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费马小定理与初等数论笔记
第二版 · 2026-10-10
从整除基础、欧拉定理到原根、RSA 与随机分解的概率证明
本笔记整合《介绍费马小定理》的 21 轮对话、《解释 RSA 与分解关系》的 11 轮对话,以及用户后续提供的一条加权概率补充。按证明依赖重排,合并重复内容,补全原根、群论计数与随机分解概率证明中的辅助结论。主线从良序原理、带余除法与归纳法出发。每次使用互质、质数、交换律等条件时,都说明它们发挥的作用。
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新增来源:RSA 与分解分享对话 · 归档正文 · 读取核对报告 · 加权概率补充。文末分别列出两份对话与后续补充的覆盖索引。
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第 1 章:路线、记号与约定
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1.1 这篇笔记在回答什么
大指数可以缩小,是因为模幂运算存在周期。但证明周期之前,需要知道何时能够约分;要计算周期长度和互质整数个数,又需要整数分解与计数工具。以下关系是本篇的证明骨架。
| 基础与结论 |
关键依赖 |
用途 |
| 裴蜀等式 |
良序原理、带余除法 |
证明互质消去律与模逆元存在 |
| 质因数分解唯一性 |
欧几里得引理 |
识别整数的质数幂结构 |
| 费马小定理 |
非零剩余类的排列、合法约分 |
质数模下缩减指数 |
| 欧拉函数乘积公式 |
唯一分解、容斥 |
计算互质剩余类个数 |
| 欧拉定理与乘法阶 |
互质剩余类的排列、带余除法 |
任意模数下的幂周期 |
| 质数模原根存在性 |
多项式根数上界、阶的两个引理 |
一个元素生成所有非零剩余类 |
| 中国剩余定理 |
裴蜀等式、互质消去律、质数幂分解 |
拆分与合并同余条件 |
| RSA 解密正确性 |
模逆元、费马小定理、互质模数合并 |
证明加密后能够恢复消息 |
| 已知私钥的随机分解 |
平方根、循环群、CRT、有限概率计数 |
证明何时能提取因子及成功概率 |
RSA 解密正确性的证明不需要原根;第 15 章随机分解的精确概率证明则使用原根与循环群计数。 先读第 2—11 章可掌握正确性主线,再读第 12—15 章理解群论与概率如何解释私钥恢复和分解的联系。
1.2 整除、同余与剩余类
对整数 , 表示存在整数 ,使 。本篇讨论最大公约数时, 不全为零,并取最大公约数为正数。
对正整数模数 ,定义
这表示两者有相同余数,不表示两个整数相等。一个剩余类是所有与某个整数同余的整数所组成的集合。本文常用 作为代表。
同余可以相加、相减、相乘和取非负整数次幂。以乘法为例,若 、,则
能被 整除。因此同余运算的规则来自普通整除性质。
同余不能无条件约分。 例如 ,但 。第 2 章证明准确的消去条件。
1.3 范围与边界
除中国剩余定理外,讨论欧拉定理、乘法阶与原根时默认 。指数默认为非负整数;负指数只有在明确使用模逆元时才有意义。模幂中的 表示乘法单位元。
欧拉函数统一定义为
因此 。当 时, 本身不互质,等价于统计 。主线中涉及 时,这个约定也覆盖 。
第 2 章:裴蜀等式、消去律与模逆元
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2.1 从最小正线性组合证明裴蜀等式
定理。 对不全为零的整数 ,存在整数 ,使
令
集合非空:若 ,选择 或 、 即得到 ;否则用 。由良序原理, 有最小元素 ,写作 。
对 作带余除法:,。于是
如果 ,它也是 的元素,却比 小,矛盾。故 ,即 。同理 。
另一方面,任意正公约数 都整除 的整数线性组合,所以 ,进而 。因此 既是公约数,又不小于任何正公约数,正是 。所需的 已由构造给出。证毕。
关键不是猜出线性组合,而是先取最小正组合,再用带余除法排除更小的正组合。这个证明不依赖质因数分解,后面的论证因而没有循环。
2.2 互质消去律与欧几里得引理
若 且 ,由裴蜀等式取 ,乘以 :
右侧两项均被 整除,故 。这就是互质消去律,其中 不必是质数。
作为特例,若 是质数且 ,则 或 。因为一旦 ,质数的因数只有 ,所以 ,可应用消去律。这称为欧几里得引理。
质数条件不可随意删去:,但 不整除任何一个因子。反复应用欧几里得引理,可得质数若整除有限乘积,必整除至少一个因子。
2.3 模逆元存在的充要条件
模 的逆元是满足 的整数 。对 ,有
充分性:由 ,取 。
必要性:若 , 的每个公约数都整除左边,因此整除 ,所以只能为 。
逆元在模 意义下唯一:若 ,则 ;由互质消去律,。
因此,当 时,从 可以乘以逆元,推出 。这是后面约去阶乘或剩余类乘积的依据。
2.4 两个常用推论
互质因子的乘积仍与模数互质。 若 、,相乘得到
任意 的公约数都整除 ,故 。有限多个因子可归纳处理。
互质的两个数都整除一个整数,则其乘积也整除。 若 、、,写 。由 与消去律,,故 。
2.5 如何实际计算逆元
带余除法给出 ,因为 使两对数的公约数完全相同。反复除法时非零余数严格变小,最终停在最大公约数;再回代即可找到裴蜀系数。这就是扩展欧几里得算法。
例如 ,所以 ,从而
这里逆元符号表示模运算中的整数剩余类,不是普通分数 。
第 3 章:质因数分解为何存在且唯一
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3.1 定理的准确表述
每个整数 都能写成有限个质数的乘积。除排列顺序外,质因子及其重数唯一。将相同质因子合并,可以写成
其中 两两不同,。例如 。
“存在”和“唯一”是两个不同问题,不能只证明能拆分,就认为不可能有另一种拆分。
3.2 存在性:强归纳法
自身是质数。假设所有满足 的整数均可分解。
若 是质数,结论立即成立。若 是合数,可写 ,其中 。由归纳假设, 都是质数的有限乘积,合在一起给出 的分解。因此对所有 成立。
3.3 唯一性:配对和终止分别证明
