अंकगणित का मौलिक प्रमेय

Not to be confused with Fundamental theorem of algebra.

अंकगणितीय शोध (1801) में कार्ल फ्रेडरिक गॉस ने अद्वितीय कारककरण प्रमेय साबित किया और इसका उपयोग द्विघात पारस्परिकता के नियम को सिद्ध करने के लिए किया।

गणित में, अंकगणित के मौलिक प्रमेय को अद्वितीय गुणनखंडन प्रमेय और अभाज्य गुणनखंड प्रमेय भी कहा जाता है, और यह बताता है कि 1 से अधिक प्रत्येक पूर्णांक को कारकों के क्रम तक अभाज्य संख्याओं के उत्पाद के रूप में दर्शाया जा सकता है। उदाहरण के लिए,

$1200=2^{4}\cdot 3^{1}\cdot 5^{2}=(2\cdot 2\cdot 2\cdot 2)\cdot 3\cdot (5\cdot 5)=5\cdot 2\cdot 5\cdot 2\cdot 3\cdot 2\cdot 2=\ldots$

प्रमेय इस उदाहरण के बारे में दो बातें कहता है: पहला यह कि 1200 को अभाज्य संख्याओं के गुणनफल के रूप में प्रदर्शित किया जा सकता है और दूसरा यह की कोई फर्क नहीं पड़ता कि यह कैसे किया जाता है, उत्पाद में हमेशा चार 2s, एक 3s ,दो 5s और कोई अन्य अभाज्य संख्याएँ नहीं होंगी।

आवश्यकता है कि कारक प्रमुख हों: सम्पूर्ण संख्या वाले गुणनखंड अद्वितीय नहीं हो सकते हैं (उदाहरण के लिए, $12=2\cdot 6=3\cdot 4$).

यह प्रमेय मुख्य कारणों में से एक है कि क्यों 1 को अभाज्य संख्या नहीं माना जाता है: यदि 1 अभाज्य थे, तो अभाज्यों में गुणनखंड अद्वितीय नहीं होगा; उदाहरण के लिए,$2=2\cdot 1=2\cdot 1\cdot 1=\ldots$

प्रमेय अन्य बीजगणितीय संरचनाओं को सामान्यीकरण करता है जिन्हें अद्वितीय गुणनखंड क्षेत्र (डोमेन) कहा जाता है और इसमें प्रमुख आदर्श क्षेत्र (डोमेन), यूक्लिडियन क्षेत्र (डोमेन) और इसमें एक क्षेत्र (गणित) पर बहुपद के छल्ले शामिल होते हैं। हालाँकि, प्रमेय बीजगणितीय पूर्णांकों के लिए मान्य नहीं है। अद्वितीय गुणनखंडन की यह विफलता फर्मेट की अंतिम प्रमेय के प्रमाण की कठिनाई के कारणों में से एक है। फर्मेट के कथन और विल्स के प्रमाण के बीच 358 वर्षों के दौरान लिखे गए कई झूठे प्रमाणों की त्रुटि के पीछे बीजगणितीय पूर्णांकों के छल्ले में अद्वितीय गुणनखंड का सहज उपयोग है।

इतिहास

मौलिक प्रमेय को यूक्लिड के तत्वों की पुस्तक VII, प्रस्ताव 30, 31 और 32, और पुस्तक IX, प्रस्ताव 14 से प्राप्त किया जा सकता है।

If two numbers by multiplying one another make some number, and any prime number measure the product, it will also measure one of the original numbers.

— Euclid, Elements Book VII, Proposition 30

(आधुनिक शब्दावली में: यदि एक अभाज्य संख्या p गुणनफल ab को विभाजित करता है, या तो संख्या p, a या b या दोनों को विभाजित करता है।) तो प्रस्ताव 30 को "यूक्लिड की लेम्मा" कहा जाता है, और यह अंकगणित के मूलभूत प्रमेय के प्रमाण की कुंजी है।

Any composite number is measured by some prime number.

— Euclid, Elements Book VII, Proposition 31

(आधुनिक शब्दावली में: एक से अधिक प्रत्येक पूर्णांक को किसी भी अभाज्य संख्या से समान रूप से विभाजित किया जाता है।) प्रस्ताव 31 को अनंत अवरोही द्वारा आसानी से सिद्ध किया जाता है।

Any number either is prime or is measured by some prime number.

— Euclid, Elements Book VII, Proposition 32

प्रस्ताव 32 को प्रस्ताव 31 से लिया गया है, और यह साबित करता है कि गुणनखंड संभव है।

If a number be the least that is measured by prime numbers, it will not be measured by any other prime number except those originally measuring it.

