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第 14 章:补充证明:逆元、唯一分解与CRT ​

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这一章供遇到“这一步还没证明”时回查。第1—12章已经解释主线的定理与推导;这里补足它们背后的基础结论。可按小节标题选读,不需要一次全部读完。

14.1 从最小正线性组合证明裴蜀等式 ​

定理。 对不全为零的整数 a,b,存在整数 x,y,使

ax+by=\gcd(a,b).

令

S=\{ax+by:x,y\in\mathbb Z,\ ax+by>0\}.

集合非空:若 a\ne0,选择 x=1 或 -1、y=0 即得到 |a|;否则用 |b|。由良序原理,S 有最小元素 d>0,写作 d=ax_0+by_0。

对 a 作带余除法:a=qd+r,0\le r<d。于是

r=a-qd=a(1-qx_0)+b(-qy_0).

如果 r>0,它也是 S 的元素,却比 d 小,矛盾。故 r=0,即 d\mid a。同理 d\mid b。

另一方面,任意正公约数 c 都整除 a,b 的整数线性组合,所以 c\mid d,进而 c\le d。因此 d 既是公约数,又不小于任何正公约数,正是 \gcd(a,b)。所需的 x_0,y_0 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。

14.2 互质消去律与欧几里得引理 ​

若 \gcd(a,n)=1 且 n\mid ab,由裴蜀等式取 ax+ny=1,乘以 b:

b=abx+nby.

右侧两项均被 n 整除,故 n\mid b。这就是互质消去律,其中 n 不必是质数。

作为特例,若 p 是质数且 p\mid ab,则 p\mid a 或 p\mid b。因为一旦 p\nmid a,质数的因数只有 1,p,所以 \gcd(a,p)=1,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:6\mid2\cdot3,但 6 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。

14.3 模逆元存在的充要条件 ​

a 模 n 的逆元是满足 au\equiv1\pmod n 的整数 u。对 n\ge2,有

a\text{ 模 }n\text{ 有逆元}\quad\Longleftrightarrow\quad\gcd(a,n)=1.

充分性:由 ax+ny=1,取 u=x。

必要性:若 au-nv=1,a,n 的每个公约数都整除左边,因此整除 1,所以只能为 1。

逆元在模 n 意义下唯一:若 au\equiv av\equiv1,则 n\mid a(u-v);由互质消去律,n\mid(u-v)。

因此,当 \gcd(a,n)=1 时,从 ab\equiv ac\pmod n 可以乘以逆元,推出 b\equiv c\pmod n。这是后面约去阶乘或剩余类乘积的依据。

14.4 两个常用推论 ​

互质因子的乘积仍与模数互质。 若 ax+ny=1、bu+nv=1,相乘得到

abxu+n(axv+buy+nyv)=1.

任意 ab,n 的公约数都整除 1,故 \gcd(ab,n)=1。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 \gcd(m,n)=1、m\mid A、n\mid A,写 A=mt。由 n\mid mt 与消去律,n\mid t,故 mn\mid A。

14.5 如何实际计算逆元 ​

带余除法给出 \gcd(a,b)=\gcd(b,r),因为 a=qb+r 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 40=13\cdot3+1,所以 1=40-13\cdot3,从而

3^{-1}\equiv-13\equiv27\pmod{40}.

这里逆元符号表示模运算中的整数剩余类,不是普通分数 1/3。

14.6 定理的准确表述 ​

每个整数 n>1 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

n=p_1^{\alpha_1}\cdots p_k^{\alpha_k},

其中 p_i 两两不同,\alpha_i\ge1。例如 60=2^2\cdot3\cdot5。

“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。

14.7 存在性:强归纳法 ​

n=2 自身是质数。假设所有满足 2\le m<n 的整数均可分解。

若 n 是质数,结论立即成立。若 n 是合数,可写 n=ab,其中 1<a,b<n。由归纳假设,a,b 都是质数的有限乘积,合在一起给出 n 的分解。因此对所有 n>1 成立。

14.8 唯一性:配对和终止分别证明 ​

假设

p_1\cdots p_r=q_1\cdots q_s

是两种分解。p_1 整除右侧,由欧几里得引理,它整除某个 q_j。两个数都是质数,所以 p_1=q_j。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 r<s。约去左侧全部 r 个因子后,得到

1=q_{r+1}\cdots q_s.