假设
是两种分解。 整除右侧,由欧几里得引理,它整除某个 。两个数都是质数,所以 。重排右边,将它放到第一位,再在普通整数等式中约去相同质数。
重复此步骤,每次都会找到并约去一对相同质因子。
为什么两边一定同时约完? 假设 。约去左侧全部 个因子后,得到
右侧至少剩一个质数,每个质数都不小于 ,故乘积大于 ,矛盾。 同样矛盾。所以 ,每一步配对后所有质因子一一相等,重数也相同。证毕。
能够配对来自欧几里得引理;必然同时结束来自非空质数乘积大于 。这是原对话“为什么最终同时约完”的完整回答。
3.4 最大公约数与最小公倍数的质数幂描述
给定有限多个正整数,把出现的质数统一记为 ,缺少某个质因子时指数记为 。两个数的最大公约数取每个指数的最小值,最小公倍数取最大值:
理由是:由唯一分解,一个正整数整除另一个,当且仅当每个质数指数都不超过对方。公约数和公倍数的条件遂逐个指数决定。
于是 。一个整数同时被所有 整除,当且仅当被 整除;整数为 的情况也显然成立。这将说明中国剩余定理的解周期。
第 4 章:费马小定理与三个应用
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4.1 两种形式与各自条件
若 是质数,则对任意整数 ,
若再要求 ,等价于 ,则
不能把第二式应用于 :这时正整数次幂全部模 为 。
4.2 完整证明:乘法使非零剩余类重新排列
设 。考察 的余数。
任何一个余数都不为 :否则 ,欧几里得引理推出 ,与 矛盾。
任何两个余数都不同:若 ,互质消去律给出 。但 ,故 。
因此这 个余数恰好是 的一个排列。将全部同余相乘,得到
阶乘中的每个因子都与 互质,所以其乘积也与 互质,可以合法约去,得到第二种形式。
若 ,将它乘以 ,即得第一种形式;若 , 与 均模 为 。所以第一式覆盖任意整数。反过来,在 条件下,从第一式约去 可回到第二式。证毕。
4.3 应用一:大指数取余
对 作带余除法 ,。若 ,则
例如 ,所以 。
为什么需要互质? 每消去一个长度为 的幂块,依赖该幂块等于 。例如 ,不能将指数对 取余而改成 。缩减后指数非零时偶然仍得 ,并不能证明这个规则普遍合法。
若底数是 的倍数且指数为正,直接取余 即可;指数为 时按单位元解释,余数为 。
4.4 应用二:整除证明
第一种形式直接等价于
例如对每个整数 ,,无需再假设 与 互质。若要合并多个不同质数的整除结论,可用第 2 章的互质乘积整除推论。
4.5 应用三:模逆元与线性同余
若 ,由 ,得到
时指数为 ,非零剩余类只有 ,公式仍成立。
解 :,所以 。检验 。
费马小定理提供质数模下的一种求逆方法;裴蜀等式及扩展欧几里得算法还能处理一般互质的合数模数。
4.6 两个反例防止过度使用
模数为合数时,不能直接使用指数 :,不是 。
费马同余成立也不能反推模数是质数。,而 ,所以 。这只是合数通过某个底数的检验。费马小定理是必要性质,不是这一检验的充分判据。
第 5 章:欧拉函数与容斥乘积
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5.1 统计的是互质整数,不是素数
统计 中与 互质的整数个数。例如 时为 ,故 。这些数不必都是质数。
若 ,由唯一分解, 与 互质,当且仅当没有任何 整除 。
证明后一等价关系:如果某个 ,它就是公共因子;如果最大公约数大于 ,由存在性它有某个质因子,该质数同时整除 ,由唯一分解它必为某个 。
5.2 两个、三个质因子的容斥
在 中, 的倍数有 个;当 是 的不同质因子时,同时为两者倍数,等价于为 倍数,共 个。这些商都是整数。
若 ,先减掉两类倍数,再加回被减掉两次的交集:
对于三个不同质因子 ,
例如 :,留下 。
中间结果 、再加回两重交集得到 ,都是带符号的中间计数,不是某个最终“剩余集合”的元素个数。三重交集最后减去,才得正确值 。
5.3 一般容斥为何成立
令 是能被 整除的整数集合。统计其补集时,按所选集合个数交替加减,并把空交集解释为全部 个整数。
对一个落入恰好 个 的整数,它在展开中的总权重为
若 ,权重为 ;若 ,权重为 。所以恰好只计入互质整数,每个计入一次。这证明了容斥,而非仅把它作为未证明的工具使用。
记 。不同质数互质,每个交集对应其乘积的倍数,故
空乘积取 。展开 时,从每个括号选 或 。选择负项的下标恰好形成子集 ,贡献 ;每个子集出现一次。因此
乘积公式是容斥展开的因式分解表达。 质因子指数虽影响 ,排除的倍数类别却只由不同质因子决定,所以每个质数只出现一个括号。
5.4 常用值与乘法性
若 ,两者的质因子集合不交,由乘积公式立即得到 。这是互质条件下的乘法性,不能对任意两数使用;例如 ,而 。
不同质数 的乘积满足 。一般公式例如
第 6 章:欧拉定理为何成立
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6.1 定理与具体排列
若 且 ,则
模 的互质代表为 。乘以 后余数是 ,仍是同一组数。这里模数可以是合数,但底数仍然必须互质。
6.2 完整证明
取 中全部互质代表 ,其中 。考察 的余数。
第一, 与 互质,因为两个互质于 的数,其乘积也与 互质;取余并不改变最大公约数,因为 的两边给出同一组公约数。
第二,余数互不相同。若 ,由 的逆元可消去 ,得到 。它们位于同一个代表范围,故 。
于是这 个余数就是原互质代表的一个排列。设 ,相乘得到
每个 都与 互质,所以 也与 互质,可约去,得 。证毕。
欧拉函数出现在指数上,是因为相乘时共有 个因子,每个因子都贡献一个 。
6.3 与费马小定理的联系及使用范围
当 为质数时,,欧拉定理变成费马小定理的互质形式。若需要对任意底数得到 ,再补 的情形。
若 ,,则在互质条件下 。例如 ,所以 。
非互质时不能套用:,但 ;指数取余后改成 会得 。第 11 章处理 RSA 非互质消息时必须改用逐个质数的证明。
欧拉定理给出一个可用指数,未承诺最小。例如 ,而 。这引出乘法阶。
第 7 章:乘法阶与真正的最小周期
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7.1 定义与存在性
