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欧拉定理&费马小定理

费马小定理

定义

pp 为素数,gcd(a,p)=1\gcd(a, p) = 1,则 ap11(modp)a^{p - 1} \equiv 1 \pmod{p}

另一个形式:对于任意整数 aa,有 apa(modp)a^p \equiv a \pmod{p}

证明

设一个质数为 pp,我们取一个不为 pp 倍数的数 aa

构造一个序列:A={1,2,3,p1}A=\{1,2,3\dots,p-1\},这个序列有着这样一个性质:

i=1p1 Aii=1p1(Ai×a)(modp)\prod_{i=1}^{p-1}\space A_i\equiv\prod_{i=1}^{p-1} (A_i\times a) \pmod p

证明:

(Ai,p)=1,(Ai×a,p)=1\because (A_i,p)=1,(A_i\times a,p)=1

又因为每一个 Ai×a(modp)A_i\times a \pmod p 都是独一无二的,且 Ai×a(modp)<pA_i\times a \pmod p < p

得证(每一个 Ai×aA_i\times a 都对应了一个 AiA_i

f=(p1)!f=(p-1)!, 则 fa×A1×a×A2×a×A3×Ap1(modp)f\equiv a\times A_1\times a\times A_2\times a \times A_3 \dots \times A_{p-1} \pmod p

ap1×ff(modp)ap11(modp)\begin{aligned} a^{p-1}\times f &\equiv f \pmod p \\ a^{p-1} &\equiv 1 \pmod p \end{aligned}

证毕。

也可用归纳法证明:

显然 1p1(modp)1^p\equiv 1\pmod p,假设 apa(modp)a^p\equiv a\pmod p 成立,那么通过二项式定理有

(a+1)p=ap+(p1)ap1+(p2)ap2++(pp1)a+1(a+1)^p=a^p+\binom{p}{1}a^{p-1}+\binom{p}{2}a^{p-2}+\cdots +\binom{p}{p-1}a+1

因为 (pk)=p(p1)(pk+1)k!\binom{p}{k}=\frac{p(p-1)\cdots (p-k+1)}{k!} 对于 1kp11\leq k\leq p-1 成立,在模 pp 意义下 (p1)(p2)(pp1)0(modp)\binom{p}{1}\equiv \binom{p}{2}\equiv \cdots \equiv \binom{p}{p-1}\equiv 0\pmod p,那么 (a+1)pap+1(modp)(a+1)^p \equiv a^p +1\pmod p,将 apa(modp)a^p\equiv a\pmod p 带入得 (a+1)pa+1(modp)(a+1)^p\equiv a+1\pmod p 得证。

欧拉定理

在了解欧拉定理(Euler's theorem)之前,请先了解 欧拉函数。定理内容如下:

定义

gcd(a,m)=1\gcd(a, m) = 1,则 aφ(m)1(modm)a^{\varphi(m)} \equiv 1 \pmod{m}

证明

实际上这个证明过程跟上文费马小定理的证明过程是非常相似的:构造一个与 mm 互质的数列,再进行操作。

r1,r2,,rφ(m)r_1, r_2, \cdots, r_{\varphi(m)} 为模 mm 意义下的一个简化剩余系,则 ar1,ar2,,arφ(m)ar_1, ar_2, \cdots, ar_{\varphi(m)} 也为模 mm 意义下的一个简化剩余系。所以 r1r2rφ(m)ar1ar2arφ(m)aφ(m)r1r2rφ(m)(modm)r_1r_2 \cdots r_{\varphi(m)} \equiv ar_1 \cdot ar_2 \cdots ar_{\varphi(m)} \equiv a^{\varphi(m)}r_1r_2 \cdots r_{\varphi(m)} \pmod{m},可约去 r1r2rφ(m)r_1r_2 \cdots r_{\varphi(m)},即得 aφ(m)1(modm)a^{\varphi(m)} \equiv 1 \pmod{m}

mm 为素数时,由于 φ(m)=m1\varphi(m) = m - 1,代入欧拉定理可立即得到费马小定理。

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