Getallen: Gehele getallen
Grootste gemene deler en kleinste gemene veelvoud
minimum en maximum
Als #a# en #b# twee reële getallen zijn, dan kunnen we ze vergelijken. We schrijven
#\min(a,b)# voor het minimum (de kleinste) van #a# en #b#, en
#\max(a,b)# voor het maximum (de grootste) van #a# en #b#.
Bijvoorbeeld:
- #\max(3,8)=8# en #\max(-3,-8)=-3#, terwijl
- #\min(3,8)=3# en #\min(-3,-8)=-8#.
gcd en lcm
De grootste gemene deler van twee natuurlijke getallen #a# en #b# is het grootste natuurlijke getal dat zowel #a# als #b# deelt. Dit getal wordt genoteerd als #\gcd(a,b)# (vanwege de Engelse benaming: greatest common divisor).
Het kleinste gemene veelvoud van twee natuurlijke getallen #a# en #b# is het kleinste natuurlijke getal dat zowel een veelvoud van #a# als van #b# is. Dit getal wordt genoteerd als #{\rm lcm}(a,b)# (vanwege de Engelse benaming: least common multiple).
Het woord "gemene" is ouderwets taalgebruik en betekent hier "gemeenschappelijke".
Voorbeelden:
\[\begin{array}{rclcrcl}\gcd(2,3)&=&1&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(2,3) &=&6\\ \gcd(4,6)&=&2&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(4,6) &=&12\\ \gcd(4,4)&=&4&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(4,4) &=&4\end{array}\]
Laat #a# en #b# natuurlijke getallen zijn. Er zijn altijd getallen die zowel #a# als #b# delen, want #1# is een voorbeeld.
Elk getal dat #a# en #b# deelt, is kleiner dan of gelijk aan #\min(a,b)#. Daarom bestaat er een grootste gemeenschappelijke deler, en geldt \[1\le \gcd(a,b)\le\min(a,b)\tiny.\]
Er is altijd een getal dat zowel een veelvoud van #a# als van #b# is, namelijk #a\times b#. Anderzijds is zo'n gemeenschappelijk veelvoud groter dan of gelijk aan #\max(a,b)#. Daarom bestaat er een kleinste gemeeenschappelijk veelvoud, en geldt \[\max(a,b)\le {\rm lcm}(a,b)\le a\times b\tiny.\]
Er is ook een grootste gemene deler en een kleinste gemene veelvoud van meer dan twee getallen. Bijvoorbeeld \[\begin{array}{rclcrcl}\gcd(2,3,6)&=&1&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(2,3,6) &=&6\\ \gcd(2,4,6)&=&2&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(2,4,6) &=&12\\ \gcd(4,6,8)&=&2&\phantom{xxxxx}&{\rm lcm}(4,6,8) &=&24\end{array}\]In het algemeen geldt voor drie natuurlijke getallen #a#, #b# en #c#:
\[ \gcd(a,b,c)=\gcd\left(\gcd(a,b),c\right)\tiny.\]
Ook voor gehele getallen die niet positief zijn, definiëren we de grootste gemene deler (gcd) en het kleinste gemene veelvoud (lcm).
gcd en lcm voor willekeurige gehele getallen
Laat #a# en #b# gehele getallen zijn.
- #\gcd(a,0) =\gcd(0, a)=a# en #{\rm lcm}(a,0)={\rm lcm}(0,a)=0#
- #\gcd(a,b)=\gcd(-a,b)=\gcd(a,-b)=\gcd(-a,-b)#
- #{\rm lcm}(a,b)={\rm lcm}(-a,b)={\rm lcm}(a,-b)={\rm lcm}(-a,-b)#
De definitie #\gcd(a,0)=0# is in overeenstemming met de definitie, want #a# deelt zowel #0# als zichzelf en is het grootste natuurlijke getal met die eigenschap.
Alle gelijkheden in de laatste twee regels van de definitie geven aan dat voor de definitie van #\gcd# en #\rm lcm# het teken er niet toe doet.
De waarden van #\gcd# en #\rm lcm# zijn nooit negatief.
Voorbeeld: #\gcd(15,-20)=\gcd(15,20)=5#.
De hoogste macht van een priemgetal #p# dat #a# deelt, is het grootste getal dat #a# deelt en de vorm #p^c# heeft voor een niet-negatief geheel getal #c#. Deze machten kunnen we gebruiken om de grootste gemene deler van twee gehele getallen te bepalen.
gcd-regels
Laat #a# een natuurlijk getal zijn, en #b# een niet-negatief geheel getal.
