in S$,所以 $d = ax + by$ 对于某个整数 $x, y$。
将 $a$ 和 $b$ 代入:$d = (kc)x + (mc)y = c(kx + my)$。
这意味着 $c$ 也整除 $d$。
既然 $c$ 整除 $d$,且 $d$ 是正数,那么 $|c| le d$。
由于 $d$ 是 $a$ 和 $b$ 的公约数,任何其他公约数 $c$ 都不能大于 $d$。因此,$d$ 就是 $a$ 和 $b$ 的最大公约数。

所以,我们证明了裴蜀定理:存在整数 $x, y$ 使得 $ax + by = ext{gcd}(a, b)$。这里的证明逻辑,完全依赖于对集合性质的分析,特别是“最小正元素”这一概念,与辗转相除法“不断取余数直至为零”的过程在精神上是相通的,但展现了不同的数学视角。

利用线性代数的基底思想:更一般的视野

我们还可以从线性代数稍微抽象一点的观点来理解裴蜀定理。虽然这里不是严格意义上的向量空间,但我们可以借鉴“基底”的概念。

考虑整数加法群 $mathbb{Z}$。我们知道 $a$ 和 $b$ 作为整数,它们可以生成一个由所有 $ax + by$ 形式的整数构成的集合 $S = {ax + by mid x, y in mathbb{Z}}$。这个集合 $S$ 实际上是整数加法群的一个子群。

在一个整数加法群的子群中,根据一个重要的代数性质,任何子群都可以被“一个”整数生成。也就是说,对于子群 $S$,一定存在一个整数 $d'$ 使得 $S = {k d' mid k in mathbb{Z}}$。

那么,这个 $d'$ 是什么呢?
既然 $a in S$ 并且 $b in S$,根据 $S = {k d' mid k in mathbb{Z}}$ 的形式,那么 $a$ 必须是 $d'$ 的某个倍数,即 $d' mid a$。同样,$d' mid b$。所以 $d'$ 是 $a$ 和 $b$ 的一个公约数。
反过来,既然 $d' in S$(取 $k=1$),那么 $d'$ 必须可以表示为 $ax' + by'$ 的形式,其中 $x', y'$ 是整数。
我们知道任何 $ax + by$ 的值(即 $S$ 中的元素)都是 $d'$ 的倍数。
又因为 $d'$ 是 $a$ 和 $b$ 的公约数,那么任何同时整除 $a$ 和 $b$ 的数也必然整除 $d'$。
这意味着,这个生成的 $d'$ 实际上就是 $a$ 和 $b$ 的最大公约数 $ ext{gcd}(a, b)$。

所以,我们可以说,由 $a$ 和 $b$ “张成”的子群,其生成元就是 $ ext{gcd}(a, b)$。也就是说,$S = {k cdot ext{gcd}(a, b) mid k in mathbb{Z}}$。
因为 $S$ 中的元素形式是 $ax+by$,那么 $ ext{gcd}(a, b)$ 本身必然也在 $S$ 中(取 $k=1$)。也就是说,$ ext{gcd}(a, b)$ 必定可以表示成 $ax + by$ 的形式。

这种证明方式更偏向于抽象代数中的群论概念。它说明了由两个整数生成的子群,其结构是由它们的最大公约数决定的。这其实是一种更普遍的数学结构规律的体现。

用构造性方法来构建 x 和 y

还有一种证明方式,它不依赖于直接证明 $d = ext{gcd}(a, b)$,而是直接构造出满足 $ax+by= ext{gcd}(a,b)$ 的 $x$ 和 $y$。这其实是在辗转相除法的过程中“记下”每一步是如何组合 $a$ 和 $b$ 来得到余数的。

我们知道辗转相除法的过程是:
$a = q_1 b + r_1$
$b = q_2 r_1 + r_2$
$r_1 = q_3 r_2 + r_3$
...
$r_{n2} = q_n r_{n1} + r_n$
$r_{n1} = q_{n+1} r_n + 0$

其中 $r_n = ext{gcd}(a, b)$。

现在,我们从最后一个非零余数 $r_n$ 开始,反向代入:
$r_n = r_{n2} q_n r_{n1}$

我们希望将 $r_n$ 表示成 $ax + by$ 的形式。从上面的式子看,它依赖于 $r_{n2}$ 和 $r_{n1}$。但是 $r_{n2}$ 和 $r_{n1}$ 也都可以用更前面的余数来表示。

