算術の基本定理

算術の基本定理（さんじゅつのきほんていり、英: fundamental theorem of arithmetic）または素因数分解の一意性は、「全ての自然数は素数の積として（積の順番の違いを除いて）ただ一通りに表すことができる」という算術（初等数論）における定理である。

例えば 120 は 2 × 2 × 2 × 3 × 5 と素因数分解され、素数の順序を無視して、これ以外の素数の積として表すことはできない。

算術の基本定理の主張が、任意の自然数について「素数の積に分解される（素因数分解の存在）」という主張と「素因数分解があれば一意に決まる（分解の一意性）」という主張の大きく二つの部分からなっていることに留意すべきである。なぜならば、分解の存在は比較的素直に示せるのに対して、一意性の証明はそれよりも多少高度な論証を要するからである。一意性の証明にはいくつかの方法があるが、多くは以下の事実（ユークリッドの補題）

素数 p が二つの自然数 a, b の積 ab を割り切るならば、p は a または b のいずれか一方を割り切る。

を用いると証明の筋が見やすい。しかも、ある別証明が直接的にこの補題を用いていないように見えても、どこかで補題（と除法の原理などの自然数の性質を組み合わせたもの）に同値な内容が含まれることになるのは、実は避けられない。また、素数の積としての順番を考慮しないのは、自然数が積に関して交換法則と結合法則を満たすことによる。そして通常は見易さを考慮して、素因数を最も小さいものから順に並べて、大きいものは最後にする。

この定理の整数の場合への自然な一般化は「0 以外の任意の整数は、素数と単数の積として因子の順番の違いを除いて一意に表される」である（この意味において「整数に対して算術の基本定理が成立する」と言うことができる）。同様の主張はもっと一般の環などにおいても（成り立つか成り立たないかを考えることができるという意味で）意味を持つけれども、必ずしも成立はしない。

ユークリッドの証明

ユークリッドの「原論」の7巻に実質的な証明が書かれているが、完全な形での証明はガウスの「算術研究」におけるものが最初であると考えられている。それは現代的な言葉で書けば、だいたい以下のようなものである。

存在性

定理の反例となる「素数の積で表せないような自然数」の存在を仮定すると、自然数の整礎性により、そのような数には最小の数（最小の反例）があるはずである。1 や素数は既に素数の積に表されているので、最小の反例 n は合成数であり、適当な自然数 a(≠ 1), b(≠ 1) をとれば n = ab とできるが、a < n かつ b < n ゆえ、n の最小性から右辺の各因子 a, b は素数の積として表され、n も素数の積で表せることとなり、矛盾する。ゆえに、任意の自然数は素数の積に表される。

一意性

素数 p が自然数の積 ab を割り切るならば、p は a または b の少なくとも一方を割り切ることに注意しよう（しばしばユークリッドの補題と呼ばれる）。

実際、p が a を割り切らないならば、p と a は互いに素であり、ユークリッドの互除法を用いて px + ay = 1 となる整数 x, y の存在が示される。両辺に b を掛ければ

pbx + aby = b

が得られるが、左辺は p で割り切れることは明らかであるから、p が b を割り切ることが示される。p が b を割り切らないときも同様にして a を割り切ることが示せる。

少なくとも2通りの「素数の積」として表すことができる自然数が存在すると仮定し、そのような自然数のうち最小のもの n が

n = p₁p₂ ... p_k = q₁q₂ ... q_l

と異なる「素数の積」に表されるとする。先の注意から p₁ は q₁ または q₂ ... q_l のいずれかを割り切るが、n の最小性から q₁ 及び q₂ ... q_l に対してはいずれも素因数分解の一意性が成り立つので、p₁ = q_j となるような j が取れる。このとき、

n ' := p₂ ... p_k = q₁ ... q_{j − 1}q_{j + 1} ... q_l

が異なる「素数の積」としての表示であるとすると n の最小性に反する（並べ替えて一致するならば、n の2通りの表示を考えたことに反する）。

一般化

詳細は「一意分解環」を参照

抽象代数学において、この定理をもっと一般の場合に「仮説」として持ち込むならば、定理の主張は「任意の 0 でない元は、素元および単元の積として一意的に表される」となるのが自然である（「素元」は素数の一般化であり、「単元」は考えている範囲の数の中に逆数があるということの一般化である）。ここで「仮説」としたのは、定理の主張が意味を持つ同様の代数系（環やモノイド）の中にも、算術の基本定理が成立しないものがあるからである。

例えば、すべての整数が成す集合において、1 および −1 は、それ自身は素数ではないけれども、整数の範囲で逆数を持つ（実際、自分自身が逆数になる）から、「整数の範囲でも算術の基本定理は成り立つ」というふうに言うことができる。ほかにもユークリッド整域や主イデアル整域ならば、このような形で算術の基本定理を一般化したものが成立する。一般に、算術の基本定理が成り立つ環を一意分解環という。

一般に、分解の一意性のほうは成り立ちにくい性質である。実際、ネーター環は素元分解を必ずもつが、一意分解環でないようなネーター環が多く存在することが知られている。

参考文献

• 高木貞治 『初等整数論講義第2版』 共立出版、東京、1971年。
• Hardy, G. H.; Wright, E. M. (1979), An Introduction to the Theory of Numbers, USA: Oxford University Press, ISBN 978-0-19-853171-5 
• Baker, Alan (1984), A Concise Introduction to the Theory of Numbers, Cambridge, UK: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-28654-1 

関連項目

• 代数学の基本定理
• 微分積分学の基本定理
• 素因数分解
• 一意分解環

外部リンク

• Proof of fundamental theorem of arithmetic - PlanetMath.（英語）
• Weisstein, Eric W., "Abnormal number" - MathWorld.（英語）
• Weisstein, Eric W., "Fundamental Theorem of Arithmetic" - MathWorld.（英語）
• "Fundamental Theorem of Arithmetic" by Hector Zenil, Wolfram Demonstrations Project, 2007.