Путеводитель для влюблённых в математику - Эдвард Шейнерман

Присмотримся к числам 986 и 748 повнимательней. Мы ищем наибольший общий делитель, поэтому естественно разложить оба числа на простые множители[134] (см. главу 1). Вот результат:

С помощью этого разложения на простые множители мы можем найти НОД, пуская в дело все простые числа, на которые делятся оба наших числа. Оба делятся на 2 и на 17, потому наибольший общий делитель очевидным образом равен 2 × 17 = 34.

Как разложить число на простые множители самым эффективным способом? Ответ неутешителен: мы этого не знаем (как уже отмечалось в главе 1). Нам нужна идея получше.

Еще одну идею нам подсказал Евклид. Допустим, d – общий делитель 986 и 748. Это означает, что

где x и y – целые числа. Следовательно, d также является делителем разности 986 – 748. Это следует из нехитрых алгебраических выкладок:

Так как x и y целые числа, их разность тоже целое число. Потому разность 986 и 748 тоже нацело делится на d. Заметим, что 986–748 = 238.

Точно так же общий делитель 748 и 238 является делителем 986. Почему? Если e – общий делитель 748 и 238, то

где u и v – целые числа. Таким образом,

откуда мы делаем заключение, что e – делитель 986.

Вывод: общие делители 986 и 748 являются также общими делителями 748 и 238. Для иллюстрации запишем делители всех трех чисел, подчеркивая общие делители:

делители 986 → 1, 2, 17, 29, 34, 58, 493, 986;

делители 748 → 1, 2, 4, 11, 17, 22, 34, 44, 68, 187, 374, 748;

делители 238 → 1, 2, 7, 14, 17, 34, 119, 238.

Отсюда следует, что

Таким образом, поиск наибольшего общего делителя 986 и 748 свелся к поиску наибольшего общего делителя 748 и 238. Прогресс, теперь мы имеем дело с числами поменьше. Проделаем то же самое еще раз.

Если некое d – общий делитель 238 и 748, оно также делитель их разности. Этим дело не ограничивается. Мы можем вычесть 238 из 748 несколько раз, и d будет оставаться делителем разностей. Точнее говоря, если 238 и 748 делятся на d, разность 748 – 3 × 238 тоже делится на d. Обратимся к алгебре, чтобы доказать это.

где x и y – целые числа. Следовательно,

Таким образом, d – делитель 748 – 3 × 238 = 34. И наоборот: если e – делитель 34 и 238, это также делитель 748. Вернемся к алгебре.

где u и v – целые числа. Таким образом,

Таким образом, e – делитель 748. Следовательно, у 748, 238 и 34 есть общие делители, и мы можем сделать вывод, что

На основе тождеств (A) и (B) мы имеем:

Мы почти у цели. Обратим внимание, что 238 делится на 34 (потому что 238 = 34 × 7), и поэтому НОД (238, 34) = 34. Финальный аккорд:

Подытожим: через какие этапы мы пришли к этому результату? Мы вычли 748 из 986 и получили 238. Мы трижды вычли 238 из 748. Почему мы совершили одну операцию вычитания в первом случае и три операции во втором? Мы хотели свести задачу к операциям с как можно меньшими числами, потому что так удобнее. Поэтому мы вычитали меньшее число из большего до упора. Заметим: 748 умещается в 986 всего один раз, и разница между ними равна 238. Однако 238 умещается внутри 748 три раза, и остаток равен 34. Мы можем вычесть 748 из 986 всего один раз, и в то же время мы можем вычесть 238 из 748 три раза.

Теперь мы обобщим этот пример и построим алгоритм вычисления наибольшего общего делителя для двух целых положительных чисел. Нам даны два целых положительных числа a, b, и мы хотим определить НОД (a, b). При этом a больше b. Мы должны вычесть b из a как можно большее число раз. Чтобы выяснить, сколько именно, поделим a на b. Мы получим частное q и остаток c. На языке алгебры:

Если окажется, что b – делитель a, тогда остаток будет равен нулю. В ином случае c больше нуля и меньше b (если бы c оказалось больше b, мы смогли бы вычесть b из a еще раз[135]).

Теперь предположим, что d – общий делитель a и b. Тогда

где x и y – целые числа. Следовательно,

и c тоже без остатка делится на d (потому что x – qy входит в множество целых чисел).

С другой стороны, если e – общий делитель b и c, тогда

где u и v – целые числа. Следовательно,

и e – еще и делитель a.

Итак, мы доказали, что общие делители a и b совпадают с общими делителями b и c. Таким образом,