二次剩余的判別方法-高斯引理(上)


——這是一個很重要的定理,雖然在實際判斷二次剩余時不會使用這種方法,但是在證明二次互反律中有核心地位

閱讀之前,你應該知道:二次剩余,勒讓德符號,整除的基本知識,剩余系的概念

我們先看看定理說什么(定理描述和下述運算均在最小絕對值剩余系下)

假設p是一個奇素數,數組A={1,2,....,(p-1)/2}

現在我們想判斷一個數a(模p非0)是否為模p的二次剩余

我們計算Aa={1a,2a,......(p-1)a/2}

在Aa中,如果小於0的個數有奇數個,那么a就不是二次剩余,如果有偶數個,a就是二次剩余(注意是在最小絕對值剩余系下)

想必你看到這里已經有了一些想法

我們用fac(x)表示x的階乘,因為用!顯得太亂了,然后legendre(a,p)表示a對p的勒讓德符號

對Aa求積,注意(p-1)/2個a相乘由歐拉判別條件可知就等於legendre(a,p)

所以我們得到legendre(a,p)*fac((p-1)/2)=Π(Aa)  ······················································(1)

我們再考察Aa,你會發現Aa中不可能存在0,不可能存在相等的兩個數,不可能存在互為相反數的兩個數    

不存在0很顯然,不存在相等的兩個數也很顯然,我們看看不存在互為相反數的兩個數,反證法

設存在ax=-ay mod p

=> p整除a(x+y)

因為x,y屬於[1,(p-1)/2]

所以x+y屬於[1,p-1]

故p不整除x+y,又p不整除a

因此p不整除a(x+y),得出矛盾

證畢

既然Aa滿足上述條件,那么Aa的絕對值只能取值1到(p-1)

所以Π(Aa)=fac((p-1)/2)*(-1)^(負數個數)·······························································(2)

由(1),(2)可得

legendre(a,p)=(-1)^(負數個數)

今天先寫到這里,后面我們繼續討論定理的變形和二次互反律的證明。

感謝大家閱讀,我不是數學專業的所以文筆可能較差,想把深奧的數學知識通俗描述,

希望對這些知識感興趣的非專業的朋友們能夠有所收獲。


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