- Als #m# een natuurlijk getal is dat #a# en #b# deelt, dan geldt #\gcd( a, b) = m\times\gcd\left(\frac{a}{m},\frac{b}{m}\right)#.
- #\gcd(a,b) = \gcd(r,b)#, waarbij #r# de rest is bij deling van #a# door #b#.
- #\gcd(a,b)# is het product van de hoogste machten van een priemgetal die zowel #a# als #b# delen.
- #{\rm lcm}(a,b)# is het product van de hoogste machten van een priemgetal die #a# of #b# (of beide) delen.
- #{\rm lcm}(a,b) = \frac{a\times b}{\gcd(a,b)}#.
De bewijzen laten we achterwege, maar we merken op dat alle uitspraken volgen uit regels 3 en 4.
Enkele voorbeelden:
- #\gcd(42,28)=\gcd(7\times 6,7\times4) =7\times\gcd(6,4)= 14#.
- Het getal #14# is de rest bij deling van #42# door #28#, dus #\gcd(42,28) = \gcd(14,28)#.
- #\gcd(42,28)=\gcd(2\times3\times7,2^2\times7)=2\times7=14#, want #2# is de hoogste macht van #2# die zowel #42# als #28# deelt, evenzo voor #7#, en #1# is de hoogste macht van #3# die zowel #42# als #28# deelt.
- #{\rm lcm}(42,28)={\rm lcm}(2\times3\times7,2^2\times7)=2^2\times3\times7=84#, want #2^2# is de hoogste macht van #2# die #42# of #28# deelt, en evenzo voor #3# en #7#.
- #{\rm lcm}(42,28) = 84=42\times 2=\frac{42\times 28}{14}=\frac{42\times 28}{\gcd(42,28)}#.
Als de ontbinding van de getallen #a# en #b# bekend is, dan werken regels 3 en 4 erg snel om de gcd te bepalen. Als dat niet het geval is, dan biedt regel 2 uitkomst, zoals onderstaand algoritme laat zien.
Een algoritme is een stel stappen die achter elkaar uitgevoerd moeten worden om van een bepaald type gegevens een bepaald voorgeschreven resultaat te bereiken. Bij de presentatie van een algoritme, beginnen we te specificeren met welke gegevens het algoritme begint, de invoer, en wat het algoritme oplevert, de uitvoer. Vervolgens geven we de stappen aan waar het algoritme uit bestaat.
Het Euclidisch algoritme
invoer: een paar #\rv{a,b}# van een niet-negatief geheel getal #a# en een natuurlijk getal #b#
uitvoer: #\gcd(a,b)#
- #\rv{r,s}= \rv{\max(a,b),\min(a,b)}#
- blijf #\rv{r,s}# vervangen door #\rv{s,t}#, waarbij #t# de rest bij deling van #r# door #s# is, totdat #s=0#
- voer #r# uit
Voor de rest #t# in stap 2 geldt de formule #t=r-\left\lfloor \frac{r}{s}\right\rfloor\times s#.
Elke instantie van het paar #\rv{r,s}# voldoet aan #\gcd(r,s)=\gcd(a,b)#:
1. In het begin omdat #\rv{r,s}# gelijk is aan #\rv{a,b}# of #\rv{b,a}#,
2. Aan het einde van elke stap 2 vanwege gcd-regel 2.
Als we klaar zijn met stap 2, dan geldt #s=0# en volgt #\gcd(a,b)=\gcd(r,0)=r#. De uitvoer levert dus inderdaad #\gcd(a,b)# op.
Immers, door toepassing van het Euclidisch algoritme, vinden we
\[\begin{array}{rclcl} \gcd(650,4641)&=&\gcd(4641,650)&\phantom{x}&\color{blue}{\text{grootste voorop}}\\
&=& \gcd(650,4641-\left\lfloor\frac{ 4641}{650}\right\rfloor \times {650})= \gcd(650,91)&&\color{blue}{\text{iteratie 1}}\\
&=& \gcd(91,650-\left\lfloor \frac{650}{91}\right\rfloor\times 91)= \gcd(91,13)&&\color{blue}{\text{iteratie 2}} \\ &=& \gcd(13,91-\left\lfloor \frac{91}{13}\right\rfloor\times 13)= \gcd(13,0)&&\color{blue}{\text{iteratie 3}}\\ &=&13\tiny.&&\color{blue}{\gcd(a,0)=a}\end{array} \]
omptest.org als je een OMPT examen moet maken.