同余及其性质(Congruence)

同余是数论中的基本概念,表示两个整数除以同一正整数m的余数相等。它具有反身性、对称性、传递性、可加减性和可乘性等重要性质。这些性质在模算术和加密算法等领域有广泛应用。

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同余(Congruence Modulo)是数论中的一种等价关系。给定一个正整数 m m m ,如果用 m m m去除任意两个正整数 a a a b b b所得到的余数相同,我们就称 a , b a,b a,b对模 m m m同余,记为 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),否则称 a , b a,b a,b对模 m m m不同余,记为 a ≢ b  (mod  m ) a\not\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),其中 m m m称作模。

  • 性质1(反身性): a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m)
  • 性质2(对称性):若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),那么 b ≡ a  (mod  m ) b\equiv a\text{ (mod } m) ba (mod m)
  • 性质3(传递性):若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),那么 b ≡ c  (mod  m ) → a ≡ c  (mod  m ) b\equiv c\text{ (mod } m) \rightarrow a\equiv c\text{ (mod } m) bc (mod m)ac (mod m)
  • 性质4(可加减性):若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m) c ≡ d  (mod  m ) c\equiv d\text{ (mod } m) cd (mod m),那么 a ± c ≡ b ± d  (mod  m ) a\pm c \equiv b \pm d\text{ (mod } m) a±cb±d (mod m)

证明:设 a = V a b + K a ∗ m ,   b = V a b + K b ∗ m ,   c = V c d + K c ∗ m ,   d = V c d + K d ∗ m a = V_{ab} + K_a*m,\ b= V_{ab} + K_b*m,\ c = V_{cd} + K_c*m,\ d = V_{cd} + K_d*m a=Vab+Kam, b=Vab+Kbm, c=Vcd+Kcm, d=Vcd+Kdm,则 ( a ± c ) % m = ( A ± C ) (a \pm c)\%m=(A\pm C) (a±c)%m=(A±C) ( b ± d ) % m = ( A ± C ) (b\pm d)\% m=(A\pm C) (b±d)%m=(A±C),即 a ± c ≡ b ± d  (mod  m ) a\pm c\equiv b\pm d\text{ (mod } m) a±cb±d (mod m)

  • 性质5(可乘性):若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m) c ≡ d  (mod  m ) c\equiv d\text{ (mod } m) cd (mod m),那么 a c ≡ b d  (mod  m ) ac\equiv bd\text{ (mod } m) acbd (mod m)

证明:设 a = V a b + K a ∗ m ,   b = V a b + K b ∗ m ,   c = V c d + K c ∗ m ,   d = V c d + K d ∗ m a = V_{ab} + K_a*m,\ b= V_{ab} + K_b*m,\ c = V_{cd} + K_c*m,\ d = V_{cd} + K_d*m a=Vab+Kam, b=Vab+Kbm, c=Vcd+Kcm, d=Vcd+Kdm,则 a c = ( V a b + K a ∗ m ) ( V c d + K c ∗ m ) ac=(V_{ab} + K_a*m)(V_{cd} + K_c*m) ac=(Vab+Kam)(Vcd+Kcm) a c = ( V a b + K b ∗ m ) ( V c d + K d ∗ m ) ac=(V_{ab} + K_b*m)(V_{cd} + K_d*m) ac=(Vab+Kbm)(Vcd+Kdm),所以 a c % m = V a b V c d % m ac\%m=V_{ab}V_{cd}\% m ac%m=VabVcd%m b d % m = V a b V c d % m bd\%m=V_{ab}V_{cd}\% m bd%m=VabVcd%m,即 a c ≡ b d  (mod  m ) ac\equiv bd\text{ (mod } m) acbd (mod m)

  • 性质6:若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),那么 k a ≡ k b  (mod  m ) ka\equiv kb\text{ (mod } m) kakb (mod m)
  • 性质7:若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m) g c d ( c , m ) = 1 gcd(c, m) = 1 gcd(c,m)=1,那么 a c ≡ b c  (mod  m ) \frac{a}{c} \equiv \frac{b}{c}\text{ (mod } m) cacb (mod m)
  • 性质8:若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m),则 k a ≡ k b  (mod  k m ) ka\equiv kb\text{ (mod } km) kakb (mod km)
  • 性质9:若 a ≡ b  (mod  m ) a\equiv b\text{ (mod } m) ab (mod m) c c c a , b , m a,b,m a,b,m的公因数,则 a c ≡ b c  (mod  m c ) \frac{a}{c}\equiv \frac{b}{c}\text{ (mod } \frac{m}{c}) cacb (mod cm)
  • 性质10:若 a ≡ b  (mod  m i ) , i = 1 , 2 , ⋯   , k a\equiv b\text{ (mod } m_i), i = 1, 2, \cdots, k ab (mod mi),i=1,2,,k,则 a ≡ b  (mod lcm( m 1 , m 2 , ⋯   , m k ) ) a \equiv b \text{ (mod lcm(} m_1, m_2, \cdots, m_k)) ab (mod lcm(m1,m2,,mk))
  • 性质11:若 a ≡ b  (mod  m ) , c ∣ m , c > 0 a\equiv b\text{ (mod } m), c|m,c>0 ab (mod m),cm,c>0,则 a ≡ b  (mod  c ) a\equiv b \text{ (mod } c) ab (mod c)
  • 性质12:若 a ≡ b  (mod  m ) a \equiv b \text{ (mod } m) ab (mod m),则 gcd ⁡ ( a , m ) = gcd ⁡ ( g , m ) \gcd(a ,m) = \gcd(g, m) gcd(a,m)=gcd(g,m)

参考文献:

  1. 同余类
  2. 同余及其性质
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