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数论四大定理

Ⅰ.威尔逊定理

Ⅱ.欧拉定理

Ⅲ.孙子剩余定理

Ⅳ.费马小定理

威尔逊定理


内容

若一个数p为素数的充要条件为:p可以整除(p+1)!+1(p+1)!+1

证明

充分性

证明定理的充分性,则只要证明当p可以整除(p+1)!+1(p+1)!+1时,p为素数。

考虑到从正面直接证明不太好证明,则考虑使用反正法,也就是证明该命题的逆否命题,p为合数时,p不能整除(p+1)!+1(p+1)!+1

进一步把命题公式化,也就是:

若p为合数,则(p1)!+10(modp)不成立(p-1)!+1≡0(\mod p)不成立

也就是p为素数,则(p1)!1(modp)不成立(p-1)!≡-1(\mod p)不成立

原因很简单,因为(p1)!+10(modp)(p-1)!+1≡0(\mod p),则(p1)!+1=p×x+0(p-1)!+1=p\times x+0
移项得
(p1)!=p×x1(p-1)!=p\times x-1
于是初步把这个式子定为(p1)!1(modp)(p-1)!≡-1(\mod p)

那么当p为素数时,有p=a×bp=a\times b (1<a<p1,1<b<p1)(1 < a < p-1,1 < b < p-1)

a,b有以下两种情况

①.aba\neq b

②.a=ba=b

aba\neq b时,
因为1<a<p1,1<b<p11 < a < p-1,1 < b < p-1

(p1)!=1×2××a××b××(p1)(p-1)!=1 \times 2 \times …\times a \times …\times b \times… \times (p-1),

所以(p1)!0(modab)(p-1)!≡ 0 (\mod a*b)
(p1)!0(modp)(p-1)!≡ 0 (\mod p)

与( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 矛盾

因为方程a2>2aa^2 > 2a在非负数域的解为a>2a > 2,则当a>2时有如下等式
(p1)!=1×2××a××2a××(p1)(p-1)!=1 \times 2 \times … \times a \times …\times 2a \times … \times (p-1).

所以可得((p-1)!≡ 0 (mod a*a) ,即 (p1)!0(modp)(p-1)!≡ 0 (mod p)
(p1)!1(modp)(p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 矛盾

p=4p=4,也就是a=2时,(p1)!3(modp)(p-1)!≡ 3 (mod p)(p1)!1(modp)(p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 矛盾

因此定理的充分性得证。

必要性

证明必要性,也就是证明命题:

若p为素数则(p1)!1(modp)(p-1)!≡-1(\mod p)

要证此命题只要证明:

(p1)!p1(modp)(p-1)!≡p-1(\mod p)
也就是证明:

(p2)!1(modp)(p-2)!≡1(\mod p)

于是先对特殊情况进行讨论:

当p为2,(p1)!1(modp)( p -1 )! ≡ -1 ( \mod p ) 显然成立

当p为3,$( p -1 )! ≡ -1 ( \mod p ) $显然成立

接下来我们情况进行讨论:

证明(p2)!1(modp)(p-2)!≡1(\mod p),也就是证明在[1,p1)[1,p-1)中,除1以外的任意一元素a都能找到唯一一个元素b,使得a×b1(modp)a\times b≡ 1 (\mod p)


下面证明唯一性:

证明唯一性也就是证明任意一个元素,无法找到某两个元素t1,t2,使得

a×t1a×t2(modp)a\times t1≡a\times t2(\mod p)

对于p5p\geq 5,令M=2,3,4,,p2M={2,3,4,…,p-2}.

对于aMa\in M,令N=a,2×a,3×a,4×a,.(p2)×a,(p1)×aN={a,2\times a,3\times a,4\times a,….(p-2)\times a,(p-1)\times a}

1t1p1,1t2p1,t1t21 \leq t1 \leq p-1 ,1 \leq t2 \leq p-1,t1 ≠ t2

那么t1×aNt2×aNt1\times a\in N,t2\times a\in N

t1×at2×a(modp)t1\times a≡t2\times a (\mod p) ,那么t1t2×a0(modp)|t1-t2|\times a ≡ 0 (\mod p)

因为t1t2×aN|t1-t2|\times a\in N,与N中元素不能被p除尽矛盾。

所以t1×at2×a(modp)t1\times a≡t2\times a(\mod p)不成立,唯一性得证。


下面证明存在性:

证明存在性也就是证明对于任意一个元素aMa\in M,存在一个元素bMb\in M使得a×b0(modp)a\times b≡0(\mod p)

x[1,p),x×a1(modp)x\in [1,p),且 x\times a ≡ 1 (\mod p)

x=1x=1时,x×a=ax\times a=a,对p取模为a,所以不成立。

x=p1x=p-1时,(p1)×a=p×aa(p-1)\times a=p\times a-a, 对p取模为-a,所以不成立。

x=ax=a时,a×a1(modp)a\times a≡1 (mod p),可得(a+1)×(a1)0(modp),a=1a=p1(a+1)\times (a-1)≡ 0 (mod p),a=1或a=p-1,所以不成立。

综上所述,x,a∈M,并且当a改变时,x随之改变,所以存在性得证。


所以,M集合中每一个元素a都能够找到一个与之配对的x,使得x*a ≡ 1 (mod p).

(p1)!=1×2×3×(p1)=1×(2×x2)×(3×x3)×(p1)(p-1)!=1\times 2 \times 3 \times … (p-1)=1 \times (2 \times x_2) \times (3 \times x_3)_…\times (p-1)

所以,(p1)!1(p1)(modp)(p-1)!≡1*(p-1)(\mod p)

即,(p1)!1(modp)(p-1)!≡-1(\mod p)

证明完毕

参考链接

Ⅰ.百度百科

Ⅱ.BNUOJ 1093 YAPTCHA题解

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