1 素数・素数べきでの値
pが素数なら、1からpの中でpと互いに素でないのはp自身だけなのでφ(p)=p−1。素数べきpkでも同じ発想が使えます。1からpkのうちpの倍数(すなわちpkと互いに素でないもの)はp,2p,…,pk−1⋅pのpk−1個だけなので、
φ(pk)=pk−pk−1
です。「素因数を持つものだけ除けばよい」という、素数べきならではの単純さです。
2 乗法性:中国剰余定理の直接の帰結
gcd(m,n)=1ならφ(mn)=φ(m)φ(n) が成り立ちます。これは前項の中国剰余定理そのものの応用です。中国剰余定理は「xmodmn」と「(xmodm, xmodn)のペア」を1対1に対応させます。この対応のもとで、xがmnと互いに素であることと、xがmともnとも互いに素であることは完全に一致します(mnの素因数はmの素因数とnの素因数を合わせたものだから。実はこの同値だけならm,nが互いに素でなくても成り立ち、互いに素という仮定が本当に効いているのは中国剰余定理の1対1対応のほうです)。だから「mnと互いに素なxmodmn」の個数と「mと互いに素なxmodm」と「nと互いに素なxmodn」のペアの個数は等しく、φ(mn)=φ(m)φ(n)が出ます。
3 公式にまとめる
素数べきでの値と乗法性を組み合わせると、n=p1k1⋯prkrのとき
φ(n)=np∣n∏(1−p1)
とまとめられます(各素数べきの因子φ(pk)=pk(1−1/p)を掛け合わせただけです)。たとえば360=23×32×5なら
φ(360)=360×21×32×54=96
4 美しい恒等式:∑d∣nφ(d)=n
nの約数dすべてにわたるφ(d)の総和は、ちょうどnになります。証明は、分数n1,n2,…,nnを全部既約分数に約分してみるという観察だけでできます。約分すると分母は必ずnの約数dのどれかになり、分母がちょうどdになる既約分数は、分子が1からdまででdと互いに素なもの——つまりφ(d)個だけ現れます。もとの分数は全部でn個あり、どの分数もちょうど1つのdに対応するので、
d∣n∑φ(d)=n
が成り立ちます。n=6で確かめると、約数は1,2,3,6でφ(1)+φ(2)+φ(3)+φ(6)=1+1+2+2=6——ぴったり一致します。「互いに素かどうか」という乗法的な量を全約数にわたって足すと、もとの数そのものが復元される、という不思議な恒等式です。