1. 개요[편집]
베주 항등식(Bézout's Identity)은 두 정수와 그 최대공약수 사이의 관계를 보여주는 항등식이다. 그 내용은 다음과 같다.
적어도 둘 중 하나는 0이 아닌 정수 가 있다. 그리고 와 의 최대공약수를 라고 하자. 이때, 다음 세 명제가 성립한다. 1. 를 만족하는 정수 가 반드시 존재한다. 2. 는 정수 에 대하여 형태로 표현할 수 있는 가장 작은 자연수이다. 3. 정수 에 대하여 형태로 표현되는 모든 정수는 의 배수이다. |
위 세 명제 중 메인은 1번이며, 1번을 증명하는 과정에서 2번 명제와 3번 명제가 따라서 증명된다.
2. 증명[편집]
증명은 다음과 같은 순서로 진행된다. 자세한 과정은 아래에 있다.
1. 꼴로 표현할 수 있는 가장 작은 자연수가 존재함을 밝힌다. 그것을 라고 하자. 2. 는 와 의 공약수임을 밝힌다. 3. 와 의 공약수는 의 약수가 되어야 함을 밝힌다. |
2.1. 단계 1[편집]
둘 중 적어도 하나는 0이 아닌 정수 , 가 있다. 이때 다음과 같은 집합 를 정의하자.
먼저 임을 보이자. 만약 라면 이다. 만약 라면 이다. 만약 라면 이라서 앞서 a의 경우와 같은 논리로 이다. 따라서 집합 는 와 중 적어도 하나를 원소로 가지므로 이다.
집합 는 정의에 따라서 자연수의 부분집합이다. 이므로 자연수의 정렬성(Well-ordering Principle)[2]에 의해 집합 는 가장 작은 원소를 가진다.
집합 의 최소 원소, 즉 꼴로 나타낼 수 있는 가장 작은 자연수는 존재한다. 그것을 라고 부르자.
먼저 임을 보이자. 만약 라면 이다. 만약 라면 이다. 만약 라면 이라서 앞서 a의 경우와 같은 논리로 이다. 따라서 집합 는 와 중 적어도 하나를 원소로 가지므로 이다.
집합 는 정의에 따라서 자연수의 부분집합이다. 이므로 자연수의 정렬성(Well-ordering Principle)[2]에 의해 집합 는 가장 작은 원소를 가진다.
집합 의 최소 원소, 즉 꼴로 나타낼 수 있는 가장 작은 자연수는 존재한다. 그것을 라고 부르자.
2.2. 단계 2[편집]
의 정의에 의해, 어떤 정수 에 대하여 이다.
나눗셈 정리에 의해, 에 속하는 임의의 원소 에 대하여 라고 할 수 있다. 만약 가 의 배수가 아니라고 가정하자.[3] 그렇다면 나머지 은 0이 아닌 인 자연수이다. 그리고 는 집합 의 원소이므로 라고 할 수 있다.
나눗셈 정리에 의해, 에 속하는 임의의 원소 에 대하여 라고 할 수 있다. 만약 가 의 배수가 아니라고 가정하자.[3] 그렇다면 나머지 은 0이 아닌 인 자연수이다. 그리고 는 집합 의 원소이므로 라고 할 수 있다.
은 를 로 나누었을 때 나머지이므로 보다 작다. 앞서 를 집합 에서 가장 값이 작은 원소로 정의했음에도 보다 작은 의 원소인 이 존재하는 것은 의 최소성을 위반하므로 모순이다. 따라서 처음의 가정인 " 가 의 배수가 아니다."는 거짓이다. 따라서 는 의 배수이다.
는 집합 의 임의의 원소이므로 집합 의 모든 원소는 의 배수이다. 따라서 혹은 가 0이 아닌 정수 일 경우 혹은 가 집합 의 원소이기 때문에 를 약수로 갖는다. 한편 혹은 가 0일 경우 0이 아닌 모든 수는 0의 약수이기 때문에 를 약수로 갖는다. 따라서 는 와 의 공약수이다.
