Funkcio φ

El Vikipedio, la libera enciklopedio
Saltu al: navigado, serĉo
Matematikaj funkcioj
Fonto-aro, Celo-aro, Bildo, Kontraŭcelo-aro
Fundamentaj funkcioj
algebraj funkcioj:
konstantalinearakvadratapolinomaracionalaTransformo de Möbius
ceteraj funkcioj:
trigonometriajinversa trigonometriahiperbolaeksponentalogaritmapotenca
Specialaj funkcioj
eraraβΓζηW de Lambertde Bessel
Nombroteoriaj funkcioj:
τσde Möbiusφπλ
Ecoj:
pareco kaj malparecomonotonecobaritecoperiodecoenĵetecosurĵetecoensurĵeteco
kontinuecoderivaĵecoinegralebleco
La unuaj mil valoroj de φ(n)

En nombroteorio, la eŭlera φ funkcio φ(n) de pozitiva entjero n estas difinita kiel kvanto de pozitivaj entjeroj malpli grandaj ol aŭ egala al n , kiuj estas interprimoj al n. Ekzemple, φ(9)=6 pro tio, ke la ses nombroj 1, 2, 4, 5, 7 kaj 8 estas interprimoj al 9.

La funkcio estas nomita pro svisa matematikisto Leonhard Euler, kiu studis ĝin.

La eŭlera kuna φ funkcio de n estas difinita kiel n-φ(n), la kvanto de pozitivaj entjeroj malpli grandaj ol aŭ egala al n , kiu estas ne interprimoj al n.

La φ funkcio estas grava ĉefe, ĉar ĝi donas la amplekson de la multiplika grupo de entjeroj module n. φ(n) estas ordo de grupo de unuoj de ringo \mathbb{Z}/n\mathbb{Z}. Ĉi tiu fakto, kaj ankaŭ teoremo de Lagrange koncerne al grupa teorio provizas pruvon de la eŭlera teoremo.

Komputado de φ funkcio[redakti | redakti fonton]

φ(1)=1
φ(pk)=(p-1)p(k-1) por prima p

φ estas multiplika funkcio, ĉi tio estas, ke se m kaj n estas interprimoj do φ(mn) = φ(m)φ(n).

La valoro de φ(n) povas tial esti komputita per la fundamenta teoremo de aritmetiko: se

n = p_1^{k_1} \cdots p_r^{k_r} ,

kie pj estas diversaj primoj, do

\varphi(n)=(p_{1}-1)p_{1}^{k_{1}-1} \cdots (p_{r}-1)p_{r}^{k_{r}-1}.

Ĉi tiu la lasta formulo estas la eŭlera produto kaj estas ofte skribata kiel

\varphi(n)=n\prod_{p|n}\left(1-\frac{1}{p}\right)

kun la produto ruliganta nur tra diversaj primoj p dividantaj na n.

Ekzemplo:

\varphi(36)=\varphi\left(3^2 2^2\right)=36\left(1-\frac{1}{3}\right)\left(1-\frac{1}{2}\right)=36\cdot\frac{2}{3}\cdot\frac{1}{2}=12.

La diversaj primaj faktoroj de 36 estas 2 kaj 3; duono de entjeroj inter 1 kaj 36 estas dividebla per 2, restas 18; triono de tiuj estas dividebla per 3, restas 12 interprimaj al 36. Ili estas 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31, 35.

Iuj valoroj de la funkcio[redakti | redakti fonton]

φ(n) +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 +8 +9
0+ 1 1 2 2 4 2 6 4 6
10+ 4 10 4 12 6 8 8 16 6 18
20+ 8 12 10 22 8 20 12 18 12 28
30+ 8 30 16 20 16 24 12 36 18 24
40+ 16 40 12 42 20 24 22 46 16 42
50+ 20 32 24 52 18 40 24 36 28 58
60+ 16 60 30 36 32 48 20 66 32 44
70+ 24 70 24 72 36 40 36 60 24 78
80+ 32 54 40 82 24 64 42 56 40 88
90+ 24 72 44 60 46 72 32 96 42 60

Propraĵoj[redakti | redakti fonton]

Per inversiga formulo de Möbius eblas inversigi la sumon kaj ricevi la alian formulon por φ(n):

\varphi(n)=\sum_{d\mid n} d \cdot \mu(n/d) ,

kie μ estas la kutima funkcio de Möbius difinita sur la pozitivaj entjeroj.

Laŭ eŭlera teoremo, se a estas interprimo al n (alivorte PGKD(a,n)=1), do

 a^{\varphi(n)} \equiv 1\mod n .

Ĉi tio sekvas de teoremo de Lagrange kaj tio, ke a apartenas al la multiplika grupo de \mathbb{Z}/n\mathbb{Z} , se kaj nur se a estas interprimo al n.

Generante funkcioj[redakti | redakti fonton]

La du sekvaj generantaj funkcioj aperas pro tio, ke

\sum_{d|n} \varphi(d) = n.