右侧至少剩一个质数,每个质数都不小于 2,故乘积大于 1,矛盾。r>s 同样矛盾。所以 r=s,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 1。这是原对话“为什么最终同时约完”的完整回答。

14.9 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 p_j,缺少某个质因子时指数记为 0。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:

\gcd(m,n)=\prod_jp_j^{\min(\alpha_j,\beta_j)},\qquad
\operatorname{lcm}(m,n)=\prod_jp_j^{\max(\alpha_j,\beta_j)}.

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 \gcd(m,n)\operatorname{lcm}(m,n)=mn。一个整数同时被所有 m_i 整除,当且仅当被 \operatorname{lcm}(m_1,\ldots,m_k) 整除;整数为 0 的情况也显然成立。这将说明中国剩余定理的解周期。

14.10 一般容斥为何成立 ​

令 A_i 是能被 p_i 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 n 个整数。

对一个落入恰好 j 个 A_i 的整数,它在展开中的总权重为

\sum_{t=0}^{j}(-1)^t\binom jt=(1-1)^j.

若 j=0,权重为 1;若 j\ge1,权重为 0。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 I=\{1,\ldots,k\}。不同质数互质,每个交集对应其乘积的倍数,故

\varphi(n)=n\sum_{J\subseteq I}(-1)^{|J|}\prod_{i\in J}\frac1{p_i}.

空乘积取 1。展开 \prod_i(1-1/p_i) 时,从每个括号选 1 或 -1/p_i。选择负项的下标恰好形成子集 J,贡献 (-1)^{|J|}\prod_{i\in J}1/p_i;每个子集出现一次。因此

\boxed{\varphi(n)=n\prod_{p\mid n}\left(1-\frac1p\right)}.

乘积公式是容斥展开的因式分解表达。 质因子指数虽影响 n,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。

14.11 两两互质模数的定理 ​

设正整数 m_1,\ldots,m_k 两两互质,余数 a_i 为任意整数,令 M=m_1\cdots m_k。则

x\equiv a_i\pmod{m_i}\quad(i=1,\ldots,k)

一定有解,所有解恰为 x=x_0+tM,t\in\mathbb Z。

“唯一”指模 M 的唯一剩余类,而非只有一个整数解。模数为 1 的条件不限制任何整数,可以删除;若全部为 1,全部整数就是模 1 的一个剩余类。以下构造处理剩余的模数。

14.12 存在性:构造对自己的模数余一、对其他余零的项 ​

令 M_i=M/m_i。因为其他每个 m_j 都与 m_i 互质,第 13.4 节的乘积互质性质给出 \gcd(M_i,m_i)=1。

由裴蜀等式,取 M_iu_i+m_iv_i=1,令 E_i=M_iu_i。于是

E_i\equiv1\pmod{m_i},\qquad E_i\equiv0\pmod{m_j}\ (j\ne i).

第二式来自 m_j\mid M_i。再取

x_0=\sum_{i=1}^ka_iE_i=\sum_{i=1}^ka_iM_iu_i.

对任意固定 m_j 取模,其余项全为 0,只有 a_jE_j\equiv a_j,所以满足全部方程。存在性得证。

14.13 唯一性与全部解 ​

若 x,y 都是解,则每个 m_i 都整除 x-y。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 M\mid(x-y)。

反过来,x_0+tM 对各模数都与 x_0 同余,所以仍是解。因此全部解恰为该形式。

14.14 手算构造公式 ​

求 x\equiv2\pmod3、x\equiv3\pmod5、x\equiv2\pmod7。

M=105,M_1=35、M_2=21、M_3=15;各自逆元可取 2,1,1,因为对应乘积模自身模数均为 1。于是

x_0=2\cdot35\cdot2+3\cdot21+2\cdot15=233\equiv23\pmod{105}.

