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第 2 章:费马小定理与指数缩减 ​

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2.1 定理说了什么 ​

若p是质数,且p不整除整数a,则

\boxed{a^{p-1}\equiv1\pmod p.}

质数p的非零剩余类都与p互质,因此第1章的消去律可以使用。这个条件会在证明最后一步发挥作用。

还有一种包含所有整数a的形式:a^p\equiv a\pmod p。若p\nmid a,把第一式乘a即可;若p\mid a,两边模p都为0。反过来,只有在p\nmid a时,才能从后一式约去a,得到前一式。

2.2 为什么乘法会把非零余数重新排列 ​

考虑非零剩余类1,2,\ldots,p-1,把它们分别乘a。要证明乘后的余数仍然是这一整组数,只需排除两种情况。

第一,不会出现0。若ai\equiv0\pmod p,因为a与p互质,可以消去a,得到i\equiv0,与1\le i\le p-1矛盾。

第二,不会有两个不同位置产生相同余数。若ai\equiv aj\pmod p,消去a得到i\equiv j。而i,j都在1至p-1之间,同余只能意味着i=j。

因此,乘后的p-1个余数非零且互不相同;总共只有p-1种非零余数,它们必然把原来的整组数全部占满。这里“重新排列”指的就是这件事,并没有增加或丢失余数。

把这组同余相乘,就有

(a\cdot1)(a\cdot2)\cdots(a\cdot(p-1))
\equiv1\cdot2\cdots(p-1)\pmod p.

左边含有p-1个a,所以可写为a^{p-1}(p-1)!。两边的(p-1)!都与p互质,可以消去。剩下的正是a^{p-1}\equiv1。

证明的顺序是:互质允许消去 → 乘法没有重复和零 → 整组余数只是重排 → 相乘并消去共同乘积。一般的欧拉定理还会使用同一思路。

2.3 为什么能缩减指数 ​

若a^{p-1}\equiv1,把非负整数指数m写成

m=q(p-1)+r,\qquad0\le r<p-1,

就得到

a^m=(a^{p-1})^qa^r\equiv a^r\pmod p.

这一步不是直接对指数套用同余运算法则;依据是每一整段p-1次幂都贡献一个1。例如算3^{100}\bmod7,由于100=16\cdot6+4,只需算3^4\equiv4\pmod7。例子中的“对6取余”和“对7取余”承担不同任务:6用于分解指数,7用于计算幂的值。

2.4 应用和使用边界 ​

定理还可以证明整除:a^p\equiv a\pmod p等价于p\mid(a^p-a)。也可以给出逆元:当p\nmid a时,a\cdot a^{p-2}\equiv1,所以a^{p-2}是a的逆元。

但通过一次类似的幂同余检验,不能反过来保证模数是质数。例如341=11\cdot31,却有2^{340}\equiv1\pmod{341},因为2^{10}=1024\equiv1\pmod{341}。费马小定理给的是“质数必满足”的性质,并未证明“满足这个性质的数必为质数”。

保留每一次追问,认真走完每一步证明。