— Euclid, Elements Book IX, Proposition 14

(आधुनिक शब्दावली में: कई अभाज्य संख्याओं का लघुत्तम समापवर्त्य किसी अन्य अभाज्य संख्या का गुणज नहीं होता है।)पुस्तक IX, प्रस्ताव 14 को पुस्तक VII, प्रस्ताव 30 से लिया गया है, और यह आंशिक रूप से साबित करता है कि गुणनखंड अद्वितीय है - एक बिंदु गंभीर रूप से गणितज्ञ आंद्रे वेल द्वारा नोट किया गया। दरअसल, इस प्रस्ताव में सभी घातांक एक के बराबर हैं, इसलिए सामान्य मामले के लिए कुछ नहीं कहा गया है।

जबकि यूक्लिड ने अभाज्य गुणनखण्ड के अस्तित्व की ओर पहला कदम उठाया तो कमल अल-दीन अल-फारसी ने अपनी अंतिम प्रयास में पहली बार अंकगणित का मौलिक प्रमेय बताया। गॉस का अंकगणितीय शोध को अनुच्छेद 16 मॉड्यूलर अंकगणित को नियोजित करने वाला एक प्रारंभिक आधुनिक कथन और प्रमाण है।

अनुप्रयोग

=== धनात्मक पूर्णांक === का विहित निरूपण हर सकारात्मक पूर्णांक n > 1 प्रधान शक्तियों के उत्पाद के रूप में बिल्कुल एक तरह से प्रतिनिधित्व किया जा सकता है

$n=p_{1}^{n_{1}}p_{2}^{n_{2}}\cdots p_{k}^{n_{k}}=\prod _{i=1}^{k}p_{i}^{n_{i}},$

कहाँ p₁ < p₂ < ... < p_k अभाज्य हैं और n_i सकारात्मक पूर्णांक हैं। यह प्रतिनिधित्व आमतौर पर 1 सहित सभी सकारात्मक पूर्णांकों तक विस्तारित होता है, सम्मेलन द्वारा कि खाली उत्पाद 1 के बराबर होता है (खाली उत्पाद से मेल खाता है) k = 0).

इस प्रतिनिधित्व को विहित प्रतिनिधित्व कहा जाता है का n, या मानक रूप एन की। उदाहरण के लिए,

999 = 3³×37,

1000 = 2³×5^{3</सुप>,}

1001 = 7×11×13.

कारकों p⁰ = 1 का मान बदले बिना डाला जा सकता है n (उदाहरण के लिए, 1000 = 2³×3⁰×5³). वास्तव में, किसी भी सकारात्मक पूर्णांक को विशिष्ट रूप से सभी सकारात्मक अभाज्य संख्याओं पर लिए गए अनंत उत्पाद के रूप में दर्शाया जा सकता है

$n=2^{n_{1}}3^{n_{2}}5^{n_{3}}7^{n_{4}}\cdots =\prod _{i=1}^{\infty }p_{i}^{n_{i}},$

जहां की एक परिमित संख्या n_i धनात्मक पूर्णांक हैं, और अन्य शून्य हैं।

ऋणात्मक घातांकों की अनुमति सकारात्मक परिमेय संख्याओं के लिए एक विहित रूप प्रदान करती है।

अंकगणितीय संक्रियाएं

गुणनफल के विहित निरूपण, दो संख्याओं a और b का महत्तम समापवर्तक (GCD), और लघुतम समापवर्त्य (LCM) केवल a और b के विहित निरूपण के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है:

${\begin{alignedat}{2}a\cdot b&=2^{a_{1}+b_{1}}3^{a_{2}+b_{2}}5^{a_{3}+b_{3}}7^{a_{4}+b_{4}}\cdots &&=\prod p_{i}^{a_{i}+b_{i}},\\\gcd(a,b)&=2^{\min(a_{1},b_{1})}3^{\min(a_{2},b_{2})}5^{\min(a_{3},b_{3})}7^{\min(a_{4},b_{4})}\cdots &&=\prod p_{i}^{\min(a_{i},b_{i})},\\\operatorname {lcm} (a,b)&=2^{\max(a_{1},b_{1})}3^{\max(a_{2},b_{2})}5^{\max(a_{3},b_{3})}7^{\max(a_{4},b_{4})}\cdots &&=\prod p_{i}^{\max(a_{i},b_{i})}.\end{alignedat}}$

हालाँकि, पूर्णांक गुणनखंडन, विशेष रूप से बड़ी संख्या में, कंप्यूटिंग उत्पादों, GCDs, या LCMs की तुलना में बहुत अधिक कठिन है। अतः व्यवहार में इन सूत्रों का सीमित उपयोग है।

