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質數與算術基本定理

質數是乘法的「原子」。每個大於 1 的整數都恰好以唯一的方式分解為質數——而這種唯一性配得上它宏大的名字。

質數、合數,以及 1 這個特殊情形

[[alg-prime-number|質數]]是大於 1 的整數,它的正因數只有 1 和它本身:2, 3, 5, 7, 11, 13, … 。任何大於 1 而不是質數的數都是[[composite-number|合數]]——它能進一步分解,比如 6 = 2·3 或 9 = 3·3。數 1 被特意規定為既非質數也非合數;若把它算作質數,就會破壞我們即將讚頌的唯一性。

把一個數分解成質數

[[prime-factorization|質因數分解]]把一個合數寫成質數的乘積。可靠的方法是用因數樹:一次次剝離你能找到的最小質因數,直到只剩質數為止。

Factor 360:
  360 ÷ 2 = 180
  180 ÷ 2 =  90
   90 ÷ 2 =  45
   45 ÷ 3 =  15
   15 ÷ 3 =   5
    5 is prime — stop.

360 = 2 · 2 · 2 · 3 · 3 · 5
    = 2^3 · 3^2 · 5

Check: 8 · 9 · 5 = 72 · 5 = 360. ✓
反覆除以可用的最小質數,得到 360 = 2^3 · 3^2 · 5。

為何分解是唯一的

[[fundamental-theorem-of-arithmetic|算術基本定理]]指出,每個大於 1 的整數都恰好以一種方式(不計因數順序)表示為質數之積。你絕不會找到一條通往 360 的路徑以 2^3·3^2·5 收尾,而另一條卻以 7·某數 收尾。這正是質數配得上「整數的基石」這一稱號的原因。

唯一性正是數論運轉的根基。它保證了兩個沒有公共質因數的數確實「互質」,並讓我們能直接從質數清單讀出整除關係、GCF 等等。我們將一次次依靠它。