數論-剩余類、完全剩余系、縮系、歐拉函數


剩余類:

∀ 0≤r≤m-1(m≥1),Cr={x∈Z | x≡ r (mod m)}={m*q+r|q∈Z}=[r](除m余r的所有數集合),則C0,C1,C2,...,Cm-1為模m的剩余類(共有m個)

性質1:

①∀ x∈Z, ∃ 0≤r≤m-1,x∈Cr(Cr的定義)

②x,y ∈Cj,0≤j≤m-1, 當且僅當x≡y  (mod m)

完全剩余系:

定義:a0,a1,a2,...,am-1是模m的一組完全剩余系《=》aj∈Cj, 0≤j≤m-1

非負最小完全剩余:0,1,2,...,m-1

性質2:

{a1,a2,...,am-1}是模m的一組完全剩余系,當且僅當 ∀ 1≤i<j≤m,ai ≠ aj (mod m)

性質3:

若(k,m)=1,a1,a2,...,am是模m的一組完全剩余系,則k*a1,k*a2,...,k*am-1是模m的一組完全剩余系

證明:(證明他們之間兩兩不同余)

∀ 1≤i<j≤m,假設 k*ai ≡ k*aj (mod m)

則 m | k*(ai-aj)

∵(m,k)=1 ∴ m | (ai-aj)

∴ai ≡ aj (mod m)

又∵ ai ≠ aj (mod m),與假設相矛盾,故假設不成立,即k*a1,k*a2,...,k*am-1之間兩兩不同余,是模m的一組完全剩余系

性質4:

若(m,n)=1,a1,a2,...,am和b1,b2,...,bn分別為模m和模n的完全剩余系,則{n*ai+m*bj | 1≤i≤m ,1≤j≤n}是模m*n的一組完全剩余系

證明:(證明在集合內兩兩不同余)

假設:n*a+m*b≡ n*α+m*β(mod m*n)

其中 a,α ∈{a1,a2,...,am}, b,β∈(b1,b2,...,bn)

故 m*n | n*(a-α)+m*(b-β)

故m | n*(a-α)+m*(b-β)

∵(m,n)=1,故m|(a-α)

即a  ≡ α (mod m)

又∵ a,α ∈{a1,...,am},,故 a ≠ α (mod m)與假設矛盾,同理可證b ≡ β (mod n)與假設矛盾

故假設不成立,即n*a+m*b ≠ n*α+m*β(mod m*n),根據性質2,可知{n*ai+m*bj | 1≤i≤m ,1≤j≤n}是模m*n的一組完全剩余系

性質5:

若n≥3,a1,a2,...,an和b1,b2,...,bn為模m的完全剩余系,則a1*b1,a2*b2,...,an*bn不為模m的一組完全剩余系

性質6:

設p為素數,則(p-1)! +1 ≡ 0 (mod p)(威爾遜定理

(這里先舉例把,證明太復雜了!!!以后補上)

若p=2,則1!+1=2≡0 (mod 2)

若p=3,則2!+1=3≡0 (mod 3)

若p=5,則4!+1=25≡0(mod 5)

若p=7,則6!+1=721≡0 (mod 7)

...()

縮系

定義:剩余類中與m互素的剩余類集合

數學公式表示:(Z/mz)*={Cr | 0≤r≤m-1, (r,m)=1}中的元素叫做與模m互素的剩余類(這里的元素即是集合)

|(Z/mz)*| ==>m的剩余類中與m互素的剩余類集合的個數(是有限個)

歐拉函數:φ(m)=|(Z/mz)*| 或 φ(m)={r | 0≤r≤m-1,(m,r)=1}(一個r與一個剩余類(模m余r)一 一對應)

如何求一個數的歐拉函數?

例:

對於φ(1),完全剩余系{0},(0,1)=1,故存在一個,即φ(1)=1

對於φ(2),完全剩余系{0,1},(0,2)=2,(1,2)=1,故存在一個,即φ(2)=1

對於φ(3),完全剩余系{0,1,2},(0,3)=3,(1,3)=1,(2,3)=1,故存在兩個,即φ(3)=2(這里以非負最小完全剩余系來為代表)

一個關於歐拉函數的結論:若p為素數,則φ(p)=p-1

 

性質1:設(Z/mz)*={Cr1,Cr2,...,Crφ(m)},其中0≤r1,r2,...,rφ(m)≤m-1,a1,a2,...,aφ(m)是模m的一組縮系,則ai∈Cri, 1≤i≤φ(m)

性質2:縮系中有φ(m)個元素

性質3:若a1,a2,..,aφ(m)個與m互素的數構成模m的一組縮系,當且僅當元素兩兩不同余

性質4:(a,m)=1,{a1,a2,...,aφ(m)}是模m的一組縮系,則{a*a1,a*a2,...,a*aφ(m)}也構成模m的一組縮系

性質5:設m≥2,(a,m)=1,則a**(φ(m)) ≡ 1 (mod m)

證明:設r1,r2,...,rφ(m)是模m的一組縮系,則a*r1,a*r2,...,a*rφ(m)也為模m的一組縮系

  a*r1 ≡ <a*r1> (mod m)

  a*r2 ≡ <a*r2> (mod m)

  .

  .

  .

  a*rφ(m) ≡<a*rφ(m)> (mod m)

其中{a*r1,a*r2,...,a*rφ(m)}和{<a*r1>,<a*r2>,...,<a*rφ(m)>}都為模m的一組縮系

左邊相乘,右邊相乘得:

(a*r1) *(a*r2) *...*(a*rφ(m)) ≡ r1*r2*...*rφ(m) (mod m)

a**(φ(m)) *(r1*r2*...*rφ(m)) ≡ r1*r2*...*rφ(m) (mod m)

即a**(φ(m))  ≡ 1 (mod m)

性質6:設p為素數,則a**p=a (mod p)

證明:

若(a,p)=1

根據性質5可知,a**(φ(p)) ≡ 1 (mod p)

∵p為素數

∴φ(p)=p-1

∴a**(p-1) ≡ 1 (mod p)

即a**p  ≡ a (mod p)

若(a,p)≠1,p為素數,則p|a ∴a**p ≡ a (mod p)(余數為0)

性質7:m≥1,n≥1,(m,n)=1,a1,a2,...aφ(m), b1,b2,...,bφ(n)分別是模m和模n的一組縮系,則{n*ai+m*bj | 0≤i≤φ(m), 0≤j≤φ(n)}是模m*n的一組縮系

推論:若(m,n)=1,則φ(m*n)=φ(m)*φ(n)

性質8:設n的標准分解n=(p1**a1)*(p2**a2)*...*(pk**ak) (p≥2,且其中p1<p2<...<pk,都為素數)

則φ(n)=n*(1-1/p1)*...*(1-1/pk),且(元素之間兩兩同余)

證明:

∵((pi**a1),(pj**aj))=1

∴φ(n)=φ(p1**a1)*φ(p2**a2)*...*φ(pk**ak)

∵(x,p**a)=1,當且僅當(x,p)=1

∴集合{1,2,3,...,p**a}中與p**不互素的元素有{p,2*p,...,(p**a-1)*p},共有p**a-1個,故a互素的有(p**a-p**a-1)個

故φ(p**a)=(p**a-p**(a-1))=p**a(1-1/p)

故φ(n)=p1**a1(1-1/p1)*p2**a2(1-1/p2)*...*pk**ak(1-1/pk)

          =(p1**a1)*(p2**a2)*...*(pk**ak) *((1-1/p1)*...*(1-1/pk))

     =n*(1-1/p1)*...*(1-1/pk),得證

 


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