Bizonyítás

A \varphi(ab) azon ab-nél nemnagyobb pozitív egészeknek a számával egyezik meg, amelyek ab-hez relatív prímek. A 20.12. Következmény alapján bármilyen tetszőleges egész szám akkor és csak akkor relatív prím ab-hez, ha relatív prím a-hoz is és b-hez is.

A \varphi(ab) érték kiszámításához tehát azokat az ab-nél nemnagyobb pozitív egészeket kell megszámlálnunk, amelyek relatív prímek a-hoz is és b-hez is. Ezt a következő lépésekben fogjuk megtenni:

  1. Összegyűjtjük az összes a-hoz relatív prím egész számot.
  2. Ezek közül kiválasztjuk azokat, amelyek 0 és ab közé esnek.
  3. Végül a maradékból kiválogatjuk azokat, amelyek b-hez is relatív prímek.
1. lépés

A 20.15. Tétel alapján az a-hoz relatív prímek pontosan a modulo a redukált maradékosztályok elemei lesznek. Ilyenből a 20.7. Definíció alapján épp \varphi(a) darab van. E \varphi(a) darab modulo a redukált maradékosztály mindegyikéből válasszuk ki a legkisebb pozitív elemet. Az így kapott r_1, r_2, ..., r_{\varphi(a)} számok tehát reprezentálják az összes modulo a redukált maradékosztályt.

A 20.4. Tétel alapján e maradékosztályok elemei – és csak azok – kifejezhetők az r_1, r_2, ..., r_{\varphi(a)} reprezentánselemek segítségével az alábbi táblázat szerint, ahol minden oszlop egy-egy redukált maradékosztálynak felel meg:

\begin{array}{c|c|c|c}[r_1]_a & [r_2]_a & \cdots & [r_{\varphi(a)}]_a \\ \hline \vdots & \vdots & & \vdots \\ r_1-2a & r_2-2a & \cdots & r_{\varphi(a)}-2a \\ r_1-1a & r_2-1a & \cdots & r_{\varphi(a)}-1a \\ r_1+0a & r_2+0a & \cdots & r_{\varphi(a)}+0a \\ r_1+1a & r_2+1a & \cdots & r_{\varphi(a)}+1a \\ r_1+2a & r_2+2a & \cdots & r_{\varphi(a)}+2a \\ r_1+3a & r_2+3a & \cdots & r_{\varphi(a)}+3a \\ \vdots & \vdots & & \vdots \end{array}
2. lépés

Most minden olyan számot kidobálunk ebből a táblázatból, amely nem 0 és ab közé esik. Mivel az r_1, r_2, ..., r_{\varphi(a)} reprezentánselemeket úgy választottuk ki, hogy minden oszlopban ők legyenek a legkisebb pozitív egészek, ezért a táblázat ezek fölötti sorait ki is hajíthatjuk, hiszen ott már csupa negatív szám szerepel. Kérdés, hogy a táblázatban lefelé meddig mehetünk el a k paraméterrel úgy, hogy bármely i-edik oszlopban az r_i+ka\lt ab egyenlőtlenség még éppen teljesüljön? A határvonal épp a k=b-1 érték lesz.

Ezt ugyanis behelyettesítve az egyenlőtlenségbe, valamint kihasználva a 15.11. Definíció szerinti 1. rendezési axiómát, az alábbi adódik:

\begin{aligned} r_i+\overbrace{(b-1)}^{=k}a&\lt ab \\ r_i+\cancel{ba}-a&\lt \cancel{ab} \\ r_i\lt a \end{aligned}

Ez viszont nyilvánvalóan teljesül, hiszen r_i-t úgy választottuk ki, hogy ő az egyik maradékosztály legkisebb pozitív eleme legyen. Minthogy a 0, 1, 2, ..., a-1 számok az összes létező modulo a maradékosztályt reprezentálják, ezért r_i is szükségképpen közöttük van.

Másrészt viszont a k=b érték már nem megfelelő, ha ugyanis ezt helyettesítjük be az egyenlőtlenségbe, akkor az alábbit kapjuk:

\begin{aligned}r_i+\overbrace{b}^{=k}\cdot a&\lt ab \\ r_i&\lt 0\end{aligned}

Ez az egyenlőtlenség már nem teljesül, hiszen az r_i-t pozitívnak választottuk. Az 1. lépésben keletkezett táblázatból tehát az alábbi rész maradt meg, a többit kidobáltuk:

\begin{array}{c|c|c|c}[r_1]_a & [r_2]_a & \cdots & [r_{\varphi(a)}]_a \\ \hline r_1+0a & r_2+0a & \cdots & r_{\varphi(a)}+0a \\ r_1+1a & r_2+1a & \cdots & r_{\varphi(a)}+1a \\ r_1+2a & r_2+2a & \cdots & r_{\varphi(a)}+2a \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ r_1+(b-1)a & r_2+(b-1)a & \cdots & r_{\varphi(a)}+(b-1)a \end{array}

Ez a táblázat tehát tartalmazza az összes olyan 0 és ab közé eső egész számot, amely relatív prím a-hoz.

3. lépés

Ez tehát egy \varphi(a) oszlopból álló táblázat, és minden oszlopban b darab szám van. Tekintsük például az i-edik oszlopot. Ennek elemei a következők:

\begin{aligned} r_i&+0a \\ r_i&+1a \\ r_i&+2a \\ &\vdots \\ r_i&+(b-1)a \end{aligned}

Vegyük észre, hogy ezt a számhalmazt úgy kaptuk, hogy a \{0;1;2;\ldots;b-1\} számhalmaz minden elemét megszoroztuk a-val – ami ugye a tétel szövege alapján relatív prím b-hez –, majd az így kapott számokhoz hozzáadtunk r_i-t. Mivel azonban a \{0;1;2;\ldots;b-1\} számhalmaz nem más, mint egy modulo b teljes maradékrendszer, ezért a 20.19. Tétel alapján az újonnan kapott számhalmaz is az.

Mivel a táblázat minden oszlopa ugyanígy képződött, ezért a táblázat minden oszlopában tulajdonképpen egy-egy modulo b teljes maradékrendszer áll. Minden oszlopban képviselve van tehát az összes modulo b maradékosztály. Mivel ezek közül a redukált maradékosztályok száma az Euler-féle \varphi-függvény a 20.7. Definíciója alapján \varphi(b), ezért ez egyben azt is jelenti a 20.18. Következmény alapján, hogy minden oszlopban \varphi(b) darab olyan elem van, amely relatív prím b-hez. Minthogy a táblázatban az oszlopok száma \varphi(a), így a táblázatnak összesen \varphi(a)\cdot \varphi(b) eleme relatív prím b-hez is.

Összefoglalva: Összesen tehát \varphi(a)\cdot \varphi(b) darab olyan 0 és ab közötti egész szám létezik, amely relatív prím a-hoz is és b-hez is. Ezek száma a bizonyítás elején közölt észrevétel alapján megegyezik azon 0 és ab közötti egészek számával, amelyek relatív prímek ab-hez. Ezek száma viszont a 20.18. Következmény alapján \varphi(ab), így tehát valóban teljesül a tétel állítása:

\varphi(ab)=\varphi(a)\cdot \varphi(b)

∎