欧拉函数积性公式证明

欧拉函数积性公式证明

定义：两个整数相除N/m一定可以表示为N=m·u+r，在初等数论中称m为模，r为剩余，如果r为非负整数那么r∈

{0,1,2,...，m-1}中一个。表示式可简化为N≡r modm；模m 对应的剩余集记rmodm。

欧拉发现剩余集中的元素其中与模m互质的个数非常有意义，并从“若m与N互质，则r与m也互质”启发，找到了计算方法。为了纪念他以他的名字称谓欧拉函数φ(m)。如8的剩余集为{0,1,2，...，7}八个元素，但与8互质的为{1,3,5,7}只有4个，即φ(8)=4。

定理1：若q与p互质，则φ(q·p)= φ(q)·φ(p)。

证明：设a,b分别是模q和p互质的剩余集（记Z q和Z p）的元素，根据中国剩余定理，即联立不定方程N≡a modq，N≡b modp 的解→N≡r modq·p，r是唯一的，r≡(ap·p-1+bq·q-1) modq·p，p-1是p的逆，p·p-1≡1modq。且对于不同的a或b，集合{(ap·p-1+bq·q-1) modq·p}的元素两两不相交，否则△a·p p-1≡△b·qq-1 modq·p，由于△a＜q、△b＜p，故等式不成立。于是根据乘法原理对于不同的a或b 集合Z q×Z p与Z qp一一对应，故φ(q·p)=φ(q)·φ(p)。

定理2：p j(j=1,2,...)均为不同的素数，欧拉函数可以表示为

φ(m)=m·∏(1-1/p j) (j 为 m 的素因子的个数)。

证：根据算数基本定理任何整数可以表示为m= ∏p j k j ,以及φ(p k)=p k- p k-1(与p k有公约数的剩余个数)=(p-1)p k-1，两式结合就得到上述著名的欧拉函数公式。