最小公倍數

最小公倍數（英語：least common multiple，lcm）是数论中的一个概念。若有一個數$X$，可以被另外兩個數$A$、$B$整除，且$X$同時大於或等于$A$和$B$，則$X$為$A$和$B$的公倍數。$A$和$B$的公倍數有無限個，而所有正的公倍數中，最小的公倍數就叫做最小公倍數。同样地，若干个整数公有的倍数中最小的正整数称为它们的最小公倍数。$n$整数$a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n}$的最小公倍数一般记作：$[a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n}]$，或者参照英文记法记作$\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n})$。

对分數进行加減运算時，要求兩數的分母相同才能計算，故需要通分；标准的计算步骤是将兩個分數的分母通分成它们的最小公倍數，然后将通分后的分子相加。

与最大公因数之关系

两个整数的最小公倍数与最大公因数之间有如下的关系：

$\operatorname {lcm} (a,b)={\frac {|a\cdot b|}{\operatorname {gcd} (a,b)}}$

计算方法

最小公倍数可以通过多种方法得到，最直接的方法是列举法，从小到大列举出其中一个数（如最大數）的倍数，当这个倍数也是另一个数的倍数时，就求得最小公倍数。另一个方法是利用公式$\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2})={\frac {a_{1}a_{2}}{\gcd(a_{1},a_{2})}}$来求解，这时首先要知道它们的最大公因数。而最大公因数可以通过短除法得到。

利用整数的唯一分解定理，还可以用質因數分解法。将每个整数进行质因数分解。对每个质数，在质因数分解的表达式中寻找次数最高的乘幂，最后将所有这些质数乘幂相乘就可以得到最小公倍数。譬如求216、384和210的最小公倍數。对216、384和210来说：

$216=2^{3}\times 3^{3}$，$384=2^{7}\times 3^{1}$，$210=2^{1}\times 3^{1}\times 5^{1}\times 7^{1}$。

其中$2$对应的最高次乘幂为$2^{7}$；$3$对应的最高次乘幂为$3^{3}$；$5$和$7$对应的最高次乘幂分别是$5^{1}$与$7^{1}$。将这些乘幂乘起来，就可以得到最小公倍数：

$[216,384,210]=2^{7}\times 3^{3}\times 5^{1}\times 7^{1}=120960$。

短除法

利用短除法，可以快速计算出多个整数的最小公倍数。

以下为例子:

假设我们要求12、20和42的最小公倍数。

a: 6 |12 18 42

b: 2 3 7

最小公倍数=a×b

因此，12、18和42和最小公倍数=6×2×3×7

所以，6×2×3×7=252，12、18和42的最小公倍数是252

递归计算多个整数的最小公倍数

可以递归求出多个整数的最小公倍数：欲求 $\operatorname {lcm} (a_{1},...,a_{n})(n\geq 3)$，只需求 $\operatorname {lcm} (a_{1},...,a_{n-2},\operatorname {lcm} (a_{n-1},a_{n}))$。

这利用了性质 $\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2},a_{3})=\operatorname {lcm} (\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2}),a_{3})$。该性质证明如下：

记 $a_{1},a_{2},a_{3}$ 的质因数分解分别为$\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{e_{1i}},\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{e_{2i}},\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{e_{3i}}$，其中 $p_{i}$ 是第 $i$ 个质数。

那么根据最小公倍数的定义，$\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2},a_{3})=\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{\max(e_{1i},e_{2i},e_{3i})}$，

$\operatorname {lcm} (\operatorname {lcm} (a_{1},a_{2}),a_{3})=\operatorname {lcm} (\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{\max(e_{1i},e_{2i})},a_{3})=\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{\max(\max(e_{1i},e_{2i}),e_{3i})}=\prod _{i=1}^{n}p_{i}^{\max(e_{1i},e_{2i},e_{3i})}$，

证毕。

程式代碼

以下使用輾轉相除法求得最大公因數，之後再求最小公倍數。

C#

int GCD(int a, int b)
{
	return a % b == 0 ? b : GCD(b, a % b);
}

int LCM(int a, int b)
{
	return a * b / GCD(a, b);
}

C

int GCD(int a, int b) {
	if(b) while((a %= b) && (b %= a));
	return a + b;
}
int LCM(int a, int b) {
	return a * b / GCD(a, b);
}

C++

template<typename T>
T GCD(T a, T b) {
	if (b) while((a %= b) && (b %= a));
	return a + b;
}
template<typename T>
T LCM(T a, T b) {
	return a * b / GCD(a, b);
}

PASCAL

function gcd(a,b:integer):longint;
begin
    if b=0 then gcd:=a
    else gcd:=gcd(b,a mod b);
end;

function lcm(a,b:integer):longint;
begin
    lcm:=(a*b) div gcd(a,b);
end;

JAVA

int GCD(int a, int b) {
	return a % b == 0 ? b : GCD(b, a % b);
}
int LCM(int a, int b) { 
	return a * b / GCD(a, b);
}

RUBY

def gcd(a, b)
  b.zero? ? a : gcd(b, a % b)
end

def lcm(a, b)
  a * b / gcd(a, b)
end

Python

def gcd(a, b):
    return a if b == 0 else gcd(b, a % b)
    
def lcm(a, b):
    return a * b / gcd(a, b)

Golang

func GCD(a, b int) int {
    if b == 0 {
        return a
    }
	return GCD(b, a%b)
}

func LCM(a, b int) int {
	return a * b / GCD(a, b)
}

Xcode

func gcd(_ a: Int, _ b: Int) -> Int {
    return b == 0 ? a : gcd(b, a % b)
}

func lcm(_ a: Int, _ b: Int) -> Int {
    return a * b / gcd(a, b)
}

应用

求最小公倍数是进行分数加减法时的步骤之一。将分母通分时，会把所有分数的分母通分为它们的最小公倍数，然后将分子相加。例如：

${2 \over 21}+{1 \over 6}={4 \over 42}+{7 \over 42}={11 \over 42}$

其中分母42就是21与6的最小公倍数。

参见

• 公倍数
• 公因数
• 最大公因数

参考来源

• 柯召，孙绮，孙琦. 《数论讲义》. 高等教育出版社. 2005. ISBN 753205473X. 
• 阿尔伯特·H·贝勒著 谈祥柏译. 《数论妙趣：数学女王的盛情款待》. 上海教育出版社. 1998. ISBN 7040091909.