나눗셈 정리

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1. 개요2. 증명
2.1. 존재성2.2. 유일성
3. 활용4. 관련 문서


Division Algorithm

1. 개요[편집]

처음 나눗셈을 배울 때 몫과 나머지가 당연히 존재한다고 생각하고 나눗셈을 한다. 하지만 소인수분해의 존재성과 마찬가지로 몫과 나머지의 존재성은 당연한 결과가 아니며[1] 수학적인 증명이 필요하다. 나눗셈 정리는 우리가 나눗셈을 통해 몫과 나머지를 자연스럽게 구하게 할 수 있게 만들어 주는 정리이다. 자세한 정리는 아래와 같다.
임의의 양의 정수 a,ba,b에 대하여, b=aq+r,(0r<a)b=aq+r,\,\left(0\leq r<a\right)를 만족시키는 정수 q,rq,r유일하게 존재한다.

2. 증명[편집]

크게 존재성과 유일성, 두 파트로 나뉜다.

2.1. 존재성[편집]

집합 A={bnanZ,ban0}A=\left\{b-na|n\in \mathbb{Z},\, b-an\geq0\right\}을 생각하자. 그럼 집합 AA는 공집합이 아니고,[2] ANA\subseteq \mathbb{N}[3]이므로 well-ordering 원리에 의해 집합 AA에는 가장 작은 원소가 존재한다. 그 원소를 rr이라 하면 적당한 정수 qq에 대해 r=baqr=b-aq로 표시된다. 즉, b=aq+rb=aq+r이고 r0r\geq0이다. 만약 rar\geq a라 가정하면 b(q+1)a=baqa=ra0b-\left(q+1\right)a=b-aq-a=r-a\geq0이므로 raAr-a\in A이다. 그런데 a>0a>0이므로 ra<rr-a<r이고, 이는 곧 rr이 집합 AA의 가장 작은 원소라는 사실에 모순된다. 따라서 r<ar<a이다.

2.2. 유일성[편집]

정수 p,sp,sb=ap+s,(0s<a)b=ap+s,\,\left(0\leq s<a\right)을 만족시킨다고 하자. 그러면 ap+s=aq+rap+s=aq+r로 부터 (pq)a=rs\left(p-q\right)a=r-s이다. 여기서 만약 pqp\neq q이라고 하면,[4] apqa\left|a\right|\leq\left|p-q\right|\cdot\left|a\right|[5]=(pq)a=rs<a=\left|\left(p-q\right)a\right|=\left|r-s\right|<\left|a\right|가 되어 모순이다. 따라서 p=qp=q이어야 하고, 이는 곧 r=sr=s를 의미한다. 즉, 몫과 나머지가 유일하게 존재한다.

3. 활용[편집]

이 당연해 보이는 성질을 어떻게 활용하냐면, 정수론에서의 유클리드 호제법이나 다항식에서의 나머지 정리 등, 여러 가지로 활용된다. 유클리드 호제법은 이 나눗셈 정리가 없다면 애초에 성립조차 할 수 없으며, 이 나눗셈 정리의 다항식 버전이 고등학교에서 배우는 나머지 정리가 되기 때문. 또한, 최대공약수의 성질의 증명에서도 활용된다. 즉, 나눗셈 정리는 정수론의 기초 중에 기초라고 할 수 있다.

4. 관련 문서[편집]

[1] 당장 정수에서 유리수로만 올라가도 나머지가 존재하지 않는다.[2] n=0n=0일 때, bAb\in A이므로.[3] 집합론에서는 0도 자연수에 포함한다고 본다. 그러는 편이 덧셈의 항등원이 존재하니 더 풍부한 성질을 갖기고 하고...[4] 즉 몫과 나머지가 유일하지 않다고 하면[5] p,qp,q가 둘 다 정수이고, pqp\neq q이므로, 두 수의 차의 절대값은 최소 1 이상이다.