二次剩余--欧拉准则

数论中, 二次剩余欧拉判别法(又称 欧拉准则)是用来判定给定的 整数是否是一个 质数二次剩余

目录

叙述

p是奇质数p不能整除d,则:

d是模 p的二次剩余 当且仅当
d^{ \frac{p-1}{2}} \equiv 1 \pmod{p}
d是模 p的非二次剩余当且仅当:
d^{ \frac{p-1}{2}} \equiv -1 \pmod{p}

勒让德符号表示,即为: d^{ \frac{p-1}{2}} \equiv \left( \frac{d}{p}\right) \pmod{p}

举例

例子一:对于给定数,寻找其为二次剩余的模数

a = 17。对于怎样的质数p,17是模p的二次剩余呢?

根据判别法里给出的准则,我们可以从小的质数开始检验。

首先测试p = 3。我们有:17(3 − 1)/2 = 171 ≡ 2 (mod 3) ≡ -1 (mod 3),因此17不是模3的二次剩余。

再来测试p = 13。我们有:17(13 − 1)/2 = 176 ≡ 1 (mod 13),因此17是模13的二次剩余。实际上我们有:17 ≡ 4 (mod 13),而22 = 4.

运用同余性质和勒让德符号可以加快检验速度。继续算下去,可以得到:

对于质数 p = 13, 19, \cdots,(17/ p) = +1(也就是说17是模这些质数的二次剩余)。
对于质数 p = 3, 5, 7, 11, 23, \cdots,(17/ p) = -1(也就是说17是模这些质数的 二次非剩余)。

例子二:对指定的质数p,寻找其二次剩余

哪些数是模17的二次剩余?

我们可以手工计算:

1 2 = 1
2 2 = 4
3 2 = 9
4 2 = 16
5 2 = 25 ≡ 8 (mod 17)
6 2 = 36 ≡ 2 (mod 17)
7 2 = 49 ≡ 15 (mod 17)
8 2 = 64 ≡ 13 (mod 17)

于是得到:所有模17的二次剩余的集合是{1,2,4,8,9,13,15,16}。要注意的是我们只需要算到8,因为9=17-8,9的平方与8的平方模17是同余的:92 = (−8)2 = 82 ≡ 13 (mod 17).(同理不需计算比9大的数)。

但是对于验证一个数是不是模17的二次剩余,就不必将所有模17的二次剩余全部算出。比如说要检验数字3是否是模17的二次剩余,只需要计算3(17 − 1)/2 = 38 ≡ 812 ≡ ( − 4)2 ≡ − 1 (mod 17),然后由欧拉准则判定3不是模17的二次剩余。

欧拉准则与高斯引理以及二次互反律有关,并且在定义欧拉-雅可比伪素数(见伪素数)时会用到。

证明

首先,由于p 是一个奇素数,由费马小定理d^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}。但是p-1是一个偶数,所以有

(d^{ \frac{p-1}{2} } -1) \cdot (d^{ \frac{p-1}{2} }+1) \equiv 0 \pmod{p}

p 是一个素数,所以d^{ \frac{p-1}{2} } -1d^{ \frac{p-1}{2} }+1 中必有一个是p 的倍数。因此d^{ \frac{p-1}{2} } p的余数必然是1或-1。

  • 证明若d是模p的二次剩余,则d^{ \frac{p-1}{2}} \equiv 1 \pmod{p}

d是模p的二次剩余,则存在 x^2 \equiv d \pmod{p}pd,x互质。根据费马小定理得:

d^{ \frac{p-1}{2}} \equiv x^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}
  • 证明若d^{ \frac{p-1}{2} } \equiv 1 \pmod{p},则d是模p的二次剩余