Serio de Dirichlet kun φ(n) estas

\sum_{n=1}^\infty \frac{\varphi(n)}{n^s}=\frac{\zeta(s-1)}{\zeta(s)} ,

kie ζ(s) estas la rimana ζ funkcio. Ĉi tio estas montrata sekve:

\zeta(s) \sum_{f=1}^\infty \frac{\varphi(f)}{f^s} = \left(\sum_{g=1}^\infty \frac{1}{g^s}\right)\left(\sum_{f=1}^\infty \frac{\varphi(f)}{f^s}\right)
\left(\sum_{g=1}^\infty \frac{1}{g^s}\right)\left(\sum_{f=1}^\infty \frac{\varphi(f)}{f^s}\right) = \sum_{h=1}^\infty \left(\sum_{fg=h} 1*\varphi(g)\right) \frac{1}{h^s}
\sum_{h=1}^\infty \left(\sum_{fg=h} \varphi(g)\right) \frac{1}{h^s} = \sum_{h=1}^\infty \left(\sum_{d|h} \varphi(d)\right) \frac{1}{h^s}
\sum_{h=1}^\infty \left(\sum_{d|h} \varphi(d)\right) \frac{1}{h^s} = \sum_{h=1}^\infty \frac{h}{h^s}
\sum_{h=1}^\infty \frac{h}{h^s} = \zeta(s-1)

La serio de Lambert estas

\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\varphi(n) q^n}{1-q^n}= \frac{q}{(1-q)^2} ,

kiu konverĝas por |q|<1.

Ĉi tiu sekvas de

\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\varphi(n) q^n}{1-q^n} =
\sum_{n=1}^{\infty} \varphi(n) \sum_{r\ge 1} q^{rn} ,

kio estas


\sum_{k\ge 1} q^k \sum_{n|k} \varphi(n) =
\sum_{k\ge 1} k q^k = \frac{q}{(1-q)^2}.

Kreskado de la funkcio[redakti | redakti fonton]

La kreskado de φ(n) kiel funkcio de n estas interesa demando. Por malgrandaj n φ(n) estas signife pli malgranda ol n, Sed por grandaj n ĉi tio ne veras. Asimptote estas

n^{1-\varepsilon}<\varphi(n)<n

por ĉiu donita ε > 0 kaj n > N(ε).

Se konsideri funkcion φ(n)/n do de la formulo pli supre

\varphi(n)/n=prod_{p|n}\left(1-\frac{1}{p}\right)

kun la produto ruliganta nur tra diversaj primoj p dividantaj na n.

Pro tio la valoroj de n respektivaj al malgrandaj valoroj de la rilatumo estas tiuj, kiuj estas produtoj de komenca segmento de vico de ĉiuj primoj. De la prima teoremo ĝi povas esti montrite, ke konstanto ε en la formulo pli supre povas pro tio esti anstataŭigita per

C\,\log \log n/ \log n.

φ(n) estas ĝenerale proksime al n en averaĝa senco:

\frac{1}{n^2} \sum_{k=1}^n \varphi(k)= \frac{3}{\pi^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\log n }{n}\right) ,

kie O estas la granda O. Ĉi tiu ankaŭ diras, ke la probablo de du pozitiva entjeroj elektitaj hazarde de {1, 2, ..., n} al esti interprimoj estas proksimume 6/\pi^2 , kiam n strebas al malfinio. Rilatanta rezulto estas la averaĝa ordo de φ(n)/n , kiu estas

\frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{\varphi(k)}{k} =
\frac{6}{\pi^2} + \mathcal{O}\left(\frac{\log n }{n}\right)

Aliaj formuloj kun la funkcio[redakti | redakti fonton]

\varphi\left(n^m\right) = n^{m-1}\varphi(n)\text{ por }m\ge 1
\sum_{d \mid n} \frac{\mu^2(d)}{\varphi(d)} = \frac{n}{\varphi(n)}
\sum_{1\le k\le n \atop (k,n)=1}\!\!k = \frac{1}{2}n\varphi(n)\text{ por }n>1
\sum_{k=1}^n\varphi(k) = \frac{1}{2}\left(1+ \sum_{k=1}^n \mu(k)\left\lfloor\frac{n}{k}\right\rfloor^2\right)
\sum_{k=1}^n\frac{\varphi(k)}{k} = \sum_{k=1}^n\frac{\mu(k)}{k}\left\lfloor\frac{n}{k}\right\rfloor
\sum_{k=1}^n\frac{k}{\varphi(k)} = \mathcal{O}(n)
\sum_{k=1}^n\frac{1}{\varphi(k)} = \mathcal{O}(\log(n))
\sum_{1\le k\le n \atop (k,m)=1} 1 = n \frac {\varphi(m)}{m} +
\mathcal{O} \left ( 2^{\omega(m)} \right ) ,

kie m > 1 estas pozitiva entjero, kaj ω(m) estas kvanto de diversaj primaj faktoroj de m. (Ĉi tiuj formulaj kalkulas kvanton de pozitivaj entjeroj malpli grandaj ol aŭ egala al n kaj interprimaj al m.)

Neegalaĵoj[redakti | redakti fonton]

Iuj neegalaĵoj kun la φ(n) estas:

\varphi(n) > \frac {n} {e^\gamma\; \log \log n + \frac {3} {\log \log n}}

por n>2, kie γ estas eŭlera konstanto,

\varphi(n) \ge \sqrt{\frac {n} {2} } por n > 0,

kaj

\varphi(n) \ge \sqrt{n}\text{ por } n > 6.

Por primo n, φ(n)=n-1. Por komponigita n:

\varphi(n) \le n-\sqrt{n}

Por ĉiu n > 1:

0<\frac{\varphi (n)}{n}<1

Por hazarda granda n, ĉi tiuj baroj ankoraŭ ne povas esti plibonigitaj, aŭ pli precize:

\liminf \frac{\varphi (n)}{n}=0 \mbox{ and } \limsup \frac{\varphi (n)}{n}=1.

Neegalaĵoj kun la φ(n) kaj la dividanta funkcio σ:

\frac {6 n^2}{\pi^2} < \varphi(n) \sigma(n) < n^2 \mbox{ por } n>1

Vidu ankaŭ[redakti | redakti fonton]

Eksteraj ligiloj[redakti | redakti fonton]