数论 - 第5章 - 二次剩余

24 年 3 月 21 日 星期四
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5.1 二次剩余与二次非剩余

定义

如果正整数 mm 和整数 aa 满足 (a,m)=1(a,m)=1,且 x2amodmx^2 \equiv a \bmod m 有解,我们称 aa 为模 mm 的二次剩余。

如果 x2amodmx^2 \equiv a \bmod m 无解,我们称 aa 为模 mm 的二次非剩余。

定理

  1. pp 是奇素数,aa 是不能被 pp 整除的整数。则同余式 x2amodpx^2 \equiv a \bmod p 要么无解,要么有两个模 pp 的解。

  2. 如果 pp 是奇素数,那么在 1,2,,p11,2,\ldots,p-1 中恰有 (p1)/2(p-1)/2 个模 pp 的二次剩余和 (p1)/2(p-1)/2 个模 pp 的二次非剩余。

  3. pp 为素数,rrpp 的一个原根。如果整数 aa 不能被 pp 整除,那么当 indra\mathrm{ind}_r a 为偶数时,aa 是模 pp 的二次剩余;当 indra\mathrm{ind}_r a 为奇数时,aa 是模 pp 的二次非剩余。

勒让德符号

pp 为奇素数,aa 为不能被 pp 整除的整数。勒让德符号 (ap)\left(\frac{a}{p}\right) 定义为:

(ap)={1,如果 a 是模 p 的二次剩余;1,如果 a 是模 p 的二次非剩余.\left(\frac{a}{p}\right) = \begin{cases} 1, & \text{如果 } a \text{ 是模 } p \text{ 的二次剩余}; \\ -1, & \text{如果 } a \text{ 是模 } p \text{ 的二次非剩余}. \end{cases}

欧拉判别法

pp 为奇素数,aa 为不能被 pp 整除的整数。则

(ap)ap12modp\left(\frac{a}{p}\right) \equiv a^{\frac{p-1}{2}} \bmod p

定理

pp 为奇素数,aabb 为不能被 pp 整除的整数。则

  1. 如果 abmodpa \equiv b \bmod p,则 (ap)=(bp)\left(\frac{a}{p}\right) = \left(\frac{b}{p}\right)
  2. (ap)(bp)=(abp)\left(\frac{a}{p}\right)\left(\frac{b}{p}\right) = \left(\frac{ab}{p}\right)
  3. (a2p)=1\left(\frac{a^2}{p}\right) = 1

定理

如果 pp 是奇素数,则 1-1 是模 pp 的二次剩余当且仅当 p1mod4p \equiv 1 \bmod 4

高斯引理

pp 为奇素数,aa 为与 pp 互素的整数。如果在 a,2a,3a,,p12aa,2a,3a,\ldots,\frac{p-1}{2}a 的最小正剩余中大于 (p1)/2(p-1)/2 的数有 ss 个,则

(ap)=(1)s\left(\frac{a}{p}\right) = (-1)^s

定理

pp 为奇素数。则 22 是模 pp 的二次剩余当且仅当 p±1mod8p \equiv \pm 1 \bmod 8

5.2 二次互反律

二次互反律

ppqq 是不同的奇素数。则

(pq)(qp)=(1)p12q12\left(\frac{p}{q}\right)\left(\frac{q}{p}\right) = (-1)^{\frac{p-1}{2} \cdot \frac{q-1}{2}}

引理

如果 pp 是奇素数,aa 是不能被 pp 整除的奇整数,则

(ap)=(1)T(a,p)\left(\frac{a}{p}\right) = (-1)^{T(a,p)}

其中

T(a,p)=j=1(p1)/2japT(a,p) = \sum_{j=1}^{(p-1)/2} \left\lfloor \frac{ja}{p} \right\rfloor

这里 x\lfloor x \rfloor 表示不超过 xx 的最大整数。

定理

aabb 是互素的奇整数时,考虑矩形

R={(x,y)0<x<a2,0<y<b2}R = \left\{(x,y) \mid 0 < x < \frac{a}{2}, 0 < y < \frac{b}{2}\right\}

和直线

L={(x,y)y=bax}L = \left\{(x,y) \mid y = \left\lfloor \frac{b}{a}x \right\rfloor\right\}
  1. T(b,a)T(b,a) 为矩形 RR 中位于直线 LL 下方的格点数。
  2. T(a,b)T(a,b) 为矩形 RR 中位于直线 LL 上方的格点数。

5.3 雅可比符号

定义

nn 是奇正整数,其素因子分解为 n=p1t1p2t2pmtmn=p_1^{t_1}p_2^{t_2}\cdots p_m^{t_m}aa 是与 nn 互素的整数。则雅可比符号 (an)\left(\frac{a}{n}\right) 定义为

(an)=(ap1)t1(ap2)t2(apm)tm\left(\frac{a}{n}\right) = \left(\frac{a}{p_1}\right)^{t_1}\left(\frac{a}{p_2}\right)^{t_2}\cdots\left(\frac{a}{p_m}\right)^{t_m}

如果 (a,n)>1(a,n)>1,则 (an)=0\left(\frac{a}{n}\right)=0

雅可比符号的性质

nn 是奇正整数,aabb 是与 nn 互素的整数。则

  1. 如果 abmodna \equiv b \bmod n,则 (an)=(bn)\left(\frac{a}{n}\right) = \left(\frac{b}{n}\right)
  2. (abn)=(an)(bn)\left(\frac{ab}{n}\right) = \left(\frac{a}{n}\right)\left(\frac{b}{n}\right)
  3. (1n)=(1)n12\left(\frac{-1}{n}\right) = (-1)^{\frac{n-1}{2}}
  4. (2n)=(1)n218\left(\frac{2}{n}\right) = (-1)^{\frac{n^2-1}{8}}

雅可比符号的互反律

mmnn 是大于 11 的互素奇正整数。则

(mn)(nm)=(1)m12n12\left(\frac{m}{n}\right)\left(\frac{n}{m}\right) = (-1)^{\frac{m-1}{2} \cdot \frac{n-1}{2}}

文章标题:数论 - 第5章 - 二次剩余

文章作者:DWHITE

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