对 ,满足 的最小正整数 ,记为 。
欧拉定理保证这样的正指数集合非空,良序原理保证最小值存在。若 ,则任何 的公约数都整除 与 ,进而整除 ;所以不互质的底数不可能存在这种乘法阶。
例如 模 的幂余数是 ,故 。
7.2 阶整除所有使幂等于一的指数
设 。对于 ,
若 ,写 ,直接得 。
反过来,作带余除法 ,。因为 ,得到 。若 ,违背 的最小性,所以 。证毕。这也包括 。
将 代入,得到
对非负整数 ,还有 当且仅当 。不妨 ,用 的逆元约分,再使用刚才结论即可。因此 是余数序列的真正最小正周期。
7.3 如何求阶与缩减指数
阶只能是 的正因数。按从小到大检验这些因数,第一个使幂余数为 的就是阶。
例如 ,候选为 。,,,所以阶为 。
利用阶缩减可能更短:,所以 ;费马小定理按 取余则需再算 。
若已知 的素因子分解,可从 开始:对质因子 ,当 时令 并继续。始终有 ;最后若 , 有一个质因子 ,就仍可除去 ,矛盾,所以最后为 。这里只说明数学算法,不声称分解大数很容易。
7.4 辅助引理一:一个幂的阶
若 的阶为 ,,则
先设 。令 ,写 、,其中 。对正整数 ,
最后一步用互质消去律。所以最小正 是 。当 时, 的阶为 ,右边也是 。这补全了原对话原根证明中直接使用的公式,也覆盖后面循环群计数的单位元。
7.5 辅助引理二:阶互质时乘积的阶
设 、,且 。模整数的乘法可交换,因此
先有 ,故 整除 。
又 。取 次幂,得到 。,所以 ,进而 。由 互质,推出 。同理 ,再由互质乘积整除推论,。结合 ,得 。
这样无需使用负指数也能完成证明。在一般群中还必须要求两个元素可交换,否则幂不一定可拆开。
若阶不互质,结论未必成立:模 时 的阶均为 ,但 ,乘积的阶为 。
对任意互质于模数的 ,令 ,则 ,故乘积的阶总整除 。互质阶条件保证这个整除进一步达到等号。
第 8 章:原根及质数模原根存在性
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8.1 原根生成什么
对 ,若 与 互质且 ,称其为模 的原根。对质数 ,目标阶为 。
若阶为 , 两两不同,否则约分将产生更短周期。因此阶等于 时,这些幂恰好穷尽所有互质剩余类。
模 时 的幂余数为 ,所以 是原根; 的余数循环只有 ,不是原根。
8.2 为什么非零多项式的根数不超过次数
在模质数 的系数运算中,设 的次数为 ,最高次系数模 不为 。它最多有 个不同剩余类的根。
先证明因式分解的依据。对每个 ,
逐项相加给出 。若 ,便在模 的多项式环里得到 , 次数为 。
时非零常数没有根。归纳地,若没有根结论显然;若有根 ,对另一个不同根 ,有 。因为 质数且 ,可消去 ,故 。归纳假设使其他根最多 个,加上 至多 个。证毕。
质数条件在此保证非零元素可逆。模 的多项式 有 四个根,已超过次数,说明合数模数不能照搬。
8.3 每个质数都有原根:完整构造证明
时,非零剩余类只有 ,其阶为 ,已经是原根。以下设 ,令
其中 为不同质数。先为每个最大质数幂构造一个对应阶的元素。
第一步:找到不被较短指数消掉的元素。 多项式 次数为 ,故最多有 个根,而非零剩余类有 个。因此可选择非零 ,使
第二步:识别阶中的完整质数幂。 令 。由第 7 章,,但 ;否则幂必等于 。
与 只在 的指数上差 。 的其他质数指数已由 限制,若 的指数也至多 ,便会整除 ,矛盾。因此
第三步:除去阶中的其他因子。 取 。因为 ,由幂的阶公式,
第四步:合并各个互质阶。 取 。各阶为不同质数的幂,两两互质;模乘法可交换。反复使用第 7.5 节,每次累积阶仍与下一个阶互质,得到
所以 是原根。证毕。
“每个元素的阶都整除 ”本身不足以证明有人达到 。多项式根数上界负责提供元素,幂的阶公式负责提取质数幂,互质阶乘积引理负责拼成完整阶。
8.4 原根有多少个
取一个模 的原根 ,。全部非零剩余类可唯一表示为 ,。由幂的阶公式,
因此 是原根,当且仅当 ,共有 个。所以模 的原根数为 。 时用 ,结论仍成立。
| 模数 |
原根个数 |
全部原根代表 |
| 5 |
2 |
2、3 |
| 7 |
2 |
3、5 |
| 11 |
4 |
2、6、7、8 |
| 13 |
4 |
2、6、7、11 |
| 17 |
8 |
3、5、6、7、10、11、12、14 |
8.5 原根判定与合数反例
设 , 的不同质因子为 。则
必要性:阶为 时不整除任何 。
充分性:令阶为 。若 ,商 有某个质因子 ,于是 ,推出相应幂等于 ,矛盾。 时没有需检验的质因子,非零条件已唯一确定原根。
例:模 时 。,,所以 为原根。
模 的互质代表 全部平方为 ,因此阶最多为 ,而 ;故没有原根。
一般分类是:在 的约定下,有原根的模数恰好为 ,其中 为奇质数,。此分类是拓展结论,本篇没有给出其完整证明;可参看 Yale 数论与密码学课程讲义。
第 9 章:中国剩余定理的标准形式
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9.1 两两互质模数的定理
设正整数 两两互质,余数 为任意整数,令 。则
一定有解,所有解恰为 ,。
“唯一”指模 的唯一剩余类,而非只有一个整数解。模数为 的条件不限制任何整数,可以删除;若全部为 ,全部整数就是模 的一个剩余类。以下构造处理剩余的模数。
9.2 存在性:构造对自己的模数余一、对其他余零的项
令 。因为其他每个 都与 互质,第 2.4 节的乘积互质性质给出 。
由裴蜀等式,取 ,令 。于是
第二式来自 。再取
对任意固定 取模,其余项全为 ,只有 ,所以满足全部方程。存在性得证。
9.3 唯一性与全部解
若 都是解,则每个 都整除 。由于模数两两互质,任意部分乘积仍与下一个模数互质,可反复用互质乘积整除推论,得 。
反过来, 对各模数都与 同余,所以仍是解。因此全部解恰为该形式。
9.4 手算构造公式
求 、、。
,、、;各自逆元可取 ,因为对应乘积模自身模数均为 。于是
全部解 。直接检验 分别余 。
9.5 合并同余与环结构的联系
若两个整数模各个互质 分别同余,它们模 也同余。这个结论只用唯一性,在 RSA 中不需要重新构造解。