2.3. 단계 3[편집]
만약 가 의 공약수라고 하자. 이면 이므로, 는 의 약수이다. 따라서 의 모든 공약수는 의 약수이므로, 는 약수 중에서 가장 큰 최대공약수이다.
3. 유클리드 호제법과의 연관성[편집]
유클리드 호제법을 수행한 뒤 그 과정을 따라가면 를 만족하는 정수 를 직접 계산할 수 있는데, 이 알고리즘을 확장된 유클리드 호제법(extended Euclidean algorithm)이라 부르기도 한다. 유클리드 호제법이
즉
의 알고리즘으로 진행되고, 마지막에 (즉 )으로 종결되었다고 하자. 이 때 수열 를 다음과 같이 귀납적으로 정의한다.
이렇게 정의하면 귀납법을 이용해 항상 가 됨을 보일 수 있고, 최종적으로 을 얻을 수 있다.
항목 2의 증명을 보면 를 만족하는 정수 가 존재한다는 것만 알려줄 뿐, 그 를 계산하는 방법은 전혀 알려주지 않는다는 것에서 확장된 유클리드 호제법의 진가가 나온다. 알고리즘 정수론적인 관점에서 보면 그런 를 실제로 계산하는 것은 잉여역수를 구하는 등 합동식 연산의 기초가 되기 때문에 중요하고, 또한 호제법 알고리즘의 시간 복잡도도 로 (나눗셈 횟수만 고려하면 ) 나름 괜찮으니만큼 훌륭한 필수 알고리즘인 것이다.
즉
의 알고리즘으로 진행되고, 마지막에 (즉 )으로 종결되었다고 하자. 이 때 수열 를 다음과 같이 귀납적으로 정의한다.
이렇게 정의하면 귀납법을 이용해 항상 가 됨을 보일 수 있고, 최종적으로 을 얻을 수 있다.
항목 2의 증명을 보면 를 만족하는 정수 가 존재한다는 것만 알려줄 뿐, 그 를 계산하는 방법은 전혀 알려주지 않는다는 것에서 확장된 유클리드 호제법의 진가가 나온다. 알고리즘 정수론적인 관점에서 보면 그런 를 실제로 계산하는 것은 잉여역수를 구하는 등 합동식 연산의 기초가 되기 때문에 중요하고, 또한 호제법 알고리즘의 시간 복잡도도 로 (나눗셈 횟수만 고려하면 ) 나름 괜찮으니만큼 훌륭한 필수 알고리즘인 것이다.
3.1. 예시[편집]
기호로 적으면 어려워 보이지만, '나머지를 a와 b의 일차결합으로 나타낸다'의 아이디어만 생각하면 손으로 계산하기도 생각보단 할만하다.
a = 6192, b = 1012
6192 = 6*1012 + 120, 120 = a - 6b
1012 = 8*120 + 52, 52 = 1012 - 8*120 = b - 8(a-6b) = -8a + 49b
120 = 2*52 + 16, 16 = 120 - 2*52 = (a-6b) - 2(-8a+49b) = 17a -104b
52 = 3*16 + 4, 4 = 52 - 3*16 = (-8a+49b) - 3(17a-104b) = -59a + 361b
gcd(a,b) = 4 = -59a + 361b
a = 6192, b = 1012
6192 = 6*1012 + 120, 120 = a - 6b
1012 = 8*120 + 52, 52 = 1012 - 8*120 = b - 8(a-6b) = -8a + 49b
120 = 2*52 + 16, 16 = 120 - 2*52 = (a-6b) - 2(-8a+49b) = 17a -104b
52 = 3*16 + 4, 4 = 52 - 3*16 = (-8a+49b) - 3(17a-104b) = -59a + 361b
gcd(a,b) = 4 = -59a + 361b
4. 일차 부정방정식과의 연관성[편집]
베주 항등식과 위의 확장된 유클리드 호제법은 다음 꼴의 일차 부정방정식을 완벽히 푸는 방법을 제공한다.
