七年级数学尖子生培优竞赛专题辅导第二十讲 质数与合数
第二十讲 质数与合数
趣题引路】
由超级计算机运算得到的结果2859433-1是一个质数,则2859433+1是( ) A .质数 B .合数 C .奇合数 D .偶合数
解析 ∵2859433-1,2859433,2859433+1.是三个连续正整数,∵2859433-1的末位数字是1.∴2859433
是偶合数,∵上述三个数中一定有一个能被3整除,而2859433-1是质数,∴2859433+1的末位数字是奇数且能被3整除,故2859433+1是奇合数.故选C .
同学们,你们知道什么是“哥德巴赫猜想”吗?二百多年前,德国数学家哥德巴赫发现:任一个不小于6的偶数都可以写成两个奇质数之和.如6=3+3,12=5+7等.对许多偶数进行检验,都说明这个猜想是正确的,但至今仍无法从理论上加以证明,也没有找到一个反例.到目前最好的结论是我国数学家陈景润证明的“1+2”,即任一充分大的偶数,都可表示成一个质数加上一个质数或两个质数的积,这一结论被命名为“陈氏定理”.
知识延伸】
1.正整数依据不同的标准可以有各种分类,这里依据它们的正约数的个数可以分为三类: (1)只有一个正约数的数,它只能是1;
(2)只有两个正约数的数,如2,3,11这样的数叫质数; (3)有两个以上正约数的数,如4,10,12这样的数叫合数. 2.(1)2是最小的质数,也是唯一的偶质数;除2以外,其余的质数都是奇数。 (2)质数有无穷多;合数也有无穷多. 证明 假设只有有限多个质数,设为P 1,P 2,P 3,…,P n 考虑P 1P 2P 3…P n +1,由假设可知,P 1P 2P 3…P n +1是合数,它一定有一个质因数P ,显然,P 不同于P 1,P 2,P 3,…,P n ,这与假设P 1,P 2,P 3,…,P n 为全部质数矛盾.
3.质数可以采用埃拉托色尼筛选法进行判定.如判断2003为质数,可以这样操作:分别用质数2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,41,43来除2003,它们都不能整除2003,而下一个质数47,它的平方472=2209大于2003,由此就可判定2003为质数。
4.算术基本定理
对于一合数,如果将它分解为若干质数的连乘积的形式,并不考虑质因数的排列顺序,那么这种分解
式将是唯一的,即正整数N (N >1)可以唯一表示为12
12m a a a m
N P P P =??? 其中,P 1,P 2,…,P m 为质数,且P 1<P 2<…<P m ,a 1,a 2,…,a m 为正整数.
5.对于正整数N 的质因数标准分解式12
12m a a a m
N P P P =??? 根据乘法原理,它的正约数个数为(1+a 1)(1+a 2)…(1+a m ).它的所有约数之和为
()()()()
12
11221+++1+++1+++m a a a m m
S N P P P P P P =???????????? 121
11
1212111=111
m m m p p p p p p ααα+++---???---. 而且仅当N 为平方数时,它的正约数个数为奇数.
例1 用正反向的地砖不重叠、无缝隙地铺满一块地,选用边长为x (cm )规格的地砖,恰用n 块;若选用边长为y (cm )规格的地砖,则要比前一种刚好多用124块.已知x 、y 、n 都是正整数,且(),1x y =.试问:这块地有多少平方米?
解析 设这块地的面积为S ,则()22=124S nx n y =+,得()222124n x y y -=.
()()222,1,1x y x y x y y >=∴-=,,得()22124x y -. 31,1;x y x y +=??
-=?或231,
2.x y x y +=???-=?
解之得16,15x y ==,此时2
2
2
124900y n x y ==-. 故这块地的面积为()()222290016230400cm =23.04m S nx ==?=.
点评 虽然同一块地有不同的铺法,但是这块地的面积不变,利用面积不变建立x 、y 、n 的等式,寻找解题的突破口.
例2 p 是质数,43p +仍是质数,求53p +的值.
解析 ∵p 是质数,∴433p +>
又3p +为质数,∴43p +必为奇数,∴4p 必为偶数,∴p 必为偶数. 又∵p 是质数, ∴=2p . ∴553=23=35p ++. 点评 本题利用了2是唯一的偶质数这一性质.
例3 已知正整数p 和q 都是质数,且7p q +与11pq +也都是质数,试求q p p q +的值.
解析 1111pq +>且11pq +是质数,∴11pq +必为正奇质数,pq 为偶数,而p 、q 均为质数,故2p =或2q =.
当2p =时,有14q +与211q +均为质数.当()312q k k =+≥时,则()1435q k +=+不是质数; 当()32N q k k =+∈时,()211=325q k ++不是质数,因此,3q k =,且q 为质数,故3q =.
当2q =时,有7p q +与211p +均为质数.当()312p k k =+≥时,()72=373p k ++不是质数;当
()32N p k k =+∈时,()211325p k +=+不是质数,因此,3p k =,当p 为质数,故=3p .
故322317q p p q +=+=.