从结构上说,映射
是双射:存在性给出满射,唯一性给出单射。它也保持加法和乘法,因为每个坐标的取余运算保持这些运算。这给出了环同构的一种具体例子;前面的数论证明不需要预先掌握环论。
第 10 章:中国剩余定理的一般形式
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10.1 相容性条件与正确周期
对任意正整数模数 ,方程组 有解,当且仅当
若有解,令 ,全部解恰为 。
模数不互质时,相容性有实际限制。例如 与 无解,因为公约数 不整除余数差 。互质时公约数为 ,条件自动满足,且 等于乘积,所以标准形式是特殊情形。
10.2 两个模数:必要性
考虑 、,记 。
若存在 , 整除 与 ,也就整除两者之差 。因此 必要。
10.3 两个模数:充分性与构造
假设 ,写 、、,其中 互质。
先令 ,保证第一个方程。第二个方程要求 ,等价于存在整数 使
用裴蜀等式取 ,令 、,便满足要求,因此可取 。充分性得证。
若 均为解,则 都整除 ,由第 3.4 节,。反过来加上该最小公倍数的任意整数倍仍是解,因而全部解及周期成立。
10.4 非互质的手算例子
求 、。公约数 整除余数差 ,所以有解。
写 ,代入得到 。这一同余等价于 :是同时将整除等式的两边及模数除以 ,并非保持原模数的无条件约分。
所以 ,取 ,得
周期是 ,不是乘积 。
10.5 多个模数:为何两两相容足以给出共同解
必要性仍来自任意两个方程的差。充分性必须另证,不能只说“每一对有解,所以整体有解”。以下使用质数幂分解。
写
每个 是所有模数中该质数指数的最大值,所以可选一个下标 ,使 。提取约束
这些模数是不同质数的幂,两两互质,由标准形式得到公共解 。
现在证明它满足原方程。固定 ,设 在 中的指数为 。若 ,该质数幂同时整除 与 ,故
而构造保证 ,所以降到 后仍成立,结合相容性得 模该质数幂。对 的所有不同质数幂都成立,互质乘积整除推论给出 。
由于 任意,满足全部原方程。若 ,则全部模数为 ,直接取任意整数即可。
若选择最大指数的模数有多个,相容性使它们的余数模该质数幂相同,因此提取约束没有歧义。
10.6 唯一性与一个多模数例子
任意两个解之差被所有 整除,因此被 整除; 又总是解。所以解模 唯一。 也是解集合的最小正平移周期:任何保持解的正平移量都必须被全部模数整除,因此被 整除。
例如取 ,余数分别为 。三个公约数为 ,都整除对应余数差。,可提取
取 ,逐项检验模 分别余 ,故全部解为 。
第 11 章:RSA 的指数与解密正确性
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11.1 数学设置与选择顺序
本章讨论两个不同质数的教学模型。取 ,。消息取代表 。
先选择正整数 ,使 ;再由裴蜀等式求正整数代表 ,满足
公钥为 ,私钥指数为 。加密取 为 模 的标准余数,解密取 模 的标准余数。
因此目标是证明任意消息都满足 ;再由两者都处于 ,同余保证真正恢复同一代表。
11.2 指数不是随意假设出来的
固定 ,存在 的充要条件为 ,这正是第 2.3 节的逆元定理。
例如 时 。若取 ,方程 左侧为偶数,不可能等于 。若取 , 给出 ,可取 ,因为 。
至少存在互质 :数学上可取 ;若 ,也可取 ,与 相邻所以互质。但这些只证明存在性,不作为安全参数建议。例如取 、 时公私指数相同,无法据此获得所期待的保密性。
11.3 互质消息:欧拉定理直接证明
均正,故写 时 。若 ,欧拉定理给出 ,于是
这段证明仅覆盖互质消息。RSA 的消息范围还包含 和 的倍数,需要下面的完整证明。
11.4 任意消息:逐个质数证明,再合并
先在模 下讨论。
若 ,由于 , 与 的余数均为 ,结论成立。
若 ,费马小定理给出 。所以
模 完全相同:若 ,两边为 ;否则将指数写为 ,由费马小定理得到 。
因 不同而互质, 都整除 ,便有 ,即
这一步是中国剩余定理的唯一性结论;也可以直接由第 2.4 节的互质乘积整除推论完成。没有要求消息与 互质。
11.5 两个具体消息与快速幂
继续取 。
互质消息 :。反复平方得
,因此 。
非互质消息 :。模 的解密结果为 ;模 下 ,、,所以 。两条件共同确定模 的结果为 。
快速幂不必先寻找最小周期:将指数写成二进制,反复平方并乘上所需的幂,每步取余即可。它计算的是同一同余类,正确性直接来自幂运算与同余乘法。
11.6 更弱的指数条件与实际方案的范围
完整证明真正使用的是 与 ,所以只需
这比模 的条件更弱。例如 时最小公倍数为 。原对话使用 是方便的充分条件。第 16.3 节解释它与卡迈克尔函数的关系。
知道 可计算 并求逆元 。反过来,对两个不同质数,若知道 与 ,则 , 是方程
的两根。这个关系说明为什么 的信息与分解密切相关,但不构成“破解 RSA 必须先分解”的证明。
本章给出幂运算的数学正确性;安全加密还需要消息编码、参数与实现要求。标准 RFC 8017 第 3、5、7 节 区分 RSA 幂运算原语和带编码的加密方案,并以最小公倍数定义密钥条件;RSAES-OAEP 在原语外加入 OAEP 编码。小参数手算例子只供理解,不是安全实现指南。
第 12 章:有限群、循环群与元素阶计数
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12.1 从模乘法进入群的语言
前面已经证明的模逆元、幂的周期与原根,可以用群的语言统一表达。群是带一种运算的集合,运算满足:封闭、结合律、有单位元、每个元素有逆元。若运算还满足交换律,称为交换群。群的阶是元素个数,记为 ;它与某个元素的阶是两种不同的数量。
对 ,模 的互质剩余类组成
其运算为剩余类乘法。第 2.4 节保证乘积仍互质,所以运算封闭;整数乘法给出结合律与交换律; 是单位元;第 2.3 节保证每个元素有逆元,而且逆元也与 互质。因此 是有限交换群,。
对质数 , 就是全部非零剩余类,阶为 。第 8 章已经完整证明原根存在,所以某个 的幂遍历 。这就是说
是循环群。这里“循环”表示一个元素的幂生成整个群;它是比“每个元素的幂都有周期”更强的性质。
