数论四大定理

数论四大定理

数论中表示同余的符号为 “ ≡ ”
给定一个正整数n,如果两个整数a和b满足a-b能被n整除
即(a−b)modn=0,amodn=b即(a-b) mod n = 0,a mod n = b(ab)modn=0amodn=b
那么就称整数a与b对模n同余,记作 a≡b(modn)a ≡ b ( mod n)ab(modn)
同余方程是一个数学方程式,该方程式的内容为:对于一组整数Z,Z里的每一个数都除以同一个数m,得到的余数可以为0,1,2,…m-1,共m种,我们就以余数的大小作为标准将Z分为m类,每一类都有相同的余数

  • 威尔逊定理

    ppp可整除(p−1)!+1(p-1)!+1(p1)!+1ppp为质数的充要条件
    即如果p是素数,则 (p−1)!≡−1(modp)(p−1)! ≡ −1 ( mod p)(p1)!1(modp)

    如果ppp不是素数,
    p=4p=4p=4时,显然(p−1)!=6,6≡2(modp)(p-1)! = 6,6 ≡ 2(mod p)p1)!=662(modp)
    p>4p>4p>4时,若p不是完全平方数,则存在两个不等的因数a,ba,bab使得ab=pab=pab=p
    (p−1)!≡nab≡0(modp);(p-1)! ≡ nab ≡ 0(mod p);(p1)!nab0(modp);
    例如p=8,(p−1)!=1×2×3×4×5×6×7=(2×4)×1×3×5×6×7例如p=8,(p-1)! = 1×2×3×4×5×6×7 = (2×4)×1×3×5×6×7p=8(p1)!=1×2×3×4×5×6×7=(2×4)×1×3×5×6×7(p−1)!能被p整除(p-1)! 能被p整除(p1)!p
    若p是完全平方数即p=k2,因为p&gt;4,所以k&gt;2,k,2k&lt;p,若p是完全平方数即p=k^2,因为p&gt;4,所以k&gt;2,k,2k&lt;p,pp=k2p>4,k>2k,2k<p
    (p−1)!≡n(k∗2k)≡n×k2≡0(modp)(p-1)! ≡ n(k*2k) ≡ n×k^2 ≡ 0 (mod p)(p1)!n(k2k)n×k20(modp)
    例如p=9,(p−1)!=1×2×3×4×5×6×7×8×9=(3×6)×1×2×4×5×7×8=(2×3×3)×1×2×4×5×7×8例如p=9,(p-1)! = 1×2×3×4×5×6×7×8×9 = (3×6)×1×2×4×5×7×8 = (2×3×3)×1×2×4×5×7×8p=9(p1)!=1×2×3×4×5×6×7×8×9=(3×6)×1×2×4×5×7×8=(2×3×3)×1×2×4×5×7×8
    如果p是素数,
    取集合 A={1,2,3,…p -1},则A 构成模p乘法的缩系
    即任意a∈A ,存在不同的b∈A,使得:( a×b ) ≡ 1 ( mod p )
    A中的元素不一定恰好两两配对,若x2≡1(modp),x≡1(modp)或x≡p−1(modp)x^2 ≡ 1 ( mod p ),x ≡ 1 ( mod p ) 或 x ≡ p - 1 ( mod p )x21(modp)x1(modp)xp1(modp)
    其余两两配对;故而(p−1)!≡1﹡(p−1)≡−1(modp)( p - 1 )! ≡ 1﹡( p -1 ) ≡ -1 ( mod p )(p1)!1(p1)1(modp)
    例如p=7,(p−1)!=1×2×3×4×5×6=1×(2×3)×(4×5)×6例如p=7,(p-1)! = 1×2×3×4×5×6 = 1×(2×3)×(4×5)×6p=7(p1)!=1×2×3×4×5×6=1×2×3×4×5×6

