Teilbarkeit für alle zu 10 teilerfremden Divisoren

Teilbarkeit für a​lle zu 10 teilerfremden Divisoren[1] i​st eine Methode z​ur Prüfung d​er Teilbarkeit e​iner Zahl für a​lle zu 10 teilerfremden Divisoren.

Beschreibung

Es wird eine Methode zur Prüfung der Teilbarkeit einer Zahl für alle zu 10 teilerfremden Divisoren beschrieben und mathematisch begründet. Die Methode hat zwei Vorteile. Einmal funktioniert sie für alle genannten Teiler. Zweitens stellt sie auch eine Anleitung zur Verfügung, wie der erforderliche Multiplikator im Kopf ermittelt werden kann. Es werden Divisoren betrachtet, die keine echten gemeinsamen Teiler mit der natürlichen Zahl haben. Für solche Divisoren werden Teilbarkeitskriterien vorgestellt, die vorrangig Teilbarkeitfragen mittels Kopfrechnen unterstützen und auf die Dezimaldarstellung der zu testenden Zahl angepasst sind. Die Behauptung dass durch teilbar ist wird durch ausgedrückt. Als Beispiel sei genannt.Teilerfremdheit von wird durch ausgedrückt. Der größte gemeinsame Teiler von wird mit bezeichnet. Es werden Teilbarkeitskriterien der folgenden Art betrachtet:

Multipliziere die rechte Ziffer der zu testenden Zahl mit einem Multiplikator und addiere das Ergebnis zu der Zahl, die aus den restlichen linken Ziffern gebildet wird.

Beim Divisor ist geeignet. Im Beispiel ergibt sich und daher gilt .

Ein solcher Teilbarkeitstest enthält e​ine menschliche Komponente. Der Anwender entscheidet n​ach eigenem Ermessen, w​ann er d​ie zu untersuchende Teilbarkeit a​ls positiv o​der negativ entschieden betrachtet. Einem Computer würde m​an eine solche Entscheidung wahrscheinlich n​icht übertragen.

Zunächst seien die Divisoren charakterisiert, die teilerfremd zu sind. Es sei der Wert der rechten Ziffer von . Dann ist genau dann teilerfremd zu , wenn ist. Zur Begründung sei genannt, dass die anderen möglichen rechten Ziffern die Teilbarkeit von durch oder nach sich ziehen würde. Solche Teiler können daher nicht teilerfremd zu sein. Umgekehrt lassen Divisoren mit niemals den Rest bei der Division durch . Für oder Vielfache davon sind die hier beschriebenen Teilbarkeitstests nicht geeignet. Alle anderen Primzahlen sind teilerfremd mit und gehören daher zum vorliegenden Thema.

Mathematische Formalisierung

Es werden die folgenden beiden Funktionen definiert:

Rest von bei der Division durch

Der linke Teil von

Es gilt und die Division ist ohne Rest ausführbar. Es gilt immer . Falls dezimal einstellig ist, gilt . Im Beispiel gilt . Es werden jetzt Testfunktionen

mit vorläufig noch nicht festgelegtem Multiplikator betrachtet. Schon durch diese Bezeichnungsweise soll angedeutet werden, dass für verschiedene Divisoren der Multiplikator vom Divisor abhängig ist, also auf den Divisor spezialisiert ist. Aus Gründen, die noch genannt werden, sollen Funktionen vom Typ partielle Ziffernsummen genannt werden. Von einer solchen Funktion wird verlangt, dass gilt:

wobei die logische – genau dann wenn – Beziehung bedeutet.

Es wird jetzt ein Algorithmus beschrieben, der bei gegebenem Divisor den Multiplikator festlegt und sogar so einfach beschaffen ist, dass er im Kopf ausführbar ist.

  1. Betrachte in dieser Reihenfolge und prüfe ob ist.
  2. Gehe nur dann zu über, wenn diese Bedingung nicht schon bei erfüllt ist.
  3. Setze , falls , hier ist
  4. Setze , falls , hier ist

Man kann sich klarmachen, dass man für spätestens bei bei landet. Das beruht darauf, dass bei gilt , wegen . Die Resultate dieses Algorithmus werden jetzt noch als Tabelle dargestellt.

