数论概论学习小结

要计算两个整数 $a$ 与 $b$ 的最大公因数，先令 $r_{-1}=a$ 且 $r_{0}=b$， 然后计算相继的商和余数 $$ r_{i-1}=q_{i+1} \times r_i+r_{i+1} (i = 0,1,2,\dots) $$ 直到某余数 $r_{n+1}$ 为 $0$. 最后的非零余数 $r_n$ 就是 $a$ 与 $b$ 的最大公因数.

设 $a$ 与 $b$ 是非零整数， $g=gcd(a,b).$ 方程 $$ax+by=g$$ 总是有一个整数解 $(x_1,y_1)$，它可由前面叙述的欧几里得算法得到. 则方程的每一个解可由 $$( x_1+k\cdot\frac{b}{g},y_1-k\cdot\frac{a}{g} )$$得到, 其中 $k$ 可为任意整数.

令 $p$ 是素数, 假设 $p$ 整除乘积 $ab$ , 则 $p$ 整除 $a$ 或 $p$ 整除 $b$ (或者 $p$ 既整除 $a$ 也整除 $b$ )

假设素数 $p$ 整除乘积 $a_1a_2\dots a_r$, 则 $p$ 整除 $a_1,a_2,\dots,a_r$ 中至少一个因数

每个整数 $n \ge 2$可唯一分解成素数乘积 $$ n=p_1p_2\dots p_r $$

如果 $m$ 整除 $a-b$ , 我们就说 $a$ 与 $b$ 模 $m$ 同余并记之为 $$ a \equiv b \pmod{m} $$ 数 $m$ 叫做同余式的模. 具有相同模的同余式在许多方面表现得很像通常的等式.如果 $$ a_1 \equiv b_1 \pmod{m}, a_2 \equiv b_2 \pmod{m} $$ 则 $$ a_1 \pm a_2 \equiv b_1 \pm b_2 \pmod{m}, a_1a_2 \equiv b_1b_2 \pmod{m} $$ 提醒: 用数除同余式并非总是可能的. 换句话说, 如果 $ac \equiv bc \pmod{m}$, 则 $a \equiv b \pmod{m}$ 未必成立. 然而, 如果 $gcd(c,m)=1$, 则可从同余式 $ac \equiv bc \pmod{m}$ 两边消去 $c$.

设 $a$, $c$ 与 $m$ 是整数, $m \ge 1$, 且设 $g=gcd(a,m)$. (a)如果 $g \nmid c$, 则同余式 $ax \equiv c \pmod{m}$ 没有解 (b)如果 $g \mid c$, 则同余式 $ax \equiv c \pmod{m}$ 恰好有 $g$ 个不同的解. 要求这些解, 首先求线性方程 $$ au+mv=g $$ 的一个解 $(u_0, v_0)$ (第6章叙述了解这个方程的方法). 则 $ x_0=cu_0/g $ 是 $ax \equiv c \pmod{m}$ 的解, 不同余解的完全集由 $$ x \equiv x_0 + k \cdot \frac{m}{g} \pmod{m}, k=0,1,2,\dots,g-1 $$ 给出.

设 $p$ 是素数, $a$ 是任意整数且 $a \equiv\mkern-17mu/$ $0 \pmod{p}$, 则 $$ a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}. $$

设 $p$ 是素数, $a$ 是任何整数且 $a \equiv\mkern-16mu/$ $0 \pmod{p}$, 则数 $$ a,2a,3a,\dots,(p-1)a \pmod{p} $$ 与数 $$ 1,2,3,\dots,(p-1) \pmod{p} $$ 相同, 尽管它们的次序不同.

在 $0$ 与 $m$ 之间且与 $m$ 互素的整数个数是个重要的量, 我们赋予这个量一个名称: $$ \phi(m)=\#\{a:1\le a \le m, gcd(a,m)=1 \}. $$ 函数 $\phi$ 叫做欧拉函数.

如果 $gcd(a,m)=1$, 则 $$ a^{\phi (m)} \equiv 1 \pmod{m} $$

如果 $gcd(a,m)=1$, 则数列 $$ b_1a,b_2a,b_3a, \dots , b_{\phi (m)}a \pmod{m} $$ 与数列 $$ b_1,b_2,b_3,\dots,b_{\phi (m)}\pmod{m} $$ 相同, 尽管它们可能次序不同

1. 如果 $p$ 是素数且 $k\ge1$, 则 $$ \phi(p^k)=p^k-p^{k-1}. $$
2. 如果 $gcd(m, n)=1$, 则 $\phi(mn)=\phi(m)\phi(n)$.

