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  • 数论-剩余类、完全剩余系、缩系、欧拉函数

    剩余类:

    ∀ 0≤r≤m-1(m≥1),Cr={x∈Z | x≡ r (mod m)}={m*q+r|q∈Z}=[r](除m余r的所有数集合),则C0,C1,C2,...,Cm-1为模m的剩余类(共有m个)

    性质1:

    ①∀ x∈Z, ∃ 0≤r≤m-1,x∈Cr(Cr的定义)

    ②x,y ∈Cj,0≤j≤m-1, 当且仅当x≡y  (mod m)

    完全剩余系:

    定义:a0,a1,a2,...,am-1是模m的一组完全剩余系《=》aj∈Cj, 0≤j≤m-1

    非负最小完全剩余:0,1,2,...,m-1

    性质2:

    {a1,a2,...,am-1}是模m的一组完全剩余系,当且仅当 ∀ 1≤i<j≤m,ai ≠ aj (mod m)

    性质3:

    若(k,m)=1,a1,a2,...,am是模m的一组完全剩余系,则k*a1,k*a2,...,k*am-1是模m的一组完全剩余系

    证明:(证明他们之间两两不同余)

    ∀ 1≤i<j≤m,假设 k*ai ≡ k*aj (mod m)

    则 m | k*(ai-aj)

    ∵(m,k)=1 ∴ m | (ai-aj)

    ∴ai ≡ aj (mod m)

    又∵ ai ≠ aj (mod m),与假设相矛盾,故假设不成立,即k*a1,k*a2,...,k*am-1之间两两不同余,是模m的一组完全剩余系

    性质4:

    若(m,n)=1,a1,a2,...,am和b1,b2,...,bn分别为模m和模n的完全剩余系,则{n*ai+m*bj | 1≤i≤m ,1≤j≤n}是模m*n的一组完全剩余系

    证明:(证明在集合内两两不同余)

    假设:n*a+m*b≡ n*α+m*β(mod m*n)

    其中 a,α ∈{a1,a2,...,am}, b,β∈(b1,b2,...,bn)

    故 m*n | n*(a-α)+m*(b-β)

    故m | n*(a-α)+m*(b-β)

    ∵(m,n)=1,故m|(a-α)

    即a  ≡ α (mod m)

    又∵ a,α ∈{a1,...,am},,故 a ≠ α (mod m)与假设矛盾,同理可证b ≡ β (mod n)与假设矛盾

    故假设不成立,即n*a+m*b ≠ n*α+m*β(mod m*n),根据性质2,可知{n*ai+m*bj | 1≤i≤m ,1≤j≤n}是模m*n的一组完全剩余系

    性质5:

    若n≥3,a1,a2,...,an和b1,b2,...,bn为模m的完全剩余系,则a1*b1,a2*b2,...,an*bn不为模m的一组完全剩余系

    性质6:

    设p为素数,则(p-1)! +1 ≡ 0 (mod p)(威尔逊定理

    (这里先举例把,证明太复杂了!!!以后补上)

    若p=2,则1!+1=2≡0 (mod 2)

    若p=3,则2!+1=3≡0 (mod 3)

    若p=5,则4!+1=25≡0(mod 5)

    若p=7,则6!+1=721≡0 (mod 7)

    ...()

    缩系

    定义:剩余类中与m互素的剩余类集合

    数学公式表示:(Z/mz)*={Cr | 0≤r≤m-1, (r,m)=1}中的元素叫做与模m互素的剩余类(这里的元素即是集合)

    |(Z/mz)*| ==>m的剩余类中与m互素的剩余类集合的个数(是有限个)

    欧拉函数:φ(m)=|(Z/mz)*| 或 φ(m)={r | 0≤r≤m-1,(m,r)=1}(一个r与一个剩余类(模m余r)一 一对应)

    如何求一个数的欧拉函数?