  • 欧拉定理

    nnn , aaa为正整数,且 nnn , aaa 互质,即 gcd(a,n)=1gcd(a,n) = 1gcd(a,n)=1,则 aφ(n)≡1(modn)a^φ(n) ≡ 1 (mod n)aφ(n)1(modn)
    将1到n中与n互质的数按顺序排布:x1,x2……xφ(n)(显然,共有φ(n)个数)将1到n中与n互质的数按顺序排布:x_1, x_2……x_{φ(n)} (显然,共有φ(n)个数)1nnx1,x2xφ(n)φ(n)
    m1=a∗x1;m2=a∗x2;m3=a∗x3……mφ(n)=a∗xφ(n)m_1 = a*x_1; m_2 = a*x_2; m_3 = a*x_3……m_φ(n) = a*x_{φ(n)}m1=ax1;m2=ax2;m3=ax3mφ(n)=axφ(n)
    这些数中的任意两个都不模nnn同余
    若ma,mb模n同余,可得ma−mb=n∗k,即xa−xb=n∗a∗k,xa−xb≡0(modn)若 m_a , m_b 模n 同余,可得 ma - mb = n*k,即 xa - xb = n*a*k,xa−xb ≡ 0 (modn)ma,mbnmamb=nkxaxb=nakxaxb0(modn)
    由于xa,xb与n互质,且xa̸=xb由于x_a, x_b与n互质,且 x_a \not= x_bxa,xbnxa̸=xb
    所以xa−xb≡0(modn)不成立,这些数中的任意两个都不模n同余所以x_a−x_b ≡ 0 (modn)不成立,这些数中的任意两个都不模n同余xaxb0(modn)n
    这些数除nnn的余数都与nnn互质
    因为a与n互质,xi与n互质,mi=a∗xi,所以可得mi与n互质因为a与n互质,x_i与n互质,m_i = a * x_i,所以可得m_i与n互质anxinmi=aximin
    m1∗m2∗...∗mφ(n)≡x1∗x2∗…∗xφ(n)(modn)m_1 * m_2 * ... * m_{φ(n)} ≡ x_1 * x_2 * … * x_{φ(n)} ( mod n )m1m2...mφ(n)x1x2xφ(n)(modn)
    a∗x1∗a∗x2∗…∗a∗xφ(n)≡x1∗x2∗…∗xφ(n)(modn)a* x_1 * a * x_2 * … * a * x_{φ(n)} ≡ x_1 * x_2 * … * x_{φ(n)} ( mod n )ax1ax2axφ(n)x1x2xφ(n)(modn)
    aφ(n)∗x1∗x2∗…∗xφ(n)≡x1∗x2∗…∗xφ(n)(modn)a^φ(n) * x_1 * x_2 * … * x_{φ(n)} ≡ x_1 * x_2 * … * x_{φ(n)} ( mod n )aφ(n)x1x2xφ(n)x1x2xφ(n)(modn)
    (aφ(n)−1)∗x1∗x2∗…∗xφ(n)≡0(modn)(a^{φ(n)}-1) * x_1 * x_2 * … * x_{φ(n)} ≡ 0 ( mod n )(aφ(n)1)x1x2xφ(n)0(modn)
    aφ(n)≡1(modn)a^{φ(n)} ≡ 1 ( mod n )aφ(n)1(modn)

  • 孙子定理(中国剩余定理)

    {x≡a1mod(m1)x≡a2mod(m2)...x≡anmod(mn) \begin{cases} x ≡ a_1 mod (m_1) \\ x ≡ a_2 mod (m_2)\\ .\\ .\\ .\\ x ≡ a_n mod (m_n)\\ \end{cases} xa1mod(m1)xa2mod(m2)...xanmod(mn)

    假设整数m1,m2,...,mnm_1,m_2, ... ,m_nm1,m2,...,mn两两互质,则对任意的整数a1,a2,...,ana_1,a_2, ... ,a_na1,a2,...,an方程组有解,并且通 解可以用如下方式构造得到:
    MMMm1,m2,...,mnm_1,m_2, ... ,m_nm1,m2,...,mn的乘积,MiM_iMi是除了mim_imi以外n−1n-1n1个数的乘积
    ti=Mi−1t_i=M_i^{-1}ti=Mi1MiM_iMimim_imi的数论倒数,Miti≡1mod(mi)M_it_i ≡1 mod (m_i)Miti1mod(mi)
    方程组的通解为x=kM+∑i=1naitiMix=kM+\sum_{i=1}^na_it_iM_ix=kM+i=1naitiMi

  • 费马小定理

    假如ppp是质数,且aaappp互质,则 a(p−1)≡1a^{(p-1)} ≡1a(p1)1ap≡a(modp)a^p ≡a(mod p)apa(modp)
    因为ppp是质数,所以φ(p)=p−1φ( p ) =p-1φ(p)=p1,若aaappp互质,由欧拉定理可得a(p−1)≡1(modp)a^{(p-1)} ≡1(mod p)a(p1)1(modp)
    ap≡a(modp)a^p ≡a(mod p)apa(modp)

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