设 $m$ 与 $n$ 是整数, $gcd(m,n)=1$, $b$ 与 $c$ 是任意整数. 则同余式组 $$ x \equiv b\pmod{m} \ \ 与\ \ x \equiv c\pmod{n} $$ 恰有一个解 $0\le x\le mn.$

存在无穷多个素数.

存在无穷多个模 4 余 3 的素数.

设 $a$ 与 $m$ 是整数, $gcd(a,m)=1.$ 则存在无穷多个素数模 $m$ 余 $a$ , 则存在无穷多个素数 $p$ 满足 $$ p \equiv a \pmod{m} $$

$$ \pi(x)=\#\{素数p|p \le x \}. $$

当 $x$ 很大时, 小于 $x$ 的素数个数近似等于 $x/\ln(x)$. 换句话说, $$ \lim_{x \rightarrow \infty}\frac{\pi(x)}{x/\ln(x)}=1 $$

如果对整数 $a \ge 2$ 与 $n \ge 2$, $a^n-1$ 是素数, 则 $a$ 必等于 $2$ 且 $n$ 一定是素数

形如 $2^p-1$ 的素数叫做梅森素数

完全数是等于其真因数之和的数

如果 $2^p-1$ 是素数, 则 $2^{p-1}(2^p-1)$ 是完全数

如果 $n$ 是完全数, 则 $n$ 是 $$ n=2^{p-1}(2^p-1) $$ 形式, 其中 $2^p-1$ 是梅森素数

$$ \sigma(n)=n 的所有因数之和(包括 1 与 n). $$

1. 如果 $p$ 是素数, $k \ge 1$, 则 $$ \sigma(p^k)=1+p+p^2+\dots+p^k=\frac{p^{k+1}-1}{p-1} $$
2. 如果 $gcd(m, n)=1$, 则 $$ \sigma(mn)=\sigma(m)\sigma(n). $$

用下述步骤计算 $a^k \pmod{m}$ 的值:

1. 将 $k$ 表成 $2$ 的幂次和:

$$ k=u_0+u_1\cdot2+u_2\cdot2^2+u_3\cdot2^3+\dots+u_r\cdot2^r $$

其中每个 $u_i$ 是 $0$ 或 $1$. (这种表示式叫做 $k$ 的二进制展开.)

2. 使用逐次平方法制作模 $m$ 的 $a$ 的幂次表.

$$ a^1\equiv A_0 \pmod{m}\\ a^2\equiv (a^1)^2\equiv A_0^2\equiv A_1 \pmod{m}\\ a^4\equiv (a^2)^2\equiv A_1^2\equiv A_2 \pmod{m}\\ a^8\equiv (a^4)^4\equiv A_2^2\equiv A_3 \pmod{m}\\ \vdots \\ a^{2r}\equiv(a^{2r-1})^2\equiv A_{r-1}^2\equiv A_r \pmod{m} $$

注意要计算表的每一行, 仅需要取前一行最末的数, 平方它然后用模 $m$ 简化. 也注意到表有 $r+1$ 行, 其中 $r$ 是第 $1$ 步中 $k$ 的二进制展开式中 $2$ 的最高指数.

3. 乘积

$$ A_0^{u_0}\cdot A_1^{u_1}\cdot A_2^{u_2}\cdots A_r^{u_r}\pmod{m} $$

同余于 $a^k \pmod{m}$. 注意到所有 $u_i$ 是 $0$ 或 $1$, 因此这个数实际上是 $u_i$ 等于 $1$ 的那些 $A_i$

的乘积.

设 $b$, $k$, 与 $m$, 是已知整数, 满足 $$ gcd(b,m)=1 与 gcd(k,\phi(m))=1. $$ 下述步骤给出同余式 $$ x^k \equiv b \pmod{m} $$ 的解.