点评 在所有质数中2时唯一的偶质数,可知11pq +是奇质数,pq 是偶数,进而可求p 或q ,最终达到求
例4 已知p 和281p +都是质数,求证:282p p -+也是质数.
解析 先研究p 和281p +都是质数时,p 应满足的条件可先从最小的质数开始考察. 证明:若2p =,则28133p +=是合数; 若3p =,则28173p +=是质数; 若5p =,则281201p +=是合数; 若7p =,则281393p +=是合数;
由此猜测:当p 为大于3的质数时,281p +为合数.下面对这一猜测给出证明.
若3p >,把p 按3除的余数可分为()31,3,31N k k k k -+∈三类.由于p 时质数,所以,p 只能为形如31k ±的数,则()()2
22818311324163p k k k +=±+=±+.
显然,281p +是合数. 因此,满足条件的3p =.
故当3p =时,282=71p p -+是质数.
点评 本例的证明是由具体数字着手讨论的,这种“归纳——猜想——证明”的方法在以后的学习中要经常用到.
例5 若n 为自然数,3n +与7n +都是质数,求n 除以3所得的余数. 解析 我们知道n 除以3的余数只能为0、1、2三种.
若余数为0,即3n k =(k 是一个非负整数,下同),则()33331n k k +=+=+,所以33n +,又33n ≠+,故3n +不是质数,与题设矛盾.
若余数为2,即32n k =+,则()732733n k k +=++=+,故37,7n n ++不是质数,与题设矛盾.所以n 除以3所得的余数只能为1.
点评 一个整数除以m 以后,余数可能为0,1,…,1m -,共m 个,将整数按除以m 所得的余数分类,可以分成m 类.如2m =时,余数只能为0与1,因此可以分为两类,一类是除以2余数为0的整数,即偶数;另一类是除以2余数为1的整数,即奇数.同样,3m =时,就可以将整数分为三类,即除以3余数分别为0、1、2这样的三类.通过余数是否相同来分类是一种重要的思想方法,有着广泛的应用.
例6 把一个两位质数接写在另一个与它不同的两位质数的右边,得到一个四位数.已知这个四位数恰能被这两个质数之和的一半整除,试求出所有这样的四位数.
解析 设,x ab y cd ==均为两位质数,且x y ≠,依题意,四位数100,100abcd ab cd x y =+=+,能被2
x y +整除,则1002
x y
x y m ++=?
(m 为正整数),即()()1982x m x y =-+.
又()(),,1x x y x y +==,事实上,两个不同的质数是互质的. ∴()198x y +.
∵x 和y 是不同的两位质数,∴x 和y 均为不小于11且不大于99的不同质数,∴x +y 应是小于24且不大于196的偶数.
容易求得198的不小于24且不大于196的正偶约数只有66,把66分拆成两个不同的两位素数之和,有661353194723432937=+=+=+=+,
故符合条件的四位数共有8个:1353、5313、1947、4719、2343、4323、2937、3729. 点评 在上面的求解过程中,用到了最大公约数的一个性质:()(),,x x y x y +=.
好题妙解】
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例1 设a b c d 、、、都是自然数,且2222a b c d +=+,证明:a b c d +++一定是合数. 证明 ∵22a b +和a b +同偶数,22c d +与c d +同奇数,又2222a b c d +=+, ∴22a b +与22c d +同奇偶,因此a b +与c d +同奇偶. ∴a b c d +++是偶数,且4a b c d +++≥, ∴a b c d +++一定是合数.
点评 偶数未必都是合数,所以4a b c d +++≥在本题中是不能缺少的.
例2 正整数m 和n 是两个不同的质数,m n mn ++的最小值是p ,求22
2
m n p
+的值. 解析 要使p 的值最小,而m 和n 都是质数,则m 和n 分别取2和3,于是11p m n mn =++=,故222
13
=121m n p +. 点评 要使p 的值最小,则m 和n 尽可能取较小的值,而m 、n 是两个不同的质数,故m 和n 分别取2和3,
从而p 值可求.
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例1 若a b c 、、是1988的三个不同质因数,且a b c <<,则()a
b c +的值是多少? 解析 ∵1998233337=????,而a b c 、、为质数. ∴a b c 、、的值分别为2、3、37.
a b c <<,故2,3,37a b c ===,得()=1600a
b c +.
点评 先对1998分解质因数,再根据a b c <<确定a b c 、、的值.如果没有a b c <<的条件,那么又是什么呢?
例2 四个质数的倒数之和是
1454
1995
,则这四个质数之和是 . 解析 ∵199535719=???,11111454
357191995
+++=
, ∴这四个质数为3、5、7、19.
因此,这四个质数的和为3+5+7+19=34. 点评 设这四个质数分别为a b c d 、、、,则
11111454
+++=
.由于a b c d 、、、均为质数,所以
1995=abcd .故考虑将1995分解质因数.
竞赛样题展示
例1 n 是不小于40的偶数,试证明:n 总可以表示成两个奇合数的和.
