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我們今天來講一講帕斯卡三角形與費馬小定理之間的關係。它們之間聯繫的橋梁是素數。
(1)先說帕斯卡三角形與素數之間的一個關係(我之前十來篇的時候講過這個關係,在本文後面將給出連結)。
如下面的帕斯卡三角形所示。注意,右側天藍色數字代表帕斯卡三角形的行數,是從第0行開始的。我們的結論是:在第素數行中,除兩端的兩個「1」以外的其他一切數皆可以被這個素數行數整除。比如,7為素數,則在第7行中,除兩端的「1」以外的其他數是7,21,35,35,21,7,它們都能被7整除,確實如此。對第11行,則11,55,165,330,462,462,330,165,55,11都能被11整除。
(2)下面我們講一講費馬小定理。費馬小定理有兩種形式(其實是相通的)。我們考慮其中的一種。
(3)那麼,帕斯卡三角形與費馬小定理有什麼關係呢?
前面帕斯卡三角形與素數的關係導致下面的結論成立:
這個結論很容易理解,因為上式左邊進行二項式展開後,根據前面第(1)條所說,中間的項都可以被素數p整除,所以,這個同餘式便成立了。
(4)我們取a=1,b=0,則由上式得到
若取a=1,b=1,則得到
若取a=2,b=1,則得到
若取a=3,b=1,則得到
繼續做下去,我們便得到對於一切小於p的正整數n,都有
由於對於0上式也成立,所以對0,1,2, ..., (p-1),上式都成立。我們又知道,對任意正整數,它們都與0,1,2, ..., (p-1)中的某一個同餘。所以,就可以得出對一切正整數,下式都成立:
於是我們就從帕斯卡三角形與素數的關係,推導出了費馬小定理。
(5)我們舉個例子驗證一下費馬小定理。取n=3,p=53(素數)。我們計算3的53次冪除以53所得的餘數是不是3。首先需要知道下面這些與二進位有關的等式:
於是,任意一個正整數都可以表示成2的不同次冪相加的形式。比如:
於是,3的53次冪可以寫成:
我們先計算下面這些冪取模53的結果:
所以,
即
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《費馬小定理與素數》
《帕斯卡三角形與素數》