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素因数分解と算術の基本定理md e45bc71
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素因数分解そいんすうぶんかいと算術さんじゅつの基本定理きほんていり

date2026-07-14document_iddoc_949c6893002676a81ff281185caeaeebdescription整数の素因数分解を、ユークリッドの互除法とEuclidの補題から証明し、多項式の因数分解との違いを整理する講義である。prerequisites整数の性質の基本 / ユークリッドの互除法と一次不定方程式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/polynomial-factorization.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/diophantine-equations-and-infinite-descent.lecture.n.md / data/reference/math/algebra/divisor-and-prime-factorization-techniques.reference.n.md / data/exercise/math/algebra/integer-properties-and-prime-factorization.exercise.n.md
mathalgebranumber-theoryprime-factorizationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、素因数分解そいんすうぶんかいを「整数せいすうを素数そすうに分わける計算けいさん」だけでなく、整数せいすうの掛かけ算ざんにおける基本部品きほんぶひんを調しらべる理論りろんとして理解りかいする。

多項式たこうしきの因数分解いんすうぶんかいでは、対象たいしょうは多項式たこうしきであり、因数いんすうも多項式たこうしきである。素因数分解そいんすうぶんかいでは、対象たいしょうは整数せいすうであり、基本部品きほんぶひんは素数そすうである。

data/lecture/math/algebra/polynomial-factorization.lecture.n.md

2定義ていぎ:素数そすうと素因数分解そいんすうぶんかい

1 より大おおきい整数せいすう p が、正せいの約数やくすうとして 1 と p しか持もたないとき、p を素数そすうという。

2 以上いじょうの整数せいすう n を素数そすうの積せきとして

n=p1p2⋯pk

と表あらわすことを、n の素因数分解そいんすうぶんかいという。

3なぜ互除法ごじょほうが必要ひつようなのか

素因数分解そいんすうぶんかいで本当ほんとうに大切たいせつなのは、「分解ぶんかいできる」ことだけではない。「分解ぶんかいの仕方しかたが順序じゅんじょを除のぞいて一意いちいである」ことである。

この一意性いちいせいを証明しょうめいするには、素数そすう p が積せき ab を割わり切きるとき、p は a または b のどちらかを割わり切きる、という性質せいしつが必要ひつようになる。その根拠こんきょを与あたえるのが Euclid の互除法ごじょほうと Bezout 表示ひょうじである。

data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md

4補題ほだい 1:Euclid の補題ほだい

4.1仮定かてい

p を素数そすうとし、a,b を整数せいすうとする。p∣ab とする。

4.2結論けつろん

p∣aまたはp∣b

である。

4.3証明しょうめい

p∣a なら結論けつろんは成立せいりつする。そこで p∤a とする。

p は素数そすうであり、p∤a だから、p と a の最大公約数さいだいこうやくすうは 1 である。したがって、Bezout 表示ひょうじにより、ある整数せいすう u,v が存在そんざいして

up+va=1

と書かける。

この両辺りょうへんに b を掛かけると、

upb+vab=b

である。p∣upb は明あきらかであり、仮定かてい p∣ab から p∣vab である。したがって p は左辺さへんを割わり切きるので、p∣b である。□

5定理ていり 1:算術さんじゅつの基本定理きほんていり

5.1仮定かてい

n を 2 以上いじょうの整数せいすうとする。

5.2結論けつろん

n は素数そすうの積せきとして表あらわせる。また、その表あらわし方かたは順序じゅんじょを除のぞいて一意いちいである。

5.3証明しょうめい:存在そんざい

n について数学的帰納法すうがくてききのうほうを使つかう。

n が素数そすうなら、n 自身じしんが素数そすうの積せきである。n が素数そすうでないなら、n は合成数ごうせいすうなので、

n=ab,1<a<n,1<b<n

と書かける。帰納法きのうほうの仮定かていにより、a,b はそれぞれ素数そすうの積せきに分わけられる。よって n=ab も素数そすうの積せきに分わけられる。

5.4証明しょうめい:一意性いちいせい

n=p1p2⋯pk=q1q2⋯ql

という二ふたつの素因数分解そいんすうぶんかいがあるとする。p1 は左辺さへんを割わり切きるので、右辺うへん q1q2⋯ql も割わり切きる。

Euclid の補題ほだいを繰くり返かえし使つかうと、p1 は qj のどれかを割わり切きる。qj は素数そすうだから、p1=qj である。

そこでこの共通きょうつうの素数そすうを両辺りょうへんから約やくす。同おなじ議論ぎろんを繰くり返かえすと、現あらわれる素数そすうは順序じゅんじょを除のぞいて一致いっちする。したがって素因数分解そいんすうぶんかいは一意いちいである。□

6因数分解いんすうぶんかいとの違ちがい

対象たいしょう分解ぶんかい基本部品きほんぶひん一意性いちいせい
整数せいすう60=22·3·5素数そすう順序じゅんじょを除のぞいて一意いちい
多項式たこうしきx2-1=(x-1)(x+1)既約多項式きやくたこうしき係数けいすうの範囲はんいに依存いぞん

7一言ひとことでいうと

素因数分解そいんすうぶんかいは、整数せいすうの掛かけ算ざんを素数そすうという基本部品きほんぶひんへ分解ぶんかいする理論りろんである。その一意性いちいせいは、Euclid の補題ほだいと互除法ごじょほうに支ささえられている。

8関連かんれんリンク

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9演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/algebra/integer-properties-and-prime-factorization.exercise.n.md

10定石じょうせきリンク

data/reference/math/algebra/divisor-and-prime-factorization-techniques.reference.n.md
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