Tabelle 1 Ergebnisse für den obigen Algorithmus

Es wird außer noch eine weitere ganze Zahl ins Spiel gebracht, mit dem Ziel die sogenannte Bézout-Identität für den größten gemeinsamen Teiler darzustellen. Dazu werden die einzelnen Fälle unter Bezugnahme auf die obige Tabelle analysiert.

Es sei nach folgender Tabelle bestimmt, deren Werte aus der jeweiligen rechten Identität als Faktor vor abgelesen werden.

Tabelle 2 Ergebnisse für

Damit können d​ie vier rechten Identitäten einheitlich i​n folgender Form geschrieben werden:

mit

Das ist die aus der elementaren Zahlentheorie in bekannte Darstellung des größten gemeinsamen Teilers , die auch Bézout-Identität genannt wird.

Satz über partielle Ziffernsummen

Es sei und nach Tabelle-1 festgelegt. Dann gilt für die Funktion die Aussage .

Mit dieser Aussage wird die auf den Divisor spezialisierte Testfunktion zu einem Teilbarkeitskriterium, das auch für das Testen der Teilbarkeit im Kopf benutzt werden kann, wenn je nach Anwender nicht zu große Divisoren ins Spiel kommen. Es sei noch angemerkt, dass die Testfunktionen in einigen Fällen für verschiedene auch identisch sein können. Das tritt z. B. für auf. Wegen der -Beziehung kann die Testfunktion auch mehrfach auf bereits erreichte Ergebnisse angewendet werden. Das erfordert beim Kopfrechnen eventuell erhöhte Merkfähigkeit des Anwenders. In den Fällen kann das Ergebnis negative Werte annehmen. Dann kann auf das erreichte Zwischenergebnis nicht nochmal die Testfunktion angewendet werden. Trotzdem kann der Anwender versuchen, die Teilbarkeit durch zu entscheiden. In jedem Fall entscheidet der Anwender selbst, wann er die Teilbarkeit als positiv oder negativ entschieden betrachtet. Mit der Anwendung von verringert sich die Schwierigkeit zu erkennen, ob Teilbarkeit vorliegt oder nicht. Eine Beweisskizze für den Satz über partielle Ziffernsummen sieht so aus:

Der zu testende Wert kann aus den Werten auf folgende Weise rekonstruiert werden:

Dabei ergibt sich die vorletzte Gleichung durch geeignete äquivalente Umformung der Bézout-Identität in der Form . Mit Blick auf die letzte Gleichung kann wie folgt argumentiert werden: Der Wert ist eine Summe von zwei Summanden, von denen der erste Summand ein Vielfaches von ist. Daher entscheidet sich die Teilbarkeit an der Teilbarkeit des zweiten Summanden. Es ergibt sich:

Da teilerfremd sind, ergibt sich:

Es sei noch angemerkt, dass in der Bézout-Identität die Koeffizienten vor keineswegs eindeutig bestimmt sind. Der Faktor kann durch einen beliebigen anderen Faktor aus der gleichen Restklasse ersetzt werden, wenn der Faktor noch geeignet angepasst wird. Da in die Konstruktion von nur der Faktor eingeht, kann das einfach vollzogen werden. Für den Fall liest man aus Tabelle-1 ab. Bildet man nun , so ist auch als Testkriterium für die Teilbarkeit durch geeignet. Es empfiehlt sich aber hinsichtlich des Kopfrechnens den Faktor nicht zu weit entfernt von zu wählen. Wird nach dem oben beschriebenen Algorithmus festgelegt, ist dies automatisch garantiert. Bildet man , so ist das Ergebnis negativ und ist nicht definiert. Man kann daher das Zwischenergebnis nicht nochmal verbessern. Der kopfrechnende Anwender erkennt aber sofort, dass und entscheidet die Teilbarkeit positiv. Schließlich sei noch erwähnt, dass ist. Dies kann man unmittelbar aus Tabelle-1 ablesen. In der Regel hat nicht den gleichen Rest bei der Division durch wie . Dies trifft nur zu, wenn wirklich Teilbarkeit vorliegt. Im speziellen Fall bleiben aber die Reste auch bei Nichtteilbarkeit erhalte. Hinsichtlich der Reste kann man lediglich an der letzten Gleichung in der obigen Gleichungskette ableiten, dass die Reste von und übereinstimmen : .

