数学符号和基础知识

前言

本篇内容不需要单独学习,可以在碰到自己所不熟悉的数学符号时来本页面查阅。

在学习数学的过程中大家会见到许多复杂的公式符号。因此在学习具体内容之前,建议大家首先理解下列常见符号的含义。一些特殊的符号会在对应的章节中讲到,而这里则有一些极为常见的符号需要大家提前掌握。

渐进符号

请参见 复杂度。

整除/同余理论常见符号

整除符号:x∣yx\mid yx∣y,表示 xxx 整除 yyy,即 xxx 是 yyy 的因数。

取模符号:x mod yx\bmod yxmody,表示 xxx 除以 yyy 得到的余数。

互质符号:x⊥yx\perp yx⊥y,表示 xxx,yyy 互质。

最大公约数:gcd⁡(x,y)\gcd(x,y)gcd(x,y),在无混淆意义的时侯可以写作 (x,y)(x,y)(x,y)。

最小公倍数:lcm⁡(x,y)\operatorname{lcm}(x,y)lcm(x,y),在无混淆意义的时侯可以写作 [x,y][x,y][x,y]。

数论函数常见符号

求和符号:∑\sum∑ 符号,表示满足特定条件的数的和。举几个例子:

∑i=1ni\sum_{i=1}^n i∑i=1n​i 表示 1+2+⋯+n1+2+\dotsb+n1+2+⋯+n 的和。其中 iii 是一个变量,在求和符号的意义下 iii 通常是 正整数或者非负整数(除非特殊说明)。这个式子的含义可以理解为,iii 从 111 循环到 nnn,所有 iii 的和。这个式子用代码的形式很容易表达。当然,学过简单的组合数学的同学都知道 ∑i=1ni=n(n+1)2\sum_{i=1}^n i=\dfrac{n(n+1)}{2}∑i=1n​i=2n(n+1)​。

∑S⊆T∣S∣\sum_{S\subseteq T}|S|∑S⊆T​∣S∣ 表示所有被 TTT 包含的集合的大小的和。

∑p≤n,p⊥n1\sum_{p\le n,p\perp n}1∑p≤n,p⊥n​1 表示的是 nnn 以内有多少个与 nnn 互质的数,即 φ(n)\varphi(n)φ(n),φ\varphiφ 是欧拉函数。

求积符号:∏\prod∏ 符号,表示满足特定条件的数的积。举几个例子:

∏i=1ni\prod_{i=1}^ni∏i=1n​i 表示 nnn 的阶乘,即 n!n!n!。在组合数学常见符号中会讲到。

∏i=1nai\prod_{i=1}^na_i∏i=1n​ai​ 表示 a1×a2×a3×⋯×ana_1\times a_2\times a_3\times \dotsb\times a_na1​×a2​×a3​×⋯×an​。

∏x∣dx\prod_{x|d}x∏x∣d​x 表示 ddd 的所有因数的乘积。

在行间公式中,求和符号与求积符号的上下条件会放到符号的上面和下面,这一点要注意。

其他常见符号

阶乘符号 !!!,n!n!n! 表示 1×2×3×⋯×n1\times 2\times 3\times \dotsb \times n1×2×3×⋯×n。特别地,0!=10!=10!=1。

向下取整符号:⌊x⌋\lfloor x\rfloor⌊x⌋,表示小于等于 xxx 的最大的整数。常用于分数,比如分数的向下取整 ⌊xy⌋\left\lfloor\dfrac{x}{y}\right\rfloor⌊yx​⌋。

向上取整符号:⌈x⌉\lceil x\rceil⌈x⌉,与向下取整符号相对,表示大于等于 xxx 的最小的整数。

组合数:(xy)\binom{x}{y}(yx​)

第一类斯特林数:[xy]x\brack y[yx​]

第二类斯特林数:{xy}x\brace y{yx​}

本文对于数论的开头部分做一个简介。

整除

定义

设 a,b∈Za,b\in\mathbf{Z}a,b∈Z,a≠0a\ne 0a=0。如果 ∃q∈Z\exists q\in\mathbf{Z}∃q∈Z,使得 b=aqb=aqb=aq,那么就说 bbb 可被 aaa 整除,记作 a∣ba\mid ba∣b;bbb 不被 aaa 整除记作 a∤ba\nmid ba∤b。