一般模数不保证循环: 有四个元素,却没有阶为四的元素,因而任何单个元素都无法生成全群。
12.2 有限群中的元素阶与循环子群
以下暂用 表示群单位元。对有限群中的元素 ,它的阶是满足 的最小正整数 。
先说明这个正整数一定存在。若 , 共 项,必有两项相同。设 、,乘以 得 。由良序原理可以取最小正指数。
与第 7.2 节同样作带余除法,可以证明对 ,
因此 两两不同,且任何非负整数幂都等于其中某一项。这个集合记为 。它包含单位元;两项乘积仍是一个幂; 的逆元为 ,经指数取余仍在集合中。因此 是 的子群,恰有 个元素。
在一般群中也可以使用整数次幂,负次幂由逆元定义;这里的计数只用非负代表。
12.3 陪集划分与拉格朗日定理的完整证明
设 是有限群 的子群。对 ,左陪集定义为
第一,每个陪集与 等大。 映射 是双射,逆映射为 ,故 。
第二,两个陪集相交就相同。 若 ,其中 ,则
记此元素为 ,有 。对子群内的 ,,所以 ;反用 得反向包含。故两个陪集完全相同。
第三,陪集覆盖全群。 每个 都属于 ,因为 。
综上,不同左陪集将 划分成若干互不重叠、每份恰有 个元素的集合。若有 个不同陪集,则
这就是拉格朗日定理。取 ,便得
证明没有使用交换律,适用于任意有限群。
整除条件不保证每个因数都实现为元素阶。 例如 的阶为 ,其元素阶分别为 ,没有阶为 的元素。后面按每个因数精确计数,依赖的是循环群这一额外条件。
12.4 循环群中的幂阶公式,包括零指数
设 ,,即 的阶为 。每个元素唯一写为 ,其中 。第 7.4 节的论证在群中原样成立:对 ,
若 ,写 、,。对正整数 ,
最后一步用 与互质消去律。因此最小正 为 。
若 , 的阶为 ,而 ,公式同样给出 。这一步补足了概率计数必须包含单位元的边界。
12.5 为什么阶为 d 的元素恰好有欧拉函数那么多个
设 ,令 。由刚才的公式,
右边要求 ,写 。由于 ,恰有 。并且
这个等式也可由第 3.4 节的质数指数逐项取最小值证明。因此
当 ,这样的 恰有 个,因为 不互质,统计范围与 等价;当 ,只有 ,且 ,也与 一致。每个 对应不同的 ,所以
若 ,由拉格朗日定理个数为 。由计数结果可见,在循环群中每个正因数确实都被实现。
取 ,各元素阶只能为 ,。其数量为
因为 时模 的互质代表恰为奇数,有一半。总数检查为 ;没有遗漏其他阶。这将直接变成第 15 章的概率分布。
12.6 原根存在性的另一条证明:所有阶的最小公倍数
新增对话给出另一种证明,可以与第 8.3 节的逐个质数幂构造对照。设 ,令
每个阶均整除 ,故 。另一方面,每个非零剩余类都满足 。多项式 因而至少有 个根;由第 8.2 节的根数上界,。于是 。
还需要说明有元素的阶恰好达到 。写 。由于是有限多个阶的最小公倍数,对于每个最大质数幂 ,存在某个 ,其阶为 ,且 。取 ,幂阶公式给出阶为 。这些阶两两互质,模乘法可交换,第 7.5 节给出 的阶为 。故 是原根。 单独取 即可。
这段“最小公倍数可以由一个元素的阶达到”的构造对有限交换群成立,不能去掉交换条件。例如三元素置换群 的元素由恒等、换位和三循环组成,阶分别为 ,最小公倍数为 ,却没有阶为 的元素。
第 13 章:有限概率、均匀映射与加权平均
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13.1 样本空间、事件与随机变量
本篇只需要有限概率,不需要先学习连续分布或测度论。设有限样本空间 的每个结果 有概率 ,并满足 。事件是其中一个子集 ,其概率为 。互不相交事件的概率可以相加。
若所有结果等概率,称为均匀分布,此时
随机变量 是由结果决定的数或标签。事件 指所有满足这个条件的结果,因此
最后一个等式来自不同取值的事件将样本空间划分。并非任意一组概率的和都为 ;这里使用的是某个随机变量全部互斥取值的概率。
13.2 双射保持均匀,等大小原像也保持均匀
若 在有限集合 上均匀, 是一个映射,则对 ,
这直接由均匀计数得到。如果 是双射,每个原像恰有一个元素,输出在 上均匀。如果 是满射,而且每个原像恰有相同的 个元素,则 ,输出仍在 上均匀,概率为 。
输出均匀需要检验原像大小,不能仅因为输入均匀就断定。 例如均匀取 ,映射 取 的概率为 ,取 的概率为 。
对 均匀取自 ,映射 的每个原像为
恰有 项,故余数均匀。若 , 又是双射:相同像经互质消去律推出相同原像,有限同大小集合上的单射就是双射。两步合起来仍保持均匀。
13.3 条件概率、独立性与全概率公式
当 时,条件概率定义为
随机变量 独立,表示对其全部取值 ,
因此,在 时,。零概率条件事件不使用这个除法。
设 将样本空间划分成互不相交的事件,则 被 划分,所以
这就是有限全概率公式。等号的依据分别是事件划分和条件概率定义,并不需要先假设独立。
如果 独立,分别只依赖它们的 也独立。固定输出 ,将原像事件展开:
这里强调“分别”:若两个新变量都依赖同一个输入,不能自动断言独立。
13.4 为什么 CRT 给出独立均匀的坐标
设 , 是不同质数。第 9 章的 CRT 双射在互质类上限制为
确实是双射:互质于 就同时不被 整除;反过来,两个非零坐标的 CRT 解也不被任何一个质因子整除,所以属于 。
均匀取 ,每个坐标对恰对应一个输入,故对 ,
固定 ,有 个可能的 ,所以边缘概率为 ;另一个边缘同理为 。联合概率等于它们的乘积,因此两个坐标独立且各自均匀。
CRT 本身是一个确定性的双射;独立均匀的结论还使用了输入在整个 上均匀。若从一部分特殊底数中抽样,必须重新核对分布。
13.5 相等概率为什么是加权平均
设 为独立的有限随机变量。相等事件由互斥事件 组成,所以
记 、。如果对每个 都有 ,则
其中 保证乘法不改变不等号方向, 保证结果是加权平均。不能把这一步理解为直接将若干个 相加。
从条件概率看,
独立性使每个条件概率等于 。无论 取哪个可能值, 恰好与它相同的概率都不超过 ;对这些情况取概率加权平均,上界仍为 。
独立性不能遗漏。例如让 均匀取 ,并令 。两者每个边缘取值概率都为 ,但 。此时不能将联合概率写成边缘概率的乘积。