p 是一个奇素数,所以关于p原根存在。设ap的一个原根,则存在1 \le j \le p-1使得d=a^j。于是

a^{j \frac{p-1}{2} } \equiv 1 \pmod{p}
ap的一个 原根,因此 ap的指数是 p-1,于是 p-1整除  \frac{ j(p-1) }{2} 。这说明 j是一个偶数。令 i = \frac{j}{2},就有 (a^i)^2 =a^{2i} = dd是模 p
<think>我们正在处理的问题是:为什么在模29运算中负1是必须的? 用户意图是理解数学或编程中关于模运算的矛盾问题。具体来说,用户可能遇到了在模29运算中结果出现-1的情况,并想知道为什么不能是1,或者为什么-1是必要的。 根据之前的讨论,我们知道在模质数p的运算中,-1(即p-1)是一个非常重要的元素,特别是在二次剩余欧拉准则中。在模29下,-1的出现是由于3是模29的二次非剩余,因此3^14 ≡ -1 mod 29。 为了更全面地回答这个问题,我们需要解释在模运算中负数的概念以及为什么有时必须使用负数表示结果。 搜索词:模运算 负数 必要性 模质数 二次剩余 通过搜索,我们可以整合以下信息: 1. 模运算中负数的表示:在模运算中,负数通常被转换为等价的正数,但有时保留负数形式更直观,特别是在代数结构中(如环论)。模m的完全剩余系可以是{0,1,...,m-1},也可以是{-floor((m-1)/2), ..., 0, ..., floor(m/2)},这取决于上下文。 2. 在模质数p的运算中,-1(即p-1)具有特殊的性质。例如,欧拉准则告诉我们,对于一个整数a和奇质数p,a^{(p-1)/2} ≡ (a/p) mod p,其中(a/p)是勒让德符号,取值为1或-1。因此,当a是二次非剩余时,结果必须是-1,而不是1。 3. 在模29的情况下,因为29是奇质数,所以有上述性质。我们计算3^14 mod 29,得到-1,这是因为3不是模29的二次剩余(即不存在整数x使得x^2 ≡ 3 mod 29)。 4. 为什么必须用-1?因为1和-1在模意义下是不同的元素。在模29下,1和28(即-1)是不同的整数,它们代表不同的剩余类。如果我们将28写成-1,那么在一些代数运算中(比如解方程)会更为方便,例如x^2 ≡ a mod p,当a=-1时,实际上就是x^2 ≡ 28 mod 29,而28在模29下等于-1。 5. 在编程中,模运算的结果通常返回非负整数,因此-1 mod 29会表示为28。但在数学推导中,使用-1可以更清晰地表达一些性质(如平方根:-1的平方根是否存在?在模运算中,当p≡1 mod 4时,-1是二次剩余,而29≡1 mod 4,所以-1在模29下是二次剩余,即存在x使得x^2≡-1 mod 29)。 因此,回答的重点是:在模29运算中,-1(即28)是必须的,因为它代表了一个不同的剩余类,并且在数论性质(如二次剩余)的表示中具有不可替代的作用。 下面我们按照要求组织回答: 在模运算中,负数的使用是为了完整表示剩余类环中的所有元素。模$m$的剩余系通常有两种表示方式:最小非负剩余系(${0,1,\ldots,m-1}$)和绝对值最小剩余系(负数为$-1$等)。在模$29$运算中,$-1$(等价于$28$)是必须的,因为它与$1$属于不同的剩余类,且具有独特的代数性质。 具体到模$29$,$-1$的必要性体现在以下方面: 二次剩余的判定:根据欧拉准则,对于奇质数$p$和整数$a$,$a^{(p-1)/2} \equiv \left(\frac{a}{p}\right) \pmod{p}$,其中$\left(\frac{a}{p}\right)$是勒让德符号,取值为$1$($a$是模$p$的二次剩余)或$-1$($a$是模$p$的二次非剩余)。当$a$是二次非剩余时,结果必须是$-1$,而不能是$1$,因为$1$代表的是二次剩余。 例如,计算$3$在模$29$下的勒让德符号: $$3^{(29-1)/2} = 3^{14} \equiv -1 \pmod{29}$$ 因此,$3$是模$29$的二次非剩余。若将结果写为$28$(即$-1$),则同样满足,但用$-1$表示更符合勒让德符号的定义。 在方程求解中,$-1$的表示更简洁。例如,解$x^2 \equiv -1 \pmod{29}$,其中$-1$直接表示$28$。