整除的性质:

a∣b ⟺ −a∣b ⟺ a∣−b ⟺ ∣a∣∣∣b∣a\mid b\iff-a\mid b\iff a\mid-b\iff|a|\mid|b|a∣b⟺−a∣b⟺a∣−b⟺∣a∣∣∣b∣

a∣b∧b∣c ⟹ a∣ca\mid b\land b\mid c\implies a\mid ca∣b∧b∣c⟹a∣c

a∣b∧a∣c ⟺ ∀x,y∈Z,a∣(xb+yc)a\mid b\land a\mid c\iff\forall x,y\in\mathbf{Z}, a\mid(xb+yc)a∣b∧a∣c⟺∀x,y∈Z,a∣(xb+yc)

a∣b∧b∣a ⟹ b=±aa\mid b\land b\mid a\implies b=\pm aa∣b∧b∣a⟹b=±a

设 m≠0m\ne0m=0,那么 a∣b ⟺ ma∣mba\mid b\iff ma\mid mba∣b⟺ma∣mb。

设 b≠0b\ne0b=0,那么 a∣b ⟹ ∣a∣≤∣b∣a\mid b\implies|a|\le|b|a∣b⟹∣a∣≤∣b∣。

设 a≠0,b=qa+ca\ne0,b=qa+ca=0,b=qa+c,那么 a∣b ⟺ a∣ca\mid b\iff a\mid ca∣b⟺a∣c。

约数

定义

若 a∣ba\mid ba∣b,则称 bbb 是 aaa 的 倍数,aaa 是 bbb 的 约数。

000 是所有非 000 整数的倍数。对于整数 b≠0b\ne0b=0,bbb 的约数只有有限个。

平凡约数(平凡因数):对于整数 b≠0b\ne0b=0,±1\pm1±1、±b\pm b±b 是 bbb 的平凡约数。当 b=±1b=\pm1b=±1 时,bbb 只有两个平凡约数。

对于整数 b≠0b\ne 0b=0,bbb 的其他约数称为真约数(真因数、非平凡约数、非平凡因数)。

约数的性质:

设整数 b≠0b\ne0b=0。当 ddd 遍历 bbb 的全体约数的时候,bd\dfrac{b}{d}db​ 也遍历 bbb 的全体约数。

设整数 b>0b\gt 0b>0,则当 ddd 遍历 bbb 的全体正约数的时候,bd\dfrac{b}{d}db​ 也遍历 bbb 的全体正约数。

在具体问题中,如果没有特别说明,约数总是指正约数。

带余数除法

定义

设 a,ba,ba,b 为两个给定的整数,a≠0a\ne0a=0。设 ddd 是一个给定的整数。那么,一定存在唯一的一对整数 qqq 和 rrr,满足 b=qa+r,d≤r<∣a∣+db=qa+r,d\le r<|a|+db=qa+r,d≤r<∣a∣+d。

无论整数 ddd 取何值,rrr 统称为余数。a∣ba\mid ba∣b 等价于 a∣ra\mid ra∣r。

一般情况下,ddd 取 000,此时等式 b=qa+r,0≤r<∣a∣b=qa+r,0\le r<|a|b=qa+r,0≤r<∣a∣ 称为带余数除法(带余除法)。这里的余数 rrr 称为最小非负余数。

余数往往还有两种常见取法:

绝对最小余数:ddd 取 aaa 的绝对值的一半的相反数。即 b=qa+r,−∣a∣2≤r<∣a∣−∣a∣2b=qa+r,-\dfrac{|a|}{2}\le r<|a|-\dfrac{|a|}{2}b=qa+r,−2∣a∣​≤r<∣a∣−2∣a∣​。

最小正余数:ddd 取 111。即 b=qa+r,1≤r<∣a∣+1b=qa+r,1\le r<|a|+1b=qa+r,1≤r<∣a∣+1。

带余数除法的余数只有最小非负余数。如果没有特别说明,余数总是指最小非负余数。

余数的性质:

任一整数被正整数 aaa 除后,余数一定是且仅是 000 到 (a−1)(a-1)(a−1) 这 aaa 个数中的一个。

相邻的 aaa 个整数被正整数 aaa 除后,恰好取到上述 aaa 个余数。特别地,一定有且仅有一个数被 aaa 整除。

互素

定义

若 (a1,a2)=1(a_1,a_2)=1(a1​,a2​)=1,则称 a1a_1a1​ 和 a2a_2a2​ 互素(既约)。

若 (a1,…,ak)=1(a_1,\ldots,a_k)=1(a1​,…,ak​)=1,则称 a1,…,aka_1,\ldots,a_ka1​,…,ak​ 互素(既约)。

多个整数互素,不一定两两互素。例如 666、101010 和 151515 互素,但是任意两个都不互素。

素数与合数

定义

设整数 p≠0,±1p\ne0,\pm1p=0,±1。如果 ppp 除了平凡约数外没有其他约数,那么称 ppp 为 素数(不可约数)。

若整数 a≠0,±1a\ne0,\pm 1a=0,±1 且 aaa 不是素数,则称 aaa 为 合数。

我已完成本知识点的学习!

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