13.6 重复试验、失败尾概率与期望次数
若每次独立重新抽样,单次失败概率为 ,则连续 次全部失败的概率为
不是只看单次概率就能相乘;需要独立重复。反复使用同一个底数,失败事件可能完全相同,不产生这个指数下降。
设每次成功概率为 , 为第一次成功的尝试次数。则 。期望定义为各可能值的概率加权和,并由非负项交换求和得
第二个等号可将整数 写成 个 来理解;几何级数的极限来自 。若 ,期望次数至多为 。这是概率保证,不表示每次必在两次内成功。
第 14 章:已知 RSA 私钥怎样随机分解模数
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14.1 区分四种已知信息或计算能力
本章限定 ,其中 是两个不同奇质数。以下“已知私钥指数”同时默认已知公钥 。恢复私钥与对某个密文进行求逆,应分别讨论。
| 已知信息或能力 |
能做什么 |
依据 |
| 分解 ,知道 |
计算 ,求出有效 并解密 |
第 2、11 章 |
| 知道 与 |
解二次方程恢复 |
第 11.6 节 |
| 知道 与有效 |
用本章随机算法恢复因子 |
第 14—15 章 |
| 仅有直接求解 的能力 |
可以解决对应 RSA 求逆问题 |
不能从前面结论直接推出分解算法 |
“能够分解,所以能够解密”是一个方向的计算归约;它本身没有证明反方向。私钥指数恢复与分解之间有随机多项式时间的归约,而一般 RSA 求逆能力与分解的等价性没有由这些证明建立。相关区别可核对 Handbook of Applied Cryptography 第 3 章 Fact 3.30 与第 8 章 Fact 8.6。
如果给出一个高效算法,它可由所有合格公钥恢复有效指数,那么与下面归约合用便得到相应模数的高效随机分解算法。单个容易恢复的明文或退化密钥,不能据此推出所有模数容易分解。数学原语与实际编码方案的安全性仍需区分,见第 11.6 节。
14.2 我们真正需要的是一个正的统一指数倍数
有效指数满足
这个条件与 RFC 8017 第 3.2 节 一致。令 ,则 。原对话使用更强的 ;本章的全部证明只需要较弱条件。
要求 。 正整数 可以保证这一点; 给出 ,无法把它写成后面所需的有限二次幂分解。它虽满足形式同余,却是公开的恒等幂运算,不能纳入这里的分解归约条件。
将 中所有因子 提取出来,得到唯一分解
为奇数
因为 为奇质数, 都为偶数,故 。对任何 ,费马小定理分别给出 模 与模 ,再由 CRT 合并得
算法知道的是 ,无需知道 或 的实际数值。
14.3 模两个奇质数乘积时,一的四个平方根
若 ,则 各自整除 。由欧几里得引理,在每个质数坐标下都有 或 。
奇质数保证 不同:否则该质数整除 ,矛盾。CRT 因而给出恰好四个不同剩余类:
| 模 坐标 |
模 坐标 |
模 的性质 |
|
|
平凡根 |
|
|
平凡根 |
|
|
非平凡平方根 |
|
|
非平凡平方根 |
反过来四种坐标组合的平方都为 ,所以没有漏根。两个非平凡根占四根的一半,不足以直接证明算法成功概率是一半,因为算法产生这些根的分布尚未说明。
例如模 的四个根为 。其中 、,所以为非平凡根。
14.4 为什么最大公约数能分离质因数
设 是非平凡平方根,其两个坐标必有不同符号。不妨 、,则 、。
若 也整除 ,则它整除 ,与奇质数条件矛盾;同理 。而 只有 两个不同质因数,所以
符号相反时因子位置交换。这证明提取结果必是真因子,而非仅仅某个公约数。
对 ,、,故最大公约数分别为 。
14.5 连续平方算法及全部分支
已知 ,先计算 。一次尝试可以如下进行:
- 在 中均匀随机选 ,计算 。若 ,由于 ,已有 ,直接输出 。
- 若 ,用快速幂计算 ,取 。若 ,本次失败,独立重选底数。
- 对 ,计算 。若 :当 时输出 及另一因子;当 时本次失败。若 ,令 并继续。
为什么输出分支中 不会等于 ?初始的 已被排除,之后一旦 就立即结束,不会将它带进下一轮。因此该分支确实满足 、,由第 14.4 节必输出正确因子。
互质底数的完整序列为
终点 。所以在有效输入假设下,必定触及 并落入某个成功或失败分支。若程序走完仍没有到达 ,应检查指数条件或实现,不能把错误输入当作本定理的反例。
算法用到的只有 gcd、快速幂和取模平方;证明时才引入未知的 、原根和指数坐标。算法本身不需要计算离散对数。
14.6 完整样例:由 e、d 恢复五十五的因子
已知 ,不先使用因子计算:
取 ,。连续平方得到:
|
|
运算 |
| 0 |
32 |
|
| 1 |
34 |
|
| 2 |
1 |
|
第 2 步平方为 ,前一项 既不是 也不是 ,故提取 ,另一因子 。若继续完整序列,后两项也为 ,但算法已无须继续。
失败例子也有:取 ,初始已为 ;取 ,因 奇数,初始为 ,下一平方为 ,只能得到平凡根。本次失败是算法允许的结果,需要重新抽样。
14.7 有限次失败与期望多项式时间
第 15 章将证明互质底数的一次成功概率至少为 。在全部 中抽样时,非互质分支直接成功;条件于互质时仍然均匀。因此全部候选的一次成功概率也至少为 。
独立重复 次仍失败的概率至多为 。例如 ,上界为 。这不保证每个随机序列都成功。
无限重试的算法一旦输出就必正确,期望尝试次数至多为 ,称为 Las Vegas 型随机算法;限次版本可以在未找到因子时明确报告失败。不能把“报告失败”写成输出一个未经验证的因子。
复杂度按输入位数计算。反复除以 最多进行 次,快速幂需要 次模乘,连续平方最多 次;gcd 和整数运算均可在输入位数的多项式时间完成。期望总时间因此是 的多项式,而不是与巨大整数 的数值成正比。通常 RSA 指数代表小于 ,此时也可按 控制。
第 15 章:随机分解成功概率的完整证明
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15.1 假设、随机选择与首次到达时刻
本章固定两个不同奇质数 ,;固定正整数 , 为奇数,且 。随机性只来自在整个 上均匀选择 。第 14.5 节实际抽样条件于互质就满足此分布。
写
其中 奇,。因为 ,由质数指数描述得到
即使 不互质,这些整除关系仍成立;本证明无需假设其互质。