解析 因为n 是不小于40的偶数,所以,n 的个位数字必为0、2、4、6、8,现在以n 的个位数字分类: (1)若n 的个位数字为0,则()1555n k k =+≥为奇数; (2)若n 的个位数字为2,则()2753n k k =+≥为奇数; (3)若n 的个位数字为4,则()957n k k =+≥为奇数; (4)若n 的个位数字为6,则()2155n k k =+≥为奇数; (5)若n 的个位数字为8,则()3353n k k =+≥为奇数;
综上所述,不小于40的任一偶数,都可以表示成两个奇数之和.
点评 本题证明一个不小于40的偶数可以表示成两个奇合数之和,其难度与“哥德巴赫猜想”当然不可同日而语,但本题证明时使用了构造的方法,值得大家注意.
例2 41名运动员所穿运动衣号码是1,2,…,40,41这41个自然数,问:
(1)能否使这41名运动员站成一排,使得任意两个相邻运动员的号码之和是质数? (2)能否让这41名运动员站成一圈,使得任意两个相邻运动员的号码之和都是质数? 若能办到,请举一例;若不能办到,请说明理由.
解析 (1)能办到.注意到41与43都是质数,据题意,要使相邻两数的和都是质数,显然,它们不能都是奇数,因此,在这排数中只能一奇一偶相间排列,不妨先将奇数排成一排:1,3,5,7,…,41,在每两数间留有空挡,然后将所有的偶数依次反序插在各空挡中,得1,40,3,38,5,36,7,34,…,8,35,6,37,4,39,2,41,这样任何相邻两数之和都是41或43,满足题目要求.
(2)不能办到.若把1,2,3,…,40,41排成一圈,要使相邻两数的和为质数,这些质数都是技术,故圆圈上任何相邻两数比为一奇一偶,但现有20个偶数,21个技术,总共有41个号码,由此引出矛盾,故不能办到.
点评 站成一排和站成一圈虽只一字之差,但却有着质的不同,因为一圈形成了首尾相接的情形.
例3 (第62届莫斯科竞赛题)写出5个正整数,使它们的总和等于20,而它们的积等于420.
解析 设这5个正整数为12345,,,,x x x x x ,则212345=420=2357x x x x x ???????,而12345++++=20x x x x x ,故知这5个数分别为1、4、3、5、7.
点评 在420的分解式中,把22看作22?(即两个数相乘)还是一个数4,是否再增加一个因数1,这取决于对求和式的观察.
例4 若自然数3n +与7n +都是质数,求n 除以6的余数.
解析 不妨将n 分成六类,6,61,,65n k n k n k ==+=+,然后讨论. 当6n k =时,()363321n k k +=+=+与3n +为质数矛盾;
当62n k =+时,()769323n k k +=+=+与7n +为质数矛盾; 当63n k =+时,()36661n k k +=+=+与3n +为质数矛盾; 当65n k =+时,()761262n k k +=+=+与7n +为质数矛盾; 所以只有64n k =+,即n 除以6的余数为4.
点评 本题利用分类讨论进行.
过关检测】
A 级
1.有三个正整数,一个是最小的奇质数,一个是最小的奇合数,另一个既不是质数,也不是合数,求这三个数的积.
2.有三个数,一个是偶质数,一个是大于50的最小质数,一个是100以内最大的质数,求这三个数的和.
3.设1p 与2p 是两个大于2的质数,证明12p p +是一个合数.
3.若p 是一个质数,23p +仍为质数,求值:23p +也是一个质数.
5.若p 与2p +都是质数,且3p >.求p 除以3所得的余数.
6.若自然数12n n >,且22
12122219n n n n ---=,求12n n 、的值.
7.有四个不同质因数的最小的自然数是多少?
8.求2000的正约数的个数,并求它的所有质因数的和.
9.若54544545n =+,则n 是 数(选填“质”或“合”).
10.若质数m n 、满足57129m n +=,则m n += .
B 级 1.p 和63p +均为质数,则1147p -= .
2.已知三个质数m n p 、、的积等于三个质数的和的5倍则222m n p ++= .
3.(1997年北京市初一数学竞赛试题)()
143321223
x x
x a x x +-
---=-的解是最小质数的倒数,则a = .
4.(1998年北京市出而数学竞赛试题)若y 和z 均为质数,且,,,,x yz x y z =满足113
x y z
+=,则198853x y z ++= .
5.(1997年“迎春杯”初一数学竞赛试题)若p 和q 都是质数,并且关于x 的一元一次方程597px q +=的根是1,则2p q -= .
6.已知a b ab bbb =,其中a 和b 是1~9中的数字,ab 表示个位数字为b ,十位数字为a 的一个两位数,bbb 表示个位数字都是b 的三位数,求a 和b 的值.
7.已知甲、乙、丙三人的年龄都是正整数,甲的年龄是乙的2倍,乙比丙小7岁,三人年龄之和是小于70的质数,且该质数的各位数字之和为13,求甲、乙、丙三人的年龄.
8.(1997年“五羊杯”竞赛试题)已知,2,6,8,14
++++都是质数,则这样的质数p共有多少个?
p p p p p