अंकगणितीय कार्य

Main article: Arithmetic function

कई अंकगणितीय कार्यों को विहित प्रतिनिधित्व का उपयोग करके परिभाषित किया गया है। विशेष रूप से, योज्य फलन और गुणक फलन फलनों के मान अभाज्य संख्याओं की घातों पर उनके मूल्यों द्वारा निर्धारित किए जाते हैं।

प्रमाण

प्रमाण यूक्लिड के लेम्मा (तत्व VII, 30) का उपयोग करता है: यदि एक प्रधान भाजक दो पूर्णांकों का गुणनफल है, तो उसे इन पूर्णांकों में से कम से कम एक को विभाजित करना चाहिए।

अस्तित्व

यह अवश्य दिखाया जाना चाहिए कि प्रत्येक पूर्णांक इससे बड़ा है 1 या तो प्राइम है या प्राइम्स का उत्पाद है। पहला, 2 प्रधान है। फिर, मजबूत आगमन से, मान लें कि यह से बड़ी सभी संख्याओं के लिए सत्य है 1 और उससे कम n. अगर n प्रधान है, सिद्ध करने के लिए और कुछ नहीं है। अन्यथा, पूर्णांक हैं a और b, कहाँ n = a b, और 1 < a ≤ b < n. प्रेरण परिकल्पना द्वारा, a = p₁ p₂ ⋅⋅⋅ p_j और b = q₁ q₂ ⋅⋅⋅ q_k primes के उत्पाद हैं। परन्तु फिर n = a b = p₁ p₂ ⋅⋅⋅ p_j q₁ q₂ ⋅⋅⋅ q_k प्राइम्स का एक उत्पाद है।

विशिष्टता

मान लीजिए, इसके विपरीत, एक पूर्णांक है जिसमें दो अलग-अलग अभाज्य गुणनखंड हैं। होने देना n कम से कम ऐसा पूर्णांक बनो और लिखो n = p₁ p₂ ... p_j = q₁ q₂ ... q_k, जहां प्रत्येक p_i और q_i प्रधान है। हमने देखा कि p₁ विभाजित q₁ q₂ ... q_k, इसलिए p₁ कुछ बांटता है q_i यूक्लिड की लेम्मा द्वारा। सामान्यता के नुकसान के बिना, कहते हैं p₁ विभाजित q₁. तब से p₁ और q₁ दोनों प्रमुख हैं, यह इस प्रकार है p₁ = q₁. के हमारे गुणनखंडों पर लौट रहे हैं n, हम यह निष्कर्ष निकालने के लिए इन दो कारकों को रद्द कर सकते हैं p₂ ... p_j = q₂ ... q_k. अब हमारे पास दो विशिष्ट अभाज्य गुणनखंड हैं, जो किसी पूर्णांक से पूर्ण रूप से छोटे हैं n, जो की न्यूनतमता के विपरीत है n.

यूक्लिड की लेम्मा के बिना विशिष्टता

यूक्लिड के लेम्मा का उपयोग किए बिना अंकगणित के मौलिक प्रमेय को भी सिद्ध किया जा सकता है। इसके बाद का प्रमाण यूक्लिडियन एल्गोरिथ्म के यूक्लिड के मूल संस्करण से प्रेरित है।

ये मान लीजिए $s$ सबसे छोटा धनात्मक पूर्णांक है जो दो अलग-अलग तरीकों से अभाज्य संख्याओं का गुणनफल है। संयोग से, इसका तात्पर्य है $s$, यदि यह मौजूद है, तो इससे बड़ी एक मिश्रित संख्या होनी चाहिए $1$. अब कहो

${\begin{aligned}s&=p_{1}p_{2}\cdots p_{m}\\&=q_{1}q_{2}\cdots q_{n}.\end{aligned}}$

प्रत्येक $p_{i}$ हर से अलग होना चाहिए $q_{j}.$ नहीं तो अगर कहें $p_{i}=q_{j},$ तब कोई धनात्मक पूर्णांक होगा $t=s/p_{i}=s/q_{j}$ जो इससे छोटा है s और इसके दो भिन्न प्रधान गुणनखंड हैं। कोई यह भी मान सकता है $p_{1}<q_{1},$ यदि आवश्यक हो, तो दो कारकों का आदान-प्रदान करके।

सेटिंग $P=p_{2}\cdots p_{m}$ और $Q=q_{2}\cdots q_{n},$ किसी के पास $s=p_{1}P=q_{1}Q.$ इसके अलावा, चूंकि $p_{1}<q_{1},$ किसी के पास $Q<P.$ इसके बाद यह अनुसरण करता है

