5.1 二次剩余与二次非剩余
定义
如果正整数 m 和整数 a 满足 (a,m)=1,且 x2≡amodm 有解,我们称 a 为模 m 的二次剩余。
如果 x2≡amodm 无解,我们称 a 为模 m 的二次非剩余。
定理
-
设 p 是奇素数,a 是不能被 p 整除的整数。则同余式 x2≡amodp 要么无解,要么有两个模 p 的解。
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如果 p 是奇素数,那么在 1,2,…,p−1 中恰有 (p−1)/2 个模 p 的二次剩余和 (p−1)/2 个模 p 的二次非剩余。
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设 p 为素数,r 为 p 的一个原根。如果整数 a 不能被 p 整除,那么当 indra 为偶数时,a 是模 p 的二次剩余;当 indra 为奇数时,a 是模 p 的二次非剩余。
勒让德符号
设 p 为奇素数,a 为不能被 p 整除的整数。勒让德符号 (pa) 定义为:
(pa)={1,−1,如果 a 是模 p 的二次剩余;如果 a 是模 p 的二次非剩余.
欧拉判别法
设 p 为奇素数,a 为不能被 p 整除的整数。则
(pa)≡a2p−1modp
定理
设 p 为奇素数,a 和 b 为不能被 p 整除的整数。则
- 如果 a≡bmodp,则 (pa)=(pb)。
- (pa)(pb)=(pab)。
- (pa2)=1。
定理
如果 p 是奇素数,则 −1 是模 p 的二次剩余当且仅当 p≡1mod4。
高斯引理
设 p 为奇素数,a 为与 p 互素的整数。如果在 a,2a,3a,…,2p−1a 的最小正剩余中大于 (p−1)/2 的数有 s 个,则
(pa)=(−1)s
定理
设 p 为奇素数。则 2 是模 p 的二次剩余当且仅当 p≡±1mod8。
5.2 二次互反律
二次互反律
设 p 和 q 是不同的奇素数。则
(qp)(pq)=(−1)2p−1⋅2q−1
引理
如果 p 是奇素数,a 是不能被 p 整除的奇整数,则
(pa)=(−1)T(a,p)
其中
T(a,p)=j=1∑(p−1)/2⌊pja⌋
这里 ⌊x⌋ 表示不超过 x 的最大整数。
定理
当 a 和 b 是互素的奇整数时,考虑矩形
R={(x,y)∣0<x<2a,0<y<2b}
和直线
L={(x,y)∣y=⌊abx⌋}
- T(b,a) 为矩形 R 中位于直线 L 下方的格点数。
- T(a,b) 为矩形 R 中位于直线 L 上方的格点数。
5.3 雅可比符号
定义
设 n 是奇正整数,其素因子分解为 n=p1t1p2t2⋯pmtm,a 是与 n 互素的整数。则雅可比符号 (na) 定义为
(na)=(p1a)t1(p2a)t2⋯(pma)tm
如果 (a,n)>1,则 (na)=0。
雅可比符号的性质
设 n 是奇正整数,a 和 b 是与 n 互素的整数。则
- 如果 a≡bmodn,则 (na)=(nb)。
- (nab)=(na)(nb)。
- (n−1)=(−1)2n−1。
- (n2)=(−1)8n2−1。
雅可比符号的互反律
设 m 和 n 是大于 1 的互素奇正整数。则
(nm)(mn)=(−1)2m−1⋅2n−1