全部解 x=23+105t。直接检验 23 分别余 2,3,2。

14.15 相容性条件与正确周期 ​

对任意正整数模数 m_1,\ldots,m_k,方程组 x\equiv a_i\pmod{m_i} 有解,当且仅当

\boxed{\gcd(m_i,m_j)\mid(a_i-a_j)\quad\text{对全部 }i,j}.

若有解,令 L=\operatorname{lcm}(m_1,\ldots,m_k),全部解恰为 x=x_0+tL。

模数不互质时,相容性有实际限制。例如 x\equiv2\pmod6 与 x\equiv4\pmod9 无解,因为公约数 3 不整除余数差 2。互质时公约数为 1,条件自动满足,且 L 等于乘积,所以标准形式是特殊情形。

14.16 两个模数:必要性 ​

考虑 x\equiv a\pmod m、x\equiv b\pmod n,记 g=\gcd(m,n)。

若存在 x,g 整除 x-a 与 x-b,也就整除两者之差 b-a。因此 g\mid(b-a) 必要。

14.17 两个模数:充分性与构造 ​

假设 g\mid(b-a),写 m=gm'、n=gn'、b-a=gc,其中 m',n' 互质。

先令 x=a+mt,保证第一个方程。第二个方程要求 mt\equiv b-a\pmod n,等价于存在整数 s 使

mt-ns=b-a\quad\Longleftrightarrow\quad m't-n's=c.

用裴蜀等式取 m'u+n'v=1,令 t=cu、s=-cv,便满足要求,因此可取 x_0=a+mcu。充分性得证。

若 x,y 均为解,则 m,n 都整除 x-y,由第 13.9 节,\operatorname{lcm}(m,n)\mid(x-y)。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。

14.18 非互质的手算例子 ​

求 x\equiv2\pmod6、x\equiv5\pmod9。公约数 3 整除余数差 3,所以有解。

写 x=2+6t,代入得到 6t\equiv3\pmod9。这一同余等价于 2t\equiv1\pmod3:是同时将整除等式的两边及模数除以 3,并非保持原模数的无条件约分。

所以 t\equiv2\pmod3,取 t=2+3s,得

x=14+18s,\qquad x\equiv14\pmod{18}.

周期是 \operatorname{lcm}(6,9)=18,不是乘积 54。

14.19 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

L=\operatorname{lcm}(m_1,\ldots,m_k)=\prod_{j=1}^{r}p_j^{e_j}.

每个 e_j 是所有模数中该质数指数的最大值,所以可选一个下标 h(j),使 p_j^{e_j}\mid m_{h(j)}。提取约束

x\equiv a_{h(j)}\pmod{p_j^{e_j}}\quad(j=1,\ldots,r).

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 x_0。

现在证明它满足原方程。固定 i,设 p_j 在 m_i 中的指数为 f_{ij}\le e_j。若 f_{ij}>0,该质数幂同时整除 m_i 与 m_{h(j)},故

p_j^{f_{ij}}\mid\gcd(m_i,m_{h(j)})\mid(a_i-a_{h(j)}).

而构造保证 x_0\equiv a_{h(j)}\pmod{p_j^{e_j}},所以降到 p_j^{f_{ij}} 后仍成立,结合相容性得 x_0\equiv a_i 模该质数幂。对 m_i 的所有不同质数幂都成立,互质乘积整除推论给出 m_i\mid(x_0-a_i)。

由于 i 任意,满足全部原方程。若 L=1,则全部模数为 1,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。

14.20 唯一性与一个多模数例子 ​

任意两个解之差被所有 m_i 整除,因此被 L 整除;x_0+tL 又总是解。所以解模 L 唯一。L 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 L 整除。

例如取 m_1=12,m_2=18,m_3=20,余数分别为 5,11,17。三个公约数为 6,4,2,都整除对应余数差。L=180=4\cdot9\cdot5,可提取

x\equiv1\pmod4,\quad x\equiv2\pmod9,\quad x\equiv2\pmod5.

取 x_0=137,逐项检验模 12,18,20 分别余 5,11,17,故全部解为 137+180t。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。