为了更清晰,我们把等式稍微变形一下,表示出每个余数:
1. $r_1 = a q_1 b$
2. $r_2 = b q_2 r_1$
3. $r_3 = r_1 q_3 r_2$
...
n. $r_n = r_{n2} q_n r_{n1}$

现在,我们开始代入:
先用式 2 代入式 3:
$r_3 = r_1 q_3 (b q_2 r_1) = r_1 q_3 b + q_2 q_3 r_1 = (1 + q_2 q_3) r_1 q_3 b$
再用式 1 代入上式中的 $r_1$:
$r_3 = (1 + q_2 q_3) (a q_1 b) q_3 b = (1 + q_2 q_3) a (q_1 + q_1 q_2 q_3 + q_3) b$
至此,$r_3$ 被表示成了 $a$ 和 $b$ 的线性组合。

这个过程就是 扩展欧几里得算法 的核心思想。我们不断地将每个余数表示成前两个余数的线性组合,最终反向代入,就能把 $ ext{gcd}(a, b)$ 表示成 $a$ 和 $b$ 的线性组合。

具体来说,我们可以维护两个序列,分别记录当前余数如何用原始的 $a$ 和 $b$ 表示:
设 $r_0 = a, r_1 = b$。
对于 $i ge 2$, $r_i = r_{i2} q_i r_{i1}$。
如果我们在每一步都记录下 $r_i = A_i a + B_i b$ 的形式,那么:
$r_i = (A_{i2} a + B_{i2} b) q_i (A_{i1} a + B_{i1} b)$
$r_i = (A_{i2} q_i A_{i1}) a + (B_{i2} q_i B_{i1}) b$

所以,我们可以定义新的系数:
$A_i = A_{i2} q_i A_{i1}$
$B_i = B_{i2} q_i B_{i1}$

初始条件是:
$r_0 = a = 1 cdot a + 0 cdot b implies A_0 = 1, B_0 = 0$
$r_1 = b = 0 cdot a + 1 cdot b implies A_1 = 0, B_1 = 1$

然后,按照辗转相除法的步骤,逐一计算 $q_i, r_i, A_i, B_i$。当得到 $r_n = ext{gcd}(a, b)$ 时,我们就能得到对应的 $A_n$ 和 $B_n$,这样就找到了满足 $a A_n + b B_n = ext{gcd}(a, b)$ 的整数 $x = A_n$ 和 $y = B_n$。

这种证明方式更具有构造性,它不仅证明了定理的存在性,还提供了一种找到具体数值的方法。它比前两种更“实在”,直接给出了实现路径。

总结一下

裴蜀定理之所以经典,在于它可以用多种数学工具和视角来阐释。
集合论视角 强调了由 $ax+by$ 构成的集合的性质,尤其是最小正元素的存在性,这与辗转相除法的核心思想相契合。
线性代数/群论视角 将问题提升到代数结构层面,揭示了子群的生成元就是最大公约数,提供了一种更抽象但普适的理解。
构造性证明(扩展欧几里得算法) 则直接给出了如何找到满足条件的整数 $x$ 和 $y$ 的算法,体现了数学的实用性和过程性。

这几种方法虽然出发点不同,但殊途同归,都指向了裴蜀定理这个优美的结论。它们共同构成了我们对这个定理更全面、更深入的理解。

网友意见

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答一个吹水题,一般书上都有的。按如下路径证明:

  1. 先证明 是欧几里得整环(有带余除法)。思路:用良序原理(良序原理可以视作 的定义的一部分)
  2. 再证明 是主理想整环。(所有的欧几里得整环都是主理想整环)对于 而言,思路是:首先可以证明 的理想必含有 。如果非平凡,可以证明必含有正数。设最小的正数是 。然后证明所有 都在理想中,再利用带余除法,所有不是 的倍数的都不会在理想中。所以所有理想都是由一个元素生成的,即主理想。)
  3. 最后证明Bezout定理。(主理想整环上都有Bezout定理)思路是:对于 ,考虑 ,它是理想,故一定是主理想,假设由 生成(不妨设 )。去证明 ,并且所有公因子都整除 。这就证明了 。所以 会有整数解,因为

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