(转载)二次剩余(知识总结+板子整理)_分别求解以n=-2,n=-3和n=5为二次剩余的素数-优快云博客

思路来源

知识点整理

二次剩余，现在的研究范围，只在p为奇素数下进行

若存在 $1\leq x< p$ 使得 $x^{2}\equiv n(mod\ p)$ ，则称n是模p的二次剩余

二次剩余的充要条件，勒让德记号余数为1

充分性：

d,x属于[1,p-1]，显然与p互质；

欧拉判别准则，这里其实就是费马小定理

必要性：

用原根可以证明d，可以表示为 $d=a^{2i}$ 的形式，从而得证

二次非剩余的充要条件，勒让德记号余数为-1

不是二次剩余，则若ij=n(mod p)，i和j一定不相同，

根据扩展欧几里得，

把ij%p=n，转化成 ij+pq=n，

由于gcd(i,p)=1，所以 ij+pq=1肯定有解，

因为n是1的倍数，所以ij+pq=n肯定有解

所以，j=j0+k*p，且j0≠0，故必有且只有一个解j落在[1,p-1]内

n整除p时，勒让德记号余数为0

由勒让德记号定义，显然成立

二次剩余的解n，恰有 $\frac{p-1}{2}$ 个

由于u和v的取值[1,p-1]，所以u-v（不妨u>v）的差必在[1,p-2]之间，与素数p互质，

且u+v取值[2,2p-2]，故u+v==p，说明每对和为p的值有唯一的平方值

不同对(u,v)(w,x)之间若平方相同，设v和w(w≠u)相同，

则必有u+v==p，v+w==p，w+x==p，这推得u==w，与w≠u矛盾，故平方值不同

故有 $\frac{p-1}{2}$ 个解，每个二次剩余恰有两个解，且这两个解和为p

Cipolla定理（求n给定时的一组二次剩余）

由于满足 $\binom{w}{p}=-1$ 的解有 $\frac{p-1}{2}$ 个，选中的概率是 $\frac{1}{2}$ ，所以期望为2步

由于p是质数，所以在 $C_{p}^{i}$ 的展开式中，p和分母任意项互质，从而p不可被约掉，使 $C_{p}^{i}$ 为p的倍数

x是解，那么p-x显然是解，代入 $(p-x)^2=p^2-2*p*x+x^2\equiv x^2(mod\ p)$ 即得

所以，求了一个，即相当于求了另一个

扩域（类似复数域）

实际求 $(a+\sqrt{a^{2}-n})^{\frac{p+1}{2}}$ 时，由于 $w=\sqrt{a^{2}-n}$ 为非二次剩余，mod p意义下勒让德符号为-1

故可将与复数域联系，视为复数域中的i，进行复数域(a+i)的快速幂的运算，

实部单算，虚部单算，称其为扩域，只是这里 $w^{2}=a^{2}-n$ ，而非-1

由拉格朗日定理知，最终 $(a+\sqrt{a^{2}-n})^{\frac{p+1}{2}}$ 的虚部为0（不懂）

板子

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std; 
typedef long long ll;

ll p,w;

struct field{//扩域 x实部 y虚部
	ll x,y;
	field(ll a=0,ll b=0){
		x=a;y=b;
	}
};

field operator*(field a,field b){return field(1ll*a.x*b.x%p+1ll*a.y*b.y%p*1ll*w%p,1ll*a.x*b.y%p+1ll*a.y*b.x%p);}

ll ran(){//随机数种子
	static ll seed=23333;
	return seed=((((((ll)seed^20030927)%p+330802)%p*9410)%p-19750115+p)%p^730903)%p;
}
 
ll pows(ll a,ll b){
	ll base=1;
	while(b){
		if(b&1) base=1ll*base*a%p;
		a=1ll*a*a%p;b/=2;
	}
	return base;
}
 
field powfield(field a,ll b){//扩域快速幂
	field base=field(1,0);
	while(b){
		if(b&1) base=base*a;
		a=a*a;b/=2;
	}
	return base;
}
 
ll legander(ll x){//勒让德记号 
//返回-1时x不为二次剩余
//返回1时x为二次剩余
//返回0时p整除x
	ll a=pows(x,(p-1)/2);
	if(a+1==p) return -1;
	return a;
}
 
ll surplus(ll x){//求b.x*b.x==x(mod p)时的b.x
//即给定x，求x为二次剩余时的解b.x
//x为非二次剩余时返回-1 while(1)期望次数两次
	ll a;
	if(!x)return 0;
	if(legander(x)==-1) return -1;
	while(1){
		a=ran()%p;
		w=((1ll*a*a-x)%p+p)%p;
		if(legander(w)==-1) break;
	}
	field b=field(a,1);
	b=powfield(b,(p+1)/2);
	return b.x;
}
int main()
{
	return 0;
}