令
由终点幂等于 ,这两个随机变量都存在且不大于 。一旦到达 ,以后平方仍为 。
15.2 为什么成功等价于两个坐标不同步
若 ,则 。考察 时的 。
模 的坐标已到达 ,故 。模 的坐标尚未到达 ,但下一平方为 ,所以它是模 的另一个平方根 。于是 的坐标为 ,是非平凡根。下一项第一次在两个坐标同时为 ,算法提取因子成功。 同理。
若 ,则前一步两个坐标都不是 ,平方却都为 ,因此均为 。CRT 给出前一步为 ,算法失败。若 ,两坐标一开始就是 ,初始分支失败。至首次整体到达 前,不可能出现另一个平方为 的项,否则整体已更早到达 。
所以,在互质底数分支中,
成功失败
例如 时,模 的序列为 ,首次到达时刻为 ;模 为 ,首次时刻为 。不同步使中间项 的坐标为 。
15.3 为什么取幂后在二次幂阶子群中均匀
先分析模 的坐标。由第 13.4 节,该坐标在 上均匀。取一个原根 ,每个 唯一对应 ,。这是双射,所以 均匀。
因为 且两者均奇,写 , 为奇数。令 ,由幂阶公式
取幂后
现在是两个清楚的映射:
| 映射 |
均匀性的依据 |
|
每个余数恰有 个原像 |
|
奇,故与 互质,乘法是排列 |
所以 均匀。再经 的双射, 在子群
上均匀,每个元素的概率为 。模 同理得到 阶子群上的均匀分布。
这个结论不要求 与全部 互质,只要求它与 互质。取幂也没有在原来的 个非零类上保持均匀,输出被限制到了更小的子群。
15.4 两种取模不要混淆:p 为十三的完整例子
取 ,,原根 。因此 , 的阶为 。
| 指数 |
|
指数 |
|
| 0 |
1 |
6 |
12 |
| 1 |
2 |
7 |
11 |
| 2 |
4 |
8 |
9 |
| 3 |
8 |
9 |
5 |
| 4 |
3 |
10 |
10 |
| 5 |
6 |
11 |
7 |
均匀选择非零类等价于均匀选择这十二个指数。为展示取幂映射,取奇数 ,即 。这里仅演示模 的均匀性,不另外指定 RSA 的另一个质数或整个 。
指数余数及输出为:
|
对应的三个 |
|
|
| 0 |
|
0 |
1 |
| 1 |
|
3 |
5 |
| 2 |
|
2 |
12 |
| 3 |
|
1 |
8 |
每行三个等概率输入,所以输出 各有概率 。
模 控制幂的值;模 控制指数的周期。 按 循环,所以 。指数里的 对 取余,并没有把幂值改成模 。
若把奇数乘子 换成偶数 ,模 的指数只得到 ,不能保持全部四个指数余数上的均匀。这解释了奇数条件发挥的作用。
15.5 从元素阶计数得到到达时刻分布
属于 阶循环群。由拉格朗日定理,元素阶只能为 。若其阶恰为 ,则
因此首次到达时刻恰为 ; 时元素已是单位元,初始即到达。第 12.5 节的计数给出
其他整数
在 的例子中,子群元素及阶为:
| 元素 |
1 |
8 |
12 |
5 |
| 阶 |
1 |
4 |
2 |
4 |
|
0 |
2 |
1 |
2 |
每个元素概率为 ,故 的概率为 。元素等概率,不表示阶的不同取值等概率;阶为 的元素有两个。
一般分布的总和为
每个概率都不超过 : 用 ; 时最大为 。模 只需将 换成 。
15.6 独立性、加权上界与至少一半的成功率
由第 13.4 节,模 与模 坐标独立。 只依赖前一个坐标, 只依赖后一个,固定的 没有额外随机性,所以第 13.3 节保证 独立。
相等事件按 分解,得到
失败
令 、。由刚才分布,、,且每个 。因此
失败
求和的是带权重的概率,权重总和为 ,所以这一步是加权平均。不是直接相加多个 。从条件概率看,无论 最终取哪个有可能的值,独立的 恰好取同一值的概率都不超过 ;按这些情况的概率加权后,上界仍不变。
最后,成功与失败恰为互补事件,所以
成功
这一结论使用了所有前提:两个不同奇质数、正的统一指数倍数、均匀互质抽样、原根循环性、元素阶计数以及 CRT 的独立性。
15.7 五十五的实际失败概率与通用上界
对 ,有 ,两个分布为:
|
|
|
乘积 |
| 0 |
|
|
|
| 1 |
|
|
|
| 2 |
|
|
|
| 合计 |
|
|
|
实际失败概率为
所以互质分支成功概率为 。若只使用 ,则得到
把第三行实际为 的概率替换成 ,使上界变宽;没有改变算法的真实概率。这正是“实际值为 ”与“普遍可保证不超过 ”能够同时成立的原因。
模 有 个互质类,其中 个底数成功、 个失败。若按第 14.5 节从 全部候选抽样,其余 个非互质底数直接给出因子,故完整尝试的成功概率为 。这个数与 对应不同的样本空间。
15.8 精确概率公式与最差情形
令 。两边有正概率的共同取值为 。代入分布,
失败
因此
成功
这些是互质均匀抽样下的精确概率,不依赖 中多出的奇因子或因子 :前者在指数子群中作排列,后者只延长序列已经为 的尾部。
|
|
失败概率 |
成功概率 |
| 1 |
1 |
|
|
| 2 |
1 |
|
|
| 2 |
2 |
|
|
| 3 |
3 |
|
|
| 2 |
4 |
|
|
若 ,失败概率为 ; 时为 ,以后严格减小。若两者不同,分母进一步乘以 ,失败概率更小。因此最低成功概率 确实在 达到。取 即为一个实例。
15.9 证明依赖与容易误用的地方
完整链条是:原根给出循环坐标 → 幂阶公式确定 阶子群 → 等大小原像与奇数排列保证均匀 → 拉格朗日及欧拉函数计数给出到达时刻分布 → CRT 保证两个时刻独立 → 非负权重总和为 保证失败上界 → 不同到达时刻给出非平凡根和真因子。
回读时可用以下表定位条件:
| 容易跳过的推理 |
必须补上的依据 |
| 阶只可能是 的幂 |
元素阶整除子群阶;也可直接用循环群幂阶公式 |
| 每种阶的数量是 |
循环群中指数的互质计数,不是任意群都如此 |
| 输入均匀所以取幂后均匀 |
要在正确输出子群上检查等大小原像 |
| 同一个底数的两个坐标独立 |
均匀输入加 CRT 的笛卡尔积双射 |
| 许多概率都至多一半,所以和至多一半 |
实际相加的是权重总和为 的加权平均 |
| 重复后失败概率相乘 |
每次独立重新抽样 |
| 知道私钥能分解,所以直接解密能力也能分解 |
两种计算能力不同,该归约只使用已知有效指数 |