1. 计算 $\phi(m)$. (见第 11 章.)
2. 求满足 $ku-\phi(m)v=1$ 的正整数 $u$ 与 $v$. (见第6章, 另一种叙述方法是 $u$ 是为满足 $ku\equiv 1\pmod{\phi(m)}$ 的正整数, 所以 $u$ 实际上是 $k\pmod{\phi(m)}$ 的逆)
3. 用逐次平方法计算 $b^u\pmod{m}$. (见第 16 章.)所得值给出解 $x$.

卡米歇尔数是这样的合数 $n$, 即对每个整数 $1 \le a\le n$, 都有 $$ a^n \equiv a\pmod{n} $$ 换句话说, 卡米歇尔数是可冒充素数的一种合数, 因为它没有合数特征的证据.

1. 每个卡米歇尔数是奇数.
2. 每个卡米歇尔数是不同素数的乘积.

设 $n$ 是合数. 则 $n$ 是卡米歇尔数当且仅当它是奇数, 且整除 $n$ 的每个素数 $p$ 满足下述两个条件:

1. $p^2$ 不整除 $n$.
2. $p-1$ 整除 $n-1$.

设 $p$ 是奇素数, 记 $$ p-1=2^kq, q\ 是奇数. $$ 设 $a$ 是不被 $p$ 整除的任何数, 则下述两个条件之一成立:

1. $a^q$ 模 $p$ 余 $1$
2. 数 $a^q,a^{2q},a^{2^2q},\cdots,a^{2^{k-1}q}$ 之一模 $p$ 余 $-1$

设 $n$ 是奇素数, 记 $n-1=2^kq$, $q$ 是奇数. 对不被 $n$ 整除的某个 $a$, 如果下述两个条件都成立, 则 $n$ 是合数.

1. $a^q \equiv \mkern-17mu/ \ 1 \pmod{n}$ ,
2. 对所有 $i=0,1,2,\cdots,k-1,a^{2iq}\equiv\mkern-17mu/ -1 \pmod{n}$

如果 $n$ 是奇合数, 则 $1$ 与 $n-1$ 之间至少有 $75\%$ 的数可作为 $n$ 的拉宾-米勒证据.

换句话说, 每个合数有许多拉宾-米勒证据来说明它的合数性, 所以, 不存在拉宾-米勒测试的任何“卡米歇尔型数”.

对任意整数 $n$, 定义函数 $F(n)$: $$ F(n)=\phi(d_1)+\phi(d_2)+\cdots+\phi(d_r), $$ 其中 $d_1,d_2,\cdots,d_r$ 是 $n$ 的因数.

如果 $gcd(m,n)=1$, 则 $F(mn)=F(m)F(n)$

设 $d_1,d_2,\cdots,d_r$ 是 $n$ 的因数, 则 $$ \phi(d_1)+\phi(d_2)+\cdots+\phi(d_r)=n.(\sum_{d|n}\phi(d)=n) $$

如果 $a$ 与 $p$ 互素, 费马小定理(第 9 章)告诉我们 $$ a^{p-1}\equiv 1\pmod{p} $$ $a$ 模 $p$ 的次数(或阶)指 $$ e_p(a)=(使得 a^e\equiv 1\pmod{p}的最小指数 e\ge 1) $$ (注意仅允许 $a$ 与 $p$ 互素.)

设 $a$ 是不被素数 $p$ 整除的整数, 假设 $a^n\equiv 1\pmod{p}$, 则次数 $e_p(a)$ 整除 $n$. 特别地, 次数 $e_p(a)$ 总整除 $p-1$.

具有最高次数 $e_p(g)=p-1$ 的数称为 模 $p$ 的原根.

每个素数 $p$ 都有原根. 更精确地, 有恰好 $\phi(p-1)$ 个模 $p$ 的原根..

模素数 $p$ 的原根 $g$ 的优美体现在每个模 $p$ 的非零数以 $g$ 的幂次出现. 所以, 对任何 $1\le a<p$, 我们可选择幂 $$ g,g^2,g^3,g^4,\cdots,g^{p-3},g^{p-2},g^{p-1} $$ 中恰好一个与 $a$ 模 $p$ 同余. 相应的指数被称为以 $g$ 为底的 $a$ 模 $p$ 的指标. 假设 $p$ 与 $g$ 已给出, 则记指标为 $I(a)$.