$s-p_{1}Q=(q_{1}-p_{1})Q=p_{1}(P-Q)<s.$

सकारात्मक पूर्णांक से कम के रूप में s माना जाता है कि एक अद्वितीय प्रधान गुणनखंड है, $p_{1}$ या तो के गुणनखंड में होना चाहिए $q_{1}-p_{1}$ या Q. बाद वाला मामला असंभव है, जैसा Q, से छोटा होना s, एक अद्वितीय अभाज्य गुणनखण्ड होना चाहिए, और $p_{1}$ प्रत्येक से भिन्न है $q_{j}.$ पूर्व का मामला भी असंभव है, जैसे, अगर $p_{1}$ का भाजक है $q_{1}-p_{1},$ यह का विभाजक भी होना चाहिए $q_{1},$ जो असम्भव है $p_{1}$ और $q_{1}$ विशिष्ट अभाज्य हैं।

इसलिए, एक से अधिक विशिष्ट अभाज्य गुणनखंडों के साथ सबसे छोटा पूर्णांक मौजूद नहीं हो सकता है। प्रत्येक धनात्मक पूर्णांक या तो स्वयं एक अभाज्य संख्या होनी चाहिए, जो विशिष्ट रूप से गुणनखंडित हो, या एक सम्मिश्र जो विशिष्ट रूप से अभाज्यों में भी कारक हो, या पूर्णांक के मामले में $1$, किसी भी अभाज्य का कारक नहीं है।

सामान्यीकरण

द्विवर्गीय पारस्परिकता पर गॉस के दूसरे मोनोग्राफ (1832) में प्रमेय का पहला सामान्यीकरण पाया जाता है। इस पेपर ने पेश किया जिसे अब गॉसियन पूर्णांकों का अंगूठी सिद्धांत कहा जाता है, सभी जटिल संख्याओं का सेट a + bi जहां a और b पूर्णांक हैं। इसे अब द्वारा निरूपित किया जाता है $\mathbb {Z} [i].$ उन्होंने दिखाया कि इस वलय की चार इकाइयाँ ±1 और ±i हैं, कि गैर-शून्य, गैर-इकाई संख्याएँ दो वर्गों, प्राइम और कंपोजिट में आती हैं, और यह कि (ऑर्डर को छोड़कर), कंपोजिट में उत्पाद के रूप में अद्वितीय गुणनखंड होता है। प्राइम्स का। इसी तरह 1844 में घन पारस्परिकता पर काम करते हुए गोथोल्ड ईसेनस्टीन ने रिंग की शुरुआत की $\mathbb {Z} [\omega ]$, कहाँ ${\textstyle \omega ={\frac {-1+{\sqrt {-3}}}{2}},}$   $\omega ^{3}=1$ एकता का घनमूल है। यह आइज़ेंस्ताइन पूर्णांकों का वलय है, और उन्होंने सिद्ध किया कि इसकी छह इकाइयाँ हैं $\pm 1,\pm \omega ,\pm \omega ^{2}$ और इसका अद्वितीय गुणनखंड है।

हालाँकि, यह भी पता चला कि अद्वितीय गुणनखंड हमेशा नहीं होता है। द्वारा एक उदाहरण दिया गया है $\mathbb {Z} [{\sqrt {-5}}]$. इस अंगूठी में एक है