由于$29 \equiv 1 \pmod{4}$,该方程有解($x \equiv \pm 12 \pmod{29}$,因为$12^2=144 \equiv 144-4\times29=144-116=28 \equiv -1 \pmod{29}$)。 在编程中,模运算的结果通常是非负的,因此$-1 \pmod{29}$会被表示为$28$。但在数学推导中,使用$-1$可以更清晰地表达数论性质。 以下代码演示了在Python中计算$3^{14} \mod 29$,结果以非负数形式输出: ```python print(pow(3, 14, 29)) # 输出28 ``` 然而,在数学上,我们更倾向于写成$-1$,因为它揭示了二次非剩余的性质。 因此,在模29运算中,$-1$(或等价形式)是必须的,因为它与$1$代表不同的剩余类,并且在二次剩余理论中具有关键作用。 §§相关问题§§: 1. 如何判断一个数是否是模质数$p$的二次剩余? 2. 在模运算中,为什么有时使用负数表示结果更方便? 3. 对于模$p$(奇质数),$-1$是二次剩余的条件是什么?</think>在模29运算中,负1($-1$)的必须性源于数论中的核心概念和模运算的代数结构。以下是关键原因分析: ### 1. 剩余系的完整性 模$m$运算定义完整的剩余系为$\{0,1,2,\dots,m-1\}$,但$-1$等价于$m-1$(即$28$),代表同一剩余类: $$-1 \equiv 28 \pmod{29}$$ 这种表示是合法的,因为: $$28 - (-1) = 29 \quad \text{(被29整除)}$$ ### 2. 二次剩余的判定(欧拉准则) 对于奇质数$p$,勒让德符号$\left(\frac{a}{p}\right)$判定$a$是否为模$p$的二次剩余: $$\left(\frac{a}{p}\right) \equiv a^{(p-1)/2} \pmod{p}$$ - 结果为$1$:$a$是二次剩余 - 结果为$-1$:$a$是二次非剩余 以$a=3, p=29$为例: $$3^{(29-1)/2} = 3^{14} \equiv -1 \pmod{29}$$ 此计算必须得$-1$,因为: ```python pow(3, 14, 29) # 返回28 ≡ -1 mod 29 ``` ### 3. 方程解的存在性 在模运算中,$-1$是特定方程的必要解: - **平方根方程**:$x^2 \equiv -1 \pmod{p}$ 当$p \equiv 1 \pmod{4}$时(如$29=4×7+1$),解存在 例:$12^2 = 144 \equiv 144 - 4×29 = 144 - 116 = 28 \equiv -1 \pmod{29}$ - **单位元逆元**:在乘法群$\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}^×$中 $-1$是阶为2的唯一元素,满足$(-1)^2 = 1$ ### 4. 代数结构的对称性 模$p$的环结构要求负元素存在: - 加法逆元:对任意$a$,存在$-a$满足$a + (-a) \equiv 0$ - 乘法性质:$-1 × a \equiv -a$保持运算封闭性 例:$-1 × 5 \equiv -5 \equiv 24 \pmod{29}$ ### 5. 中国剩余定理的应用 当模数为合数时,$-1$在子系统中的一致性是关键: 若方程组: $$\begin{cases} x \equiv -1 \pmod{p} \\ x \equiv -1 \pmod{q} \end{cases}$$ 则中国剩余定理保证$x \equiv -1 \pmod{pq}$ ### 编程实现示例 Python计算验证$3^{14} \mod 29$: ```python n = 29 result = pow(3, 14, n) # 返回28 print(f"3^14 mod 29 = {result} ≡ {-1 % n}") ``` 输出: ``` 3^14 mod 29 = 28 ≡ 28 ```
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