Die Rolle von im Restklassenring

Wird die Bézout-Identität in der Form geschrieben, so erkennt man, dass ein Vielfaches von ist. Als Kongruenz bedeutet das

Daher ist in die Restklasse von die Inverse von . Es gilt , also .

Beziehungen zur Quersumme

Im Fall liest man aus Tabelle-1 ab. Daher gilt:

und es wir lediglich die letzte Ziffer von zum linken Teil addiert. Vergleicht man das mit der Quersumme von , bei der alle Dezimalziffern addiert werden, so kann man bezüglich erkennen, dass die Quersumme gewissermaßen nur partiell gebildet wird. Daher wird hier für alle genannten Teiler der Begriff partielle Ziffernsumme für benutzt. Sowohl bei der Quersumme als auch bei kann man iterativ die Operation auf alle Zwischenresultate anwenden. Das führt nur solange zu neuen Resultaten, wie das zuvor erreichte Resultat nicht dezimal einstellig ist. Ab da bleiben Quersumme und konstant. Es kann auch elementar bewiesen werden, dass die finalen einstelligen Resultate identisch sind, obwohl Zwischenresultate in der Regel für Quersumme und differieren. Zum Beispiel ist und die Quersumme ist . Wendet man iterativ noch mehrmals auf diese Zwischenresultate an, so ergibt sich in beiden Fällen als Endresultat. Daher ist nicht durch teilbar .

Weitere Anwendungsbeispiele

Für ist gemäß Tabelle-1 und . Also ist nicht durch teilbar. Dagegen ist . Daher gilt .

Es sei auch nicht verschwiegen, dass es problematische Anwendungsfälle gibt. Solche treten z. B. systematisch für auf. Sei . Dafür liest man aus Tabelle-1 ab. Für ergibt sich . Obwohl durch teilbar ist, ergibt sich durch die Anwendung von kein erkennbarer Vorteil. Wenn der Anwender nicht von selbst erkennt, dass ist, kann er keine neuen Erkenntnisse zu Teilbarkeitsfrage erlangen. Der Wert ist also ein Fixpunkt von .

Ohne Beweis sei notiert, dass die ganzen Zahlen genau die Fixpunkte von sind. Eine analoge Aussage gilt für alle Divisoren .

Tabelle 3 Beispiele für die Zuordnung

An dieser Tabelle kann man seine Fähigkeiten zum Kopfrechnen üben, wenn man den beschriebenen Algorithmus anwendet, um bei gegebenem in der oberen Zeile den zugeordneten Wert in der Zeile darunter zu berechnen.

Alternative Formeln zur Berechnung von

Tabelle 4 Alternative Formeln der Zuordnung

Diese Formeln ergeben die gleichen Resultate wie die in Tabelle-1 notierten Formeln. Dies ergibt sich aus den folgenden Gleichungen, bei denen immer die universell gültige Beziehung benutzt wird:

Die alternativen Formeln benutzen durchgängig als Ausdrucksmittel und bieten daher beim Kopfrechnen Vorteile. Insbesondere sind die erforderlichen Multiplikationen mit auf Zahlen mit geringerer Stellenzahl anzuwenden. Bei den Beispielen in Tabelle-3 kann man das ausprobieren.

Einzelnachweise

  1. Reinhold Remmert, Peter Ullrich: Elementare Zahlentheorie. Dritte Auflage. Birkhäuser, Basel-Boston-Berlin, ISBN 978-3-7643-7730-4, S. 267, Korollar auf Seite 64 zur Teilerfremdheit.
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