數論-二次剩余、歐拉判別准則、高斯引理


定義:∀ n,m ,(n,m)=1,m≥2,若n是模m的二次剩余《==》x**2 ≡ n (mod m)有解

例:

若n=2,m=3,x**2 ≡ 2 (mod 3)無解,則2是模3的二次非剩余

若n=2,m=7,x**2 ≡ 2 (mod 7)在x=3時成立,有解,故2是模7的二次剩余

Th1:在模p(奇素數)的縮系{1,2,3,...,p-1}中,有(p-1)/2個二次剩余和(p-1)/2個二次非剩余,且其中二次剩余為A:{<1>,<2**2>,...,<((p-1)/2)**2>}

證明:

(A中元素兩兩不同)

假設 ∃i,j i≠j ,1≤i≤(p-1)/2有

<i**2> ≡ <j**2>

故<i**2> ≡ i**2 (mod p)

<j**2> ≡ j**2 (mod p)

∴i**2 ≡ j**2 (mod p)

∴p|(i**2-j**2)即p | (i+j)*(i-j)

∵2<i+j<p-1

∴p|i-j,故p≤|i-j|

∵|i-j|<(p-1)/2

∴假設所得結果與事實不成立,故A中元素兩兩不同

(A中每個元素是模p的二次剩余)

∀ <i**2> ∈A ,<i**2> ≡ i**2 (mod A)

∴ ∃x=i,有x**2≡ <i**2> (mod p)

故A中的每個元素是模p的二次剩余

(n∈{1,2,...,p-1}(模p的縮系)是模p的二次剩余,則n∈A)

∃ x,有x**2 ≡ n (mod p)

∴(p-x)**2 ≡ n (mod p)

若x≥(p-1)/2+1,(p-x)≥(p-1)/2+1,則p≥p+1,但p<p+1,故p-x和x中有一個≤(p-1)/2,一個≥(p-1)/2+1

∴n ≡ x**2 (mod p) (或者n ≡ (p-x)**2 (mod p))

∵x≤(p-1)/2(或p-x≤(p-1)/2)

故n∈A,即A中每個元素是模p的二次剩余,得證

Th2:(歐拉判別准則

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引入勒讓德符號:(n/p),其中

①(n/p)=1  --> n是p的二次剩余

②(n/p)≠1  --> n是p的二次非剩余

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①若(n/p)=1,則n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p)

②若(n/p)=-1,則n**((p-1)/2) ≡ -1 (mod p)

證明:

((n/p)=1 => n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p))

∵(n/p)=1

故∃ x,有 x**2 ≡ n (mod p)

∵(x,p)=1,故x**(p-1) ≡ 1 (mod p)

故(x**2)**((p-1)/2) ≡ n**(p-1)/2 (mod p)

即n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p)

( n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p) => (n/p)=1)

∵n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p),且1 ≠ 0 (mod p)

根據拉格朗日定理,可知對於同余式,解數≤(p-1)/2

又∵對於集合A={<1>,<2**2>,...,<((p-1)/2)**2>}

取i∈A,則有(<i**2>)**(p-1)/2 ≡ (i**2)**(p-1)/2 ≡ i**(p-1)  ≡ 1 (mod p)

∴A中元素為同余式n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p)的解

又∵A中元素恰為(p-1)/2個∴A中元素就是同余式n**((p-1)/2) ≡ 1 (mod p)的解,也就是說n的取值在集合A中

∴(n/p)=1

若(n/p)=-1,則(n/p)≠1

∴n**(p-1)/2 ≠ 1 (mod p)

∵(n,p)=1 ∴n**(p-1)  ≡ 1 (mod p)

∴(n**(p-1)/2)**2  ≡ 1(mod p)

∴((n**(p-1)/2)**2)-1 ≡ 0 (mod p)

∴p | (n**(p-1)/2)**2-1 即p | ((n**(p-1)/2)+1)*((n**(p-1)/2)-1)

∵n**(p-1)/2 ≠ 1 (mod p) ∴ p | (n**(p-1)/2)+1 即 (n**(p-1)/2) ≡ -1 (mod p)

得證,綜上所述,n**(p-1)/2  ≡ (n/p) (mod p)

推論:若p 不整除於 m*n,則((m*n)/p)=(m/p)*(n/p)

證明:

(m/p)=m**(p-1)/2 (mod p)

(n/p)=n**(p-1)/2 (mod p)

故(m/p)*(n/p)=m**(p-1)/2 * n**(p-1)/2  (mod p)

                     = (m*n)**((p-1)/2) (mod p)=((m*n)/p) (mod p),得證

高斯引理:

若(p,n)=1,<1*n><2*n>,...,<(p-1)/2*n>中有m個數>p/2,則(n/p)=(-1)**m

證明:設集合A={<1*n>,<2*n>,...,<(p-1)/2*n>}={a1,a2,...,al,b1,b2,...,bm},其中1≤ai<p/2, bj>p/2,l+m=p-1,A∈{1,2,...,p-1}

則p-bj≠ ai (mod p)

(

證明p-bj≠ ai (mod p):

p/2<bj<p-1<p

故0<bj<p/2,即1≤p-bj<p/2

若p-bj ≡ ai (mod p),則ai+bj≡ 0 (mod p)

∴∃ x,y,有<x*n>+<y*n> ≡ 0 (mod p)

即<n*(x+y)> ≡ 0 (mod p)

∵x,y∈[1,p-1/2]

∴x+y∈[2,p-1]

∴(<x+y>,p)=1

∵(n,p)=1,故<n*(x+y)> ≠ 0 (mod p)

與<n*(x+y)> ≡ 0 (mod p),故不存在這樣的x,y使得p-bj ≡ ai (mod p)成立

∴p-bj≠ ai (mod p)

)

∴{a1,a2,...,al,p-b1,p-b2,...,p-bk}={1,2,...,(p-1)/2}(模p的二次剩余集合)

∴∏ai*∏(p-bj)=((p-1)/2)!

∵ai,bj∈{<1*n><2*n>,...,<(p-1)/2*n>},故

∏ai*∏(p-bj) = [1*2*...*((p-1)/2)]*[(-1)**(m)]*[n**(p-1)/2] ≡ ((p-1)/2)! (mod p)

即 [(-1)**(m)]*[n**(p-1)/2]  ≡ 1 (mod p)

∵[n**(p-1)/2] ≡ (n/p) (mod p)

∴ [(-1)**(m)]*[n**(p-1)/2] =(n/p)*(-1)**(m) ≡ 1 (mod p)

∴(n/p)≡(-1)**(m) (mod p)得證

 


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