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  • 数论-模数是素数的同余式(拉格朗日定理)

    Th1:设p是素数,f(x)=an*(x**n)+an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0,n≥1,an≠0 (mod p) (f(x)∈Z[x]),则f(x)≡ 0 (mod p)的解数不超过n(拉格朗日定理)

    证明:

    (f(x)的解集∈{C0,C1,C2...,Cp-1})

    ①若p≤n,则解数≤n

    ②若p>n,(使用归纳法证明)

    当n=1时,a1*x+a0  ≡ 0 (mod p),∵(a1,p)=1(根据an≠0 (mod p)),且(a1,p)|a0,故恰有1个解,此时解数≤n(次数)

    假设当n=n-1时,假设成立,即解数≤n-1,则当n=n时,

    假设f(x)≡ 0 (mod p)有n+1个解,即{Cx0,Cx1,Cx2,...Cxn}(0≤x0,...,xn≤p-1)

    有带余除法(针对多项式)可得,f(x)=(x-x0)*g(x)+r(x)(以(x-x0)为除数,且r(x)的次数会小于除数,∵(x-x0)次数为1,故r(x)次数为0 ,即常数,这里变成r)

    将x=x0带入得,f(x0)=r 

    ∵f(x0)≡0 mod(p)

    ∴r ≡ 0 (mod p)(两边同时加上(x-x0)*g(x))

    ∴r+(x-x0)*g(x) ≡ 0 (mod p)

    ∴f(x)≡(x-x0)*g(x) (mod p)(这里g(x)的最高次项为n-1)

    ∴f(xk)≡(xk-x0)*g(xk) (mod p)

    又∵f(xk) ≡ 0 (mod p), (Cxk-x0,p)=1

    ∴g(xk) ≡ 0 (mod p)

    故g(xk)的最高次数为n-1且有n个解

    又∵根归纳假设,当n=n-1时,解数<=n-1

    故与假设相矛盾,因此当n=n时,有n个解

    Th2:f(x) ≡ 0 (mod p) 的解数>n,则p|ai,i=0,1,...,n

    证明:

    ∵f(x) ≡ 0 (mod p) 的解数>n

    ∴f(x)的最高次项常数an≡0(mod p)(根据Th1,反着来)

    又∵p为素数,故p|an

    ∴f(x)=an*(x**n)+an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0 (mod p)

      =an-1*(x**n-1)+...+a1*x+a0 (mod p)

    此时,次数为n-1,而解数>n(与原本的式子解数一致),故an-1≡0 (mod p),即p|an-1

    以此类推,p| an-3,...p|a1,p|a0,即p|ai(i=0,1,2,...,n)

    Th3:f(x)=(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))-x**(p-1)+1的所有系数能被p整除

    证明:

    f(x)≡0(mod p)的解x∈{0,1,2,3,...,p-1},且f(x)的次数

    当x=1,2,...p-1时,多项式(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))=0,即(x-1)*(x-2)*(x-3)*...*(x-(p-1))≡0 (mod p)有p-1个解,故此时f(x)=1-x**(p-1) (mod p)

    又∵(x,p)=1,根据欧拉定理,x**φ(p)≡1 (mod p)

    ∵p为素数,故1-1≡0(mod p)(对于同余式x**φ(p)≡1 (mod p),x∈{1,2,3,...,p-1},都成立)

    也就是说,f(x)≡0 (mod p)的解有p-1个

    又∵f(x)本身的项≤p-2,即f(x)的解数>次数,根据Th2,可得p|ai,也就是所有系数可以被p整除

    推论:当x=0时,f(0)=(-1)*(-2)*...*(0-(p-1))=(p-1)!+1,又f(0)正为f(x)常数项系数(根据Th3可知,系数度能被p整除),故p|(p-1)!+1即(p-1)!+1≡0(mod p)(威尔逊定理)

    Th4:p>3,则∑(k=1,p-1)(p-1)!/k≡0 (mod p**2)

    如图:(式子太难打了!)

     推论:如图

     注意:以上的p代表的是奇素数!!!

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