정수 에 대해, 방정식 가 정수해를 가질 필요충분조건은 가 를 나누는 것이다. 만약 방정식이 특수한 해 을 가진다면, 방정식의 모든 해는 정수 에 대해 꼴로 나타나진다. |
베주 항등식의 증명을 참고하면 방정식이 해가 존재할 필요충분조건은 의 여부이므로 바로 증명된다. 만약 라면 확장된 유클리드 호제법으로 특수해를 구할 수 있다. 일반해에 대한 진술에 대해서는, 이 방정식 의 해여야 하는데, 는 서로소이므로 에서 가 유도된다. (사실 이것도 베주 항등식을 이용한다.) 로 놓으면 결론이 증명된다.
5. 확장[편집]
베주 항등식은 변수가 하나인 다항식에 대해서도 성립한다. 위의 를 모두 최고차항이 1인(monic) 다항식으로 바꾸고, '가장 작은 자연수' 를 '차수가 가장 작은 다항식'으로 바꾸자. 물론 는 monic일 필요는 없다. 다만 위의 증명은 유리수, 실수, 복소수 계수에서만 성립한다. 정확히는 계수가 체의 범위에 있을 때. 증명도 위와 거의 동일한데, 의 정의를 꼴의 모든 다항식으로 놓고, 차수가 가장 작은 monic 다항식을 로 고르면 된다. 다항식에서도 나눗셈 정리가 나머지 정리라는 이름으로 그대로 먹히기 때문.
다항식 버전의 베주 항등식은 사실 교과과정에서 부분분수분해를 할 수 있는 암묵적인 근거가 된다. 정수론 버전의 베주 항등식은 유사하게 중국인의 나머지 정리의 근거가 되지만, 이건 교과에 안나오니까...
추상대수학 중 특히 환론을 안다면 단항이데알정역(PID)들이 베주 항등식을 만족시킨다는 것을 알 수 있는데, 단순히 이데알 의 생성원을 로 놓으면 된다. 나눗셈 정리와 유클리드 호제법이 성립하는 유클리드정역(ED)은 당연히 된다. 다만 역은 성립하지 않는데, 심지어는 유일인수분해정역(UFD)도 아닌데 베주 항등식은 되는 것들도 있다고 한다...
다항식 버전의 베주 항등식은 사실 교과과정에서 부분분수분해를 할 수 있는 암묵적인 근거가 된다. 정수론 버전의 베주 항등식은 유사하게 중국인의 나머지 정리의 근거가 되지만, 이건 교과에 안나오니까...
추상대수학 중 특히 환론을 안다면 단항이데알정역(PID)들이 베주 항등식을 만족시킨다는 것을 알 수 있는데, 단순히 이데알 의 생성원을 로 놓으면 된다. 나눗셈 정리와 유클리드 호제법이 성립하는 유클리드정역(ED)은 당연히 된다. 다만 역은 성립하지 않는데, 심지어는 유일인수분해정역(UFD)도 아닌데 베주 항등식은 되는 것들도 있다고 한다...
[1] 프랑스 수학자 에티엔 베주의 이름에서 따 왔다.[2] 자연수의 정렬성(Well-ordering Principle)이란 자연수 전체 집합의 부분집합 중 공집합이 아닌 집합은 값이 가장 작은 원소를 가진다는 원리이다. 첫 번째 원소를 가진다고 말해도 좋다. 자세한 증명은 ProofWiki를 참조하자.[3] 귀류법이 사용되고 있다.[4] 첫 번째 등호에서는 에서 를 이항하였다. 두 번째 등호에서는 에 를 대입하고 에 을 대입하였다. 세 번째 등호에서는 분배법칙을 이용하여 전개한 후 항의 위치를 바꾸었다. 네 번째 등호에서는 와 를 인수로 가진 항끼리 묶어냈다. 그럼 의 정의에 따라 은 의 원소가 된다.