    例:

    对于φ(1),完全剩余系{0},(0,1)=1,故存在一个,即φ(1)=1

    对于φ(2),完全剩余系{0,1},(0,2)=2,(1,2)=1,故存在一个,即φ(2)=1

    对于φ(3),完全剩余系{0,1,2},(0,3)=3,(1,3)=1,(2,3)=1,故存在两个,即φ(3)=2(这里以非负最小完全剩余系来为代表)

    一个关于欧拉函数的结论:若p为素数,则φ(p)=p-1

    性质1:设(Z/mz)*={Cr1,Cr2,...,Crφ(m)},其中0≤r1,r2,...,rφ(m)≤m-1,a1,a2,...,aφ(m)是模m的一组缩系,则ai∈Cri, 1≤i≤φ(m)

    性质2:缩系中有φ(m)个元素

    性质3:若a1,a2,..,aφ(m)个与m互素的数构成模m的一组缩系,当且仅当元素两两不同余

    性质4:(a,m)=1,{a1,a2,...,aφ(m)}是模m的一组缩系,则{a*a1,a*a2,...,a*aφ(m)}也构成模m的一组缩系

    性质5:设m≥2,(a,m)=1,则a**(φ(m)) ≡ 1 (mod m)

    证明:设r1,r2,...,rφ(m)是模m的一组缩系,则a*r1,a*r2,...,a*rφ(m)也为模m的一组缩系

      a*r1 ≡ <a*r1> (mod m)

      a*r2 ≡ <a*r2> (mod m)

      .

      .

      .

      a*rφ(m) ≡<a*rφ(m)> (mod m)

    其中{a*r1,a*r2,...,a*rφ(m)}和{<a*r1>,<a*r2>,...,<a*rφ(m)>}都为模m的一组缩系

    左边相乘,右边相乘得:

    (a*r1) *(a*r2) *...*(a*rφ(m)) ≡ r1*r2*...*rφ(m) (mod m)

    a**(φ(m)) *(r1*r2*...*rφ(m)) ≡ r1*r2*...*rφ(m) (mod m)

    即a**(φ(m))  ≡ 1 (mod m)

    性质6:设p为素数,则a**p=a (mod p)

    证明:

    若(a,p)=1

    根据性质5可知,a**(φ(p)) ≡ 1 (mod p)

    ∵p为素数

    ∴φ(p)=p-1

    ∴a**(p-1) ≡ 1 (mod p)

    即a**p  ≡ a (mod p)

    若(a,p)≠1,p为素数,则p|a ∴a**p ≡ a (mod p)(余数为0)

    性质7:m≥1,n≥1,(m,n)=1,a1,a2,...aφ(m), b1,b2,...,bφ(n)分别是模m和模n的一组缩系,则{n*ai+m*bj | 0≤i≤φ(m), 0≤j≤φ(n)}是模m*n的一组缩系

    推论:若(m,n)=1,则φ(m*n)=φ(m)*φ(n)

    性质8:设n的标准分解n=(p1**a1)*(p2**a2)*...*(pk**ak) (p≥2,且其中p1<p2<...<pk,都为素数)

    则φ(n)=n*(1-1/p1)*...*(1-1/pk),且(元素之间两两同余)

    证明:

    ∵((pi**a1),(pj**aj))=1

    ∴φ(n)=φ(p1**a1)*φ(p2**a2)*...*φ(pk**ak)

    ∵(x,p**a)=1,当且仅当(x,p)=1

    ∴集合{1,2,3,...,p**a}中与p**不互素的元素有{p,2*p,...,(p**a-1)*p},共有p**a-1个,故a互素的有(p**a-p**a-1)个

    故φ(p**a)=(p**a-p**(a-1))=p**a(1-1/p)

    故φ(n)=p1**a1(1-1/p1)*p2**a2(1-1/p2)*...*pk**ak(1-1/pk)

              =(p1**a1)*(p2**a2)*...*(pk**ak) *((1-1/p1)*...*(1-1/pk))

         =n*(1-1/p1)*...*(1-1/pk),得证

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