这些条件组成理论证明。数值枚举与随机模拟可以帮助检查例子,不能替代任何一环。
第 16 章:概念辨析、拓展、练习与来源覆盖
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16.1 三种“个数”不要混淆
| 问题 |
记号 |
例子 |
| 不超过 的素数有多少个 |
|
:2、3、5、7、11 |
| 有多少种不同质因子 |
|
|
| 的质因子算重数后有多少个 |
|
|
| 代表范围内与 互质的整数有多少个 |
|
|
如果 ,则 、,并约定 。因每个质因子至少为 ,,所以
若有 个不同质因子,把它们排序后第 个不小于第 个质数,所以 至少是前 个质数的乘积。因此 时最多一种, 时最多两种, 时最多三种。这个上界讨论的是最大可能数量,不能当成给定整数的实际数量。
16.2 素数计数与渐近公式:只介绍拓展结论
素数定理为
表示两者比值趋于 ,不是精确相等;相对误差趋于 ,也不意味着绝对误差趋于 。对整数 ,“小于 ”的计数是 ,不是 。参看 Carl Pomerance 的数论讲义。
| 上限 |
不超过 的素数实际个数 |
(约) |
| 10 |
4 |
4.3 |
| 100 |
25 |
21.7 |
| 1000 |
168 |
144.8 |
| 10000 |
1229 |
1085.7 |
| 100000 |
9592 |
8685.9 |
| 1000000 |
78498 |
72382.4 |
接近大数 的整数“成为素数的密度约为 ”是一种启发式解释,不是证明。对数积分是更精细的经典近似;采用从 起积分的记号时,可写 。它与采用主值积分定义的 相差常数,记号应说明约定。
原对话还提到不同质因子数的最大值与平均值,其渐近量级分别是 与 。它们是关于一批整数的统计结论,不是计算 的精确公式。为把平均与正常数量分开,准确写成
Hardy–Ramanujan 定理的核心是“正常数量”:对每个固定 ,除占比趋于 的例外整数外, 接近 ,相对偏差小于 。平均值结论与正常数量结论相关,但不是同一个陈述;这一区别可参看 Carl Pomerance 关于数量阶的讲义。
以上解析数论结论不在本篇的证明范围内,也不参与 RSA 正确性证明。拓展资料可参看 数论笔记中的算术函数阶。
16.3 卡迈克尔函数:统一周期与单个元素周期
对 ,令 为互质剩余类。定义 为所有 都满足 的最小正整数 。
由第 7.2 节,一个 对全部元素可用,当且仅当它被每个元素的阶整除。因此
最右边整除来自每个阶均整除 ,所以其最小公倍数也整除。模 时阶分别为 ,故 。
对质数 ,原根的存在保证 。对两个不同质数 ,中国剩余定理把 对应到 ,并且一个幂等于 当且仅当两个坐标都等于 ,所以
充分性:该最小公倍数使两个坐标的幂都为 。必要性:由标准中国剩余定理可选互质元素,其模 坐标为原根、模 坐标为 ,所以任意统一指数必须被 整除;交换坐标又得 整除它,因而被两者最小公倍数整除。
三种指数的区别是:阶针对一个底数, 针对全部互质底数的最小统一指数, 是互质底数个数,同时提供一个统一指数。一般 的质数幂公式及全部结构不在本篇展开。
16.4 练习与解答
题 1。 求 模 的余数。
解:,。
题 2。 对任意整数 , 与 哪个必成立?
解:第二个。第一个还需 ,取 即得反例。
题 3。 解 。
解: 的逆元为 ,所以 。
题 4。 已知 ,求 的阶。
解:。直接检验 ,,。
题 5。 解 、。
解:公约数 整除余数差 ,有解。写 ,得到 ,所以 ,。
题 6。 对 ,消息 是否都能恢复?
解:是。第 11.4 节已覆盖任意消息,包括 与质因子倍数。加密余数分别为 ,相应解密余数也是它们本身。
题 7。 一个 阶循环群中,阶为 的元素分别有多少个?
解:分别为 ,总和为 ;其他正整数不整除 时个数为 。
题 8。 已知 模 的阶为 ,,求 。
解:指数对 取余为 ,幂的值仍模 ,所以 。
题 9。 两个独立随机变量的分布为 与 ,它们相等的概率是多少?为何仍可写上界 ?
解:按相同位置作乘积并求和得 。第二分布每项至多 ,以第一分布为权重,权重总和为 ,所以通用上界为 。上界不等于精确值。
题 10。 对 ,连续平方分解仍可用吗?
解:,不是 的倍数,但条件已足够。;取 得 ,照样提取 。互质底数成功概率仍为 。
题 11。 若 与 中因子 的次数分别为 ,互质均匀底数一次尝试的成功概率是多少?
解:,失败概率为 ,成功概率为 。
题 12。 单次失败概率为 ,独立重复 次仍全部失败的概率与期望成功次数是多少?
解:分别为 与 。若不独立重选,这些式子未必成立。
16.5 原对话覆盖索引与整理校正
原始顺序共有 21 轮;下表每一行对应一个用户问题及其助手回答。重复回答的内容合并,关键追问保留到相应证明中。
本版补全了互质消去律、幂的阶公式、因式定理的直接恒等式、容斥的权重证明、 与 的边界;区分了素因子数的平均与正常数量,并将安全参数的存在性例子与安全建议分开。原根分类与解析数论拓展明确标注未证明。
16.6 新增对话与补充的覆盖索引
第二份分享对话单独共有 11 轮,以下独立编号;加权上界是用户后来直接粘贴的一条补充,不计作分享中的新轮次。
第二版补上有限群、陪集划分、零指数阶公式、循环群的阶计数、等大小原像、条件概率与独立性;用较弱的正 倍数统一分解算法,并区分互质抽样与全候选抽样。完整覆盖“指数的模数”“阶到时刻”“加权平均上界”三处反复追问,给出精确概率及独立重试的期望分析。
16.7 阅读、分享与版本关系
第一版保存在旧版本目录中的 HTML与PDF。第二版保留第一版的初等数论证明与拓展,增加群论和概率主线,目录和来源覆盖索引按新章节更新。
“欧拉函数”“欧拉定理”也与复数中的欧拉公式 不同;后者可在代数基本定理笔记中阅读。模质数的多项式与乘法结构,可以接到多项式与分圆域笔记以及伽罗瓦理论笔记。
配套 Markdown 与阅读索引供整套导航。HTML 的正文、公式与公式源码查看工具嵌入单文件,可离线阅读;PDF 提供静态正文、目录页码及分层书签。跨笔记、Markdown 与来源归档链接需要对应文件,分享整套时请保留目录层级。