【欧拉函数公式】在数论中,欧拉函数(Euler's Totient Function)是一个非常重要的函数,常用于计算与某个正整数互质的正整数个数。该函数通常用符号 φ(n) 表示,其中 n 是一个正整数。φ(n) 的值表示在 1 到 n 之间(包括 1 和 n)与 n 互质的正整数的个数。
一、欧拉函数的基本定义
对于任意正整数 n,欧拉函数 φ(n) 定义为:
> φ(n) = 1 到 n 中与 n 互质的整数的个数。
互质指的是两个数的最大公约数为 1。
二、欧拉函数的计算公式
1. 当 n 是质数时
如果 n 是质数 p,则 φ(p) = p - 1。因为除了 p 本身外,所有小于 p 的正整数都与 p 互质。
2. 当 n 是质数的幂次时
若 n = p^k,其中 p 是质数,k 是正整数,则:
$$
φ(p^k) = p^k - p^{k-1} = p^{k-1}(p - 1)
$$
3. 当 n 是多个质数的乘积时
若 n = p₁^k₁ × p₂^k₂ × ... × pₘ^kₘ,其中 p₁, p₂, ..., pₘ 是不同的质数,则:
$$
φ(n) = n \times \prod_{i=1}^{m} \left(1 - \frac{1}{p_i}\right)
$$
这个公式是欧拉函数的核心公式之一,适用于任何正整数 n。
三、欧拉函数的性质
| 性质 | 描述 |
| 1 | φ(1) = 1 |
| 2 | 若 a 和 b 互质,则 φ(ab) = φ(a) × φ(b) |
| 3 | 对于任意正整数 n,有 φ(n) ≤ n - 1,等号成立当且仅当 n 是质数 |
| 4 | 当 n > 1 时,φ(n) 是偶数 |
四、常见数值举例(表格)
| n | φ(n) | 说明 |
| 1 | 1 | 只有一个数 1,与自身互质 |
| 2 | 1 | 1 与 2 互质 |
| 3 | 2 | 1 和 2 与 3 互质 |
| 4 | 2 | 1 和 3 与 4 互质 |
| 5 | 4 | 1, 2, 3, 4 与 5 互质 |
| 6 | 2 | 1 和 5 与 6 互质 |
| 7 | 6 | 所有 1~6 的数都与 7 互质 |
| 8 | 4 | 1, 3, 5, 7 与 8 互质 |
| 9 | 6 | 1, 2, 4, 5, 7, 8 与 9 互质 |
| 10 | 4 | 1, 3, 7, 9 与 10 互质 |
五、总结
欧拉函数 φ(n) 是数论中的基础工具,广泛应用于密码学、模运算、数论证明等领域。其核心公式为:
$$
φ(n) = n \times \prod_{p
$$
其中 p 是 n 的质因数。通过理解这一函数及其性质,可以更深入地掌握数论中的许多重要概念和应用。
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