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素数与算术基本定理

素数是乘法的“原子”。每个大于 1 的整数都恰好以唯一的方式分解为素数——而这种唯一性配得上它宏大的名字。

素数、合数,以及 1 这个特殊情形

[[alg-prime-number|素数]]是大于 1 的整数,它的正因数只有 1 和它本身:2, 3, 5, 7, 11, 13, … 。任何大于 1 而不是素数的数都是[[composite-number|合数]]——它能进一步分解,比如 6 = 2·3 或 9 = 3·3。数 1 被特意规定为既非素数也非合数;若把它算作素数,就会破坏我们即将赞颂的唯一性。

把一个数分解成素数

[[prime-factorization|素因数分解]]把一个合数写成素数的乘积。可靠的方法是用因数树:一次次剥离你能找到的最小素因数,直到只剩素数为止。

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. ✓
反复除以可用的最小素数,得到 360 = 2^3 · 3^2 · 5。

为何分解是唯一的

[[fundamental-theorem-of-arithmetic|算术基本定理]]指出,每个大于 1 的整数都恰好以一种方式(不计因数顺序)表示为素数之积。你绝不会找到一条通往 360 的路径以 2^3·3^2·5 收尾,而另一条却以 7·某数 收尾。这正是素数配得上“整数的基石”这一称号的原因。

唯一性正是数论运转的根基。它保证了两个没有公共素因数的数确实“互素”,并让我们能直接从素数清单读出整除关系、GCF 等等。我们将一次次依靠它。