费马小定理

本文介绍了数论中的两个重要定理——费马小定理与费马-欧拉定理。费马小定理阐述了当a与素数p互质时,a的(p-1)次方除以p的余数为1。费马-欧拉定理则是费马小定理的推广,适用于任意正整数n的情况。
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费马小定理:

a^(p-1)=1(mod)p

描述为:a的p次方与1 mod p同余,其中p为素数,即gcd(p,a)=1.


费马-欧拉定理:

a^(&(n))=1(mod)n

描述为:a的&(n)次方与1 mod n同余,其中gcd(a,n)=1;

&(n)=n*(1-1/p1)*(1-1/p2)*(1-1/p3)*........*(1-1/pi)

pi(i=1,2,,,,,,)为n的质因子;

如:&(1000)=1000(1-1/2)*(1/5),因为1000=2^3*5^3.

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费马小定理在数论和密码学中具有广泛的应用,尤其是在涉及模幂运算和素性测试的场景中。以下是几个具体的应用实例: 1. **Diffie-Hellman 密钥交换协议**:费马小定理是 Diffie-Hellman 密钥交换协议的理论基础之一。在该协议中,通信双方通过公开的素数 $p$ 和一个基底 $g$,各自选择一个私密的指数,然后交换计算结果。由于费马小定理指出 $a^{p-1} \equiv 1 \mod p$(当 $a$ 不被 $p$ 整除时),这保证了双方最终计算出的共享密钥是一致的,即使第三方截获了交换的信息,也难以推导出原始的私密指数[^1]。 2. **素性测试**:费马小定理可以用于设计一种概率性的素性测试方法。给定一个奇数 $n$,如果对于某个 $a$ 满足 $a^{n-1} \not\equiv 1 \mod n$,那么 $n$ 一定不是素数。虽然这种方法不是绝对可靠的(存在伪素数的情况),但它提供了一种快速排除非素数的方法。这一原理在实际的素性测试算法中被广泛应用[^1]。 3. **RSA 加密算法**:尽管 RSA 主要依赖于欧拉定理,但费马小定理为其提供了理论支持。在 RSA 中,加密和解密过程涉及大素数的模幂运算。费马小定理帮助理解为什么某些特定的指数选择能够确保加密和解密过程的正确性。例如,在选择公钥指数 $e$ 时,通常要求 $e$ 与 $\phi(n)$ 互素,其中 $\phi(n)$ 是欧拉函数,表示小于 $n$ 且与 $n$ 互素的正整数的个数。这一选择确保了 $e$ 存在模 $\phi(n)$ 的逆元,从而使得解密成为可能[^3]。 4. **模幂运算优化**:费马小定理还可以用于优化模幂运算。例如,在计算 $a^b \mod p$ 时,如果 $p$ 是素数,可以利用费马小定理将指数 $b$ 减少到 $b \mod (p-1)$,因为 $a^{p-1} \equiv 1 \mod p$。这种优化减少了计算的复杂度,特别是在处理大指数时非常有用[^4]。 ### 示例代码 以下是一个使用费马小定理优化模幂运算的 Python 实现: ```python def mod_exp_optimized(base, exponent, modulus): # 利用费马小定理优化指数 optimized_exponent = exponent % (modulus - 1) result = 1 base = base % modulus while optimized_exponent > 0: if optimized_exponent % 2 == 1: result = (result * base) % modulus base = (base * base) % modulus optimized_exponent = optimized_exponent // 2 return result # 测试案例 a = 5 p = 7 b = 100 result = mod_exp_optimized(a, b, p) print(f"{a}^{b} ≡ {result} (mod {p})") ``` ###
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