指标满足下述法则:

1. $I(ab)\equiv I(a)+I(b)\pmod{p-1}$ [乘积法则]
2. $I(a^k)\equiv kI(a)\pmod{p-1}$ [幂法则]

因为恰好与对数满足的法则 $$ log(ab)=log(a)+log(b) 与 log(a^k)=klog(a) $$ 相同. 由此, 指标也被称为离散对数

与一个平方数模 $p$ 同余的非零数称为模 $p$ 的二次剩余. 不与任何一个平方数模 $p$ 同余的数称为模 $p$ 的(二次)非剩余. 我们将二次剩余简记为 $QR$, 而二次非剩余简记为 $NR$. 与 $0$ 模 $p$ 同余的数既不是二次剩余, 也不是二次非剩余.

设 $p$ 为一个奇素数, 则恰有 $\frac{p-1}{2}$ 个模 $p$ 的二次剩余, 且恰有 $\frac{p-1}{2}$ 个模 $p$ 的二次非剩余.

设 $p$ 为奇素数, 则

1. 两个模 $p$ 的二次剩余的积是二次剩余.
2. 二次剩余与二次非剩余的积是二次非剩余.
3. 两个二次非剩余的积是二次剩余.

这三条法则可用符号表示如下: $$ QR\times QR=QR, QR\times NR=NR, NR\times NR=QR. $$

$a$ 模 $p$ 的勒让德符号是 $$ \left(\frac{a}{p}\right) = \left\{ \begin{array}{rl} 1 & 若 a 是模 p 的二次剩余,\\ -1 & 若 a 是模 p 的二次非剩余.\\ \end{array} \right. $$

设 $p$ 为奇素数, 则 $$ \left(\frac a p\right)\left(\frac b p\right)=\left(\frac{ab}{p}\right) $$

设 $p$ 为奇素数, 则 $$ a^{(p-1)/2}\equiv \left(\frac a p\right)\pmod{p}. $$

设 $p$ 为奇素数, 则 $$ -1 是模 p 的二次剩余, 若 p\equiv 1\pmod{4},\\ -1 是模 p 的二次非剩余, 若 p\equiv 3\pmod 4. $$ 换句话说, 用勒让德符号可以表示为 $$ \left(\frac{-1}{p}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & 若 p\equiv 1\pmod{4},\\ -1 & 若 p\equiv3\pmod{4}.\\ \end{array} \right. $$

存在无穷多个素数与 $1$ 模 $4$ 同余

设 $p$ 为奇素数, 则当 $p$ 模 $8$ 余 $1$ 或 $7$ 时, $2$ 是模 $p$ 的二次剩余; 当 $p$ 模 $8$ 余 $3$ 或 $5$ 时, $2$ 是模 $p$ 的二次非剩余. 用勒让德符号表示为 $$ \left(\frac 2 p\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & 若 p\equiv 1 或 7\pmod{8}, \\ -1 & 若 p\equiv 3 或 5\pmod{8}. \end{array} \right. $$

设 $p$, $q$ 是不同的奇素数, 则 $$ \left(\frac{-1}{p}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & if & p \equiv 1\pmod{4},\\ -1 & if & p \equiv 3\pmod{4}. \end{array} \right.\\ \left(\frac{2}{p}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & if & p\equiv 1 \ or\ 7\pmod{8}, \\ -1 & if & p\equiv 3\ or\ 5\pmod{8}. \end{array}\right.\\ \left(\frac{q}{p}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} \left(\frac{p}{q}\right) & if &p\equiv 1\pmod{4}&or&q\equiv1\pmod{4},\\ -\left(\frac{p}{q}\right)&if&p\equiv3\pmod{4}&and&q\equiv3\pmod{4}. \end{array}\right. $$

设 $a$, $b$ 为正奇数, 则 $$ \left(\frac{-1}{b}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & if & b \equiv 1\pmod{4},\\ -1 & if & b \equiv 3\pmod{4}. \end{array} \right.\\ \left(\frac{2}{b}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} 1 & if & b\equiv 1 \ or\ 7\pmod{8}, \\ -1 & if & b\equiv 3\ or\ 5\pmod{8}. \end{array}\right.\\ \left(\frac{a}{b}\right)=\left\{ \begin{array}{rl} \left(\frac{b}{a}\right) & if &a\equiv 1\pmod{4}\ or\ b\equiv1\pmod{4},\\ -\left(\frac{b}{a}\right)&if&a\equiv b\equiv 3\pmod{4}. \end{array}\right. $$