數論-模數是素數的同余式(拉格朗日定理)


Th1:設p是素數,f(x)=an*(x**n)+an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0,n≥1,an≠0 (mod p) (f(x)∈Z[x]),則f(x)≡ 0 (mod p)的解數不超過n(拉格朗日定理)

證明:

(f(x)的解集∈{C0,C1,C2...,Cp-1})

①若p≤n,則解數≤n

②若p>n,(使用歸納法證明)

當n=1時,a1*x+a0  ≡ 0 (mod p),∵(a1,p)=1(根據an≠0 (mod p)),且(a1,p)|a0,故恰有1個解,此時解數≤n(次數)

假設當n=n-1時,假設成立,即解數≤n-1,則當n=n時,

假設f(x)≡ 0 (mod p)有n+1個解,即{Cx0,Cx1,Cx2,...Cxn}(0≤x0,...,xn≤p-1)

有帶余除法(針對多項式)可得,f(x)=(x-x0)*g(x)+r(x)(以(x-x0)為除數,且r(x)的次數會小於除數,∵(x-x0)次數為1,故r(x)次數為0 ,即常數,這里變成r)

將x=x0帶入得,f(x0)=r 

∵f(x0)≡0 mod(p)

∴r ≡ 0 (mod p)(兩邊同時加上(x-x0)*g(x))

∴r+(x-x0)*g(x) ≡ 0 (mod p)

∴f(x)≡(x-x0)*g(x) (mod p)(這里g(x)的最高次項為n-1)

∴f(xk)≡(xk-x0)*g(xk) (mod p)

又∵f(xk) ≡ 0 (mod p), (Cxk-x0,p)=1

∴g(xk) ≡ 0 (mod p)

故g(xk)的最高次數為n-1且有n個解

又∵根歸納假設,當n=n-1時,解數<=n-1

故與假設相矛盾,因此當n=n時,有n個解

Th2:f(x) ≡ 0 (mod p) 的解數>n,則p|ai,i=0,1,...,n

證明:

∵f(x) ≡ 0 (mod p) 的解數>n

∴f(x)的最高次項常數an≡0(mod p)(根據Th1,反着來)

又∵p為素數,故p|an

∴f(x)=an*(x**n)+an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0 (mod p)

  =an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0 (mod p)

此時,次數為n-1,而解數>n(與原本的式子解數一致),故an-1≡0 (mod p),即p|an-1

以此類推,p| an-3,...p|a1,p|a0,即p|ai(i=0,1,2,...,n)

Th3:f(x)=(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))-x**(p-1)+1的所有系數能被p整除

證明:

f(x)≡0(mod p)的解x∈{0,1,2,3,...,p-1},且f(x)的次數

當x=1,2,...p-1時,多項式(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))=0,即(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))≡0 (mod p)有p-1個解,故此時f(x)=1-x**(p-1) (mod p)

又∵(x,p)=1,根據歐拉定理,x**φ(p)≡1 (mod p)

∵p為素數,故1-1≡0(mod p)(對於同余式x**φ(p)≡1 (mod p),x∈{1,2,3,...,p-1},都成立)

也就是說,f(x)≡0 (mod p)的解有p-1個

又∵f(x)本身的項≤p-2,即f(x)的解數>次數,根據Th2,可得p|ai,也就是所有系數可以被p整除

推論:當x=0時,f(0)=(-1)*(-2)*...*(0-(p-1))=(p-1)!+1,又f(0)正為f(x)常數項系數(根據Th3可知,系數度能被p整除),故p|(p-1)!+1即(p-1)!+1≡0(mod p)(威爾遜定理)

Th4:p>3,則∑(k=1,p-1)(p-1)!/k≡0 (mod p**2)

如圖:(式子太難打了!)

 

 

 推論:如圖

 

 注意:以上的p代表的是奇素數!!!


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