$6=2\cdot 3=\left(1+{\sqrt {-5}}\right)\left(1-{\sqrt {-5}}\right).$

इस तरह के उदाहरणों ने अभाज्य की धारणा को संशोधित किया। में $\mathbb {Z} \left[{\sqrt {-5}}\right]$ यह सिद्ध किया जा सकता है कि यदि उपरोक्त में से किसी भी कारक को उत्पाद के रूप में दर्शाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, 2 = ab, तो a या b में से एक एक इकाई होना चाहिए। यह प्राइम की पारंपरिक परिभाषा है। यह भी सिद्ध किया जा सकता है कि इनमें से कोई भी कारक यूक्लिड की प्रमेयिका का पालन नहीं करता है; उदाहरण के लिए, 2 न तो विभाजित करता है (1 + √−5) न ही (1 - √−5) भले ही यह उनके उत्पाद 6 को विभाजित करता है। बीजगणितीय संख्या सिद्धांत में 2 को अप्रासंगिक तत्व कहा जाता है $\mathbb {Z} \left[{\sqrt {-5}}\right]$ (केवल स्वयं या एक इकाई द्वारा विभाज्य) लेकिन अभाज्य तत्व नहीं $\mathbb {Z} \left[{\sqrt {-5}}\right]$ (यदि यह किसी उत्पाद को विभाजित करता है तो इसे कारकों में से एक को विभाजित करना होगा)। का उल्लेख $\mathbb {Z} \left[{\sqrt {-5}}\right]$ आवश्यक है क्योंकि 2 अभाज्य है और इसमें अप्रासंगिक है $\mathbb {Z} .$ इन परिभाषाओं का उपयोग करके यह सिद्ध किया जा सकता है कि किसी भी अभिन्न डोमेन में एक अभाज्य अलघुकरणीय होना चाहिए। यूक्लिड की शास्त्रीय लेम्मा को पूर्णांकों के वलय के रूप में फिर से परिभाषित किया जा सकता है $\mathbb {Z}$ हर इर्रेड्यूबल प्राइम है। में भी यह सच है $\mathbb {Z} [i]$ और $\mathbb {Z} [\omega ],$ लेकिन अंदर नहीं $\mathbb {Z} [{\sqrt {-5}}].$ जिन रिंगों में इरेड्यूसिबल्स में गुणनखंड अनिवार्य रूप से अद्वितीय होता है, उन्हें अद्वितीय गुणनखंडन डोमेन कहा जाता है। महत्वपूर्ण उदाहरण पूर्णांकों या एक क्षेत्र (गणित), यूक्लिडियन डोमेन और प्रमुख आदर्श डोमेन पर बहुपद के छल्ले हैं।

1843 में गंभीर दु:ख ने आदर्श संख्या की अवधारणा पेश की, जिसे रिचर्ड डेडेकिंड (1876) ने आइडियल (रिंग थ्योरी) के आधुनिक सिद्धांत, रिंगों के विशेष उपसमुच्चय में और विकसित किया। गुणा को आदर्शों के लिए परिभाषित किया गया है, और जिन छल्लों में उनका अद्वितीय गुणनखंड है, उन्हें डेडेकिंड डोमेन कहा जाता है।

क्रमिक अंकगणित का एक संस्करण है, हालांकि इसे विशिष्टता सुनिश्चित करने के लिए कुछ अतिरिक्त शर्तों की आवश्यकता होती है।

यह भी देखें

• Integer factorization
• Prime signature

संदर्भ

The Disquisitiones Arithmeticae has been translated from Latin into English and German. The German edition includes all of his papers on number theory: all the proofs of quadratic reciprocity, the determination of the sign of the Gauss sum, the investigations into biquadratic reciprocity, and unpublished notes.

• Gauss, Carl Friedrich (1986), Disquisitiones Arithemeticae (Second, corrected edition), translated by Clarke, Arthur A., New York: Springer, ISBN 978-0-387-96254-2
• Gauss, Carl Friedrich (1965), Untersuchungen über hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithemeticae & other papers on number theory) (Second edition) (in Deutsch), translated by Maser, H., New York: Chelsea, ISBN 0-8284-0191-8

The two monographs Gauss published on biquadratic reciprocity have consecutively numbered sections: the first contains §§ 1–23 and the second §§ 24–76. Footnotes referencing these are of the form "Gauss, BQ, § n". Footnotes referencing the Disquisitiones Arithmeticae are of the form "Gauss, DA, Art. n".

• Gauss, Carl Friedrich (1828), Theoria residuorum biquadraticorum, Commentatio prima, Göttingen: Comment. Soc. regiae sci, Göttingen 6
• Gauss, Carl Friedrich (1832), Theoria residuorum biquadraticorum, Commentatio secunda, Göttingen: Comment. Soc. regiae sci, Göttingen 7

These are in Gauss's Werke, Vol II, pp. 65–92 and 93–148; German translations are pp. 511–533 and 534–586 of the German edition of the Disquisitiones.

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• Weisstein, Eric W., "Abnormal number", MathWorld
• Weisstein, Eric W., "Fundamental Theorem of Arithmetic", MathWorld

बाहरी संबंध

• Why isn’t the fundamental theorem of arithmetic obvious?
• GCD and the Fundamental Theorem of Arithmetic at cut-the-knot.
• PlanetMath: Proof of fundamental theorem of arithmetic
• Fermat's Last Theorem Blog: Unique Factorization, a blog that covers the history of Fermat's Last Theorem from Diophantus of Alexandria to the proof by Andrew Wiles.
• "Fundamental Theorem of Arithmetic" by Hector Zenil, Wolfram Demonstrations Project, 2007.
• Grime, James, "1 and Prime Numbers", Numberphile, Brady Haran, archived from the original on 2021-12-11