두 수의 최대공약수와 두수의 선형조합 사이의 밀접한 연관은 상당한 충격이었다. 단순한 직관만으로는 그 관계를 짐작하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 기껏 떠올릴수 있는거라곤 gcd가 두수의 모든 선형조합을 나눌것이라는 것 정도???

아무튼, 최대공약수와 선형조합 사이의 관계는 정수론 뿐만 아니라, 집합론, 대수학 따위에서도 심심찮게 볼 수 있다는 것 만으로도, 중요성은 재삼 강조하지 않아도 될 것 같다.

그것은 다음과 같다.



두 수의 선형조합들 중에서 양의 최소값은 두수의 최대공약수 이다.




증명.

a 와 b 의 선형조합중에서 양수인것들의 집합을 S 라고 하면, S = { ax + by > 0 | x , y ∈ Z } 이고 , 웰 오더링 프라퍼티에 의해 최소원소가 존재한다.


최소원소를 d = a x0 + b y0   라고 놓으면, 이제 우리가 보일것은 다음과 같다.


1)  d 가 a 와 b 의 공약수 이며...

2)  d 가 모든 공약수 중에 제일 크다.


세부 증명.

1)  a 를 d 로 나누는 디비전 알고리듬을 생각하면...         a = d q + r  (  0 <=   r  < d )


     r 에 대해서 정리하면...

     r =  a - dq =  a -  (a x0  +  b y0 ) q  

       =  a ( 1  - q x0 ) +  b ( - q  y0 ) 


   그러므로,  r 이  0 보다 크다면  S 의 원소가 된다.


그런데,  r 의 범위가   (  0 <=   r  < d )    이므로,  

r 이 S 에 들어가게 된다면, d 가 최소라는 가정에 모순된다.  즉, r 은 0 이라는 말.


   따라서, d 는 a 를 나눈다.   마찬가지로, b 도 나누게 되고.. 따라서, d 는  a 와 b 의  공약수이다.


2)  a, b  의 임의의 양의 공약수를 c 라고 하면,   c  는 a 도 나누고, b 도 나누기 때문에, 그것의 선형조합도 나누게 되고 따라서 d 도 나눈다.

     다시 말해, a  와 b 의 모든 양의 공약수는  d 를 나눈다.   즉, d 보다 작거나 같다. 


1) , 2) 에 의해 증명이 끝난다.





곧바로 다음을 확인할 수 있다.


모든 공약수는 최대공약수의 약수이다.


위 증명의 2) 로 부터 자명하지만, 굳이 명시적으로 다시 증명해보면 다음과 같이 할 수 있다.
c 가 a 와 b 의 공약수라고 하면, a = ck , b = ct   이고,  그러면   g = a x + b y =  ckx + cty =  c ( kx + ty )   이 된다.



게다가 ...


두수의 선형조합의 집합은  gcd 의 배수들의 집합과 같다.


pf)
a와 b의 최대공약수를 (a,b) 라고 하면,        (a,b) | a x + b y      이므로         ax + by = (a,b) k   for some k    이 되니까.


따라서....


 두수가 서로소이면, 두수의 선형조합은 모든 정수를 생성한다.

왜냐면 1의 배수 집합이 되니까.



결과적으로, 다음의 중요한 사실을 알수 있다.


 두수의 선형조합이 1 인 경우를 찾기만 하면, 두수가 서로소임을 보장한다. (역은 당연)


왜냐면, 선형조합 중 양수만 모아놓으면, 그것들중 최소값이 gcd 인데, 1이 있기만 하다면, 이미 최소이므로 자동으로 gcd 가 된다. 즉, 서로소.


예)  연속하는 두 정수는 서로소이다.   증명:  a - b = 1  증명끝.


따라서...

 두수를 최대공약수로 나누면, 서로소이다.


증명은  a x0 + b y0 = (a,b) 에서, 양변을 (a,b) 로 나누면  a/ (a,b) 와 b/ (a,b) 가 서로소임을 알 수 있다.


마찬가지로, 


ax + by = (a,b)  이면,  x 와 y 는 서로소이다.


역시, (a,b) 로 그냥 양변을 나누면 된다.



또다른 이야기로...


어떤 두 수의 선형조합이면서 동시에 공약수이면, 최대공약수이다.



왜냐면, 선형조합이면 최대공약수의 배수이고 ( 즉, 최대공약수 보다 크거나 같다. ) 또한 공약수이므로 ( 즉, 최대공약수 보다 작거나 같다. ) 결과적으로 최대공약수가 된다.


이밖에도 많은 유용한 결과들이 유도된다. 나머지는 다음에 살펴보도록 한다.