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
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
进一步把命题公式化,也就是:
若p为合数,则(p−1)!+1≡0(modp)不成立
也就是p为素数,则(p−1)!≡−1(modp)不成立
原因很简单,因为(p−1)!+1≡0(modp),则(p−1)!+1=p×x+0
移项得
(p−1)!=p×x−1
于是初步把这个式子定为(p−1)!≡−1(modp)
那么当p为素数时,有p=a×b (1<a<p−1,1<b<p−1),
a,b有以下两种情况
①.a=b
②.a=b
①
当a=b时,
因为1<a<p−1,1<b<p−1
(p−1)!=1×2×…×a×…×b×…×(p−1),
所以(p−1)!≡0(moda∗b),
即 (p−1)!≡0(modp)
与( p -1 )! ≡ -1 ( mod p ) 矛盾
②
因为方程a2>2a在非负数域的解为a>2,则当a>2时有如下等式
(p−1)!=1×2×…×a×…×2a×…×(p−1).
所以可得((p-1)!≡ 0 (mod a*a) ,即 (p−1)!≡0(modp)
与(p−1)!≡−1(modp) 矛盾
当p=4,也就是a=2时,(p−1)!≡3(modp)与(p−1)!≡−1(modp) 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(p−1)!≡−1(modp)
要证此命题只要证明:
(p−1)!≡p−1(modp)
也就是证明:
(p−2)!≡1(modp)
于是先对特殊情况进行讨论:
当p为2,(p−1)!≡−1(modp) 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(p−2)!≡1(modp),也就是证明在[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×b≡1(modp)
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×t1≡a×t2(modp)
对于p≥5,令M=2,3,4,…,p−2.
对于a∈M,令N=a,2×a,3×a,4×a,….(p−2)×a,(p−1)×a
令1≤t1≤p−1,1≤t2≤p−1,t1=t2
那么t1×a∈N,t2×a∈N。
若t1×a≡t2×a(modp) ,那么∣t1−t2∣×a≡0(modp)。
因为∣t1−t2∣×a∈N,与N中元素不能被p除尽矛盾。
所以t1×a≡t2×a(modp)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a∈M,存在一个元素b∈M使得a×b≡0(modp)。
设x∈[1,p),且x×a≡1(modp)。
当x=1时,x×a=a,对p取模为a,所以不成立。
当x=p−1时,(p−1)×a=p×a−a, 对p取模为-a,所以不成立。
当x=a时,a×a≡1(modp),可得(a+1)×(a−1)≡0(modp),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).
(p−1)!=1×2×3×…(p−1)=1×(2×x2)×(3×x3)…×(p−1)
所以,(p−1)!≡1∗(p−1)(modp)
即,(p−1)!≡−1(modp)
证明完毕
参考链接
Ⅰ.百度百科
Ⅱ.BNUOJ 1093 YAPTCHA题解