初等数论 同余

浅谈初等数论中同余式的解法
初等数论是数学的一个分支，主要探讨整数、有理数和代数式等基础概念。

“同余”是初等
数论中概念的一个重要部分，它引用数学定义可以写为：若两个有理数或者有理函数在一
个事件上有相同的值，则它们称为“同余”。

也就是说，两个有理数或者有理函数的值不同，但它们的值是相等的。

同余的解法首先应该把同余方程写成有理函数的形式，然后进行求解。

一般可以使用图像法、合并法或者二分法来求解。

图形法是一种直观清晰的求解方法，它通过在坐标系中绘制图像来求解同余方程，从而得到所求解的值。

这是最简单也是最容
易理解的求解方法。

合并法是一种基于数学运算技巧的求解方法。

它通过合并两个同余方程来求解同余方程，得到所求的值。

二分法是运用有理数的属性来求解的方法，用二分的方法对有理数的值进行查找，来获得有理数的值。

以上就是同余的几种常用方法，虽然每种方法都有其优势和缺点，但它们都是多元素的有理函数。

使用正确的方法，可以对同余
方程进行快速准确的求解，以解决初等数论中的多元素有理函数问题。

2011年协作体夏令营系列讲座(一)初等数论中的同余问题复旦附中万军同余的概念和性质：设为非零整数，如果整数满足，则称和对模同余，记为；否则称和对模不同余，记为．注意到，，故，所以我们总是可以假定为正整数．对于固定的模，同余有很多性质：1）同余是一种等价关系，即有①自反性：；②对称性：若，则；③传递性：若，，则．2）加法、减法、乘法和乘方运算：若，，则，，．3）除法运算：，则．特别地，若，则．4）同余组：同时成立的充要条件是剩余类与完全剩余系：设为一个给定的正整数，则全体整数可以分成个集，记为，其中，则称为模的剩余类．模的剩余类有下列性质：1）每个整数必属于且仅属于模的一个剩余类中；2）两个整数同在一个剩余类中的充要条件是这两个整数模同余．事实上，，0≤≤，有如果个整数中不存在两个数属于同一剩余类，则称为模的一个完全剩余系（或称完系）．最常用的剩余系称为模的非负最小完全剩余系．此外也常用到绝对值最小完全剩余系，它们是：当为奇数时，当为偶数时，或完全剩余系有下列性质：1）个整数作为模的一个完全剩余系的充要条件是它们两两模不同余；2）若是模的一个完全剩余系，，那么也是模的一个完全剩余系；也常这样描述：设是正整数，，若通过模的一个完全剩余系，则也通过模的一个完全剩余系．3）若是互质的两个正整数，而分别通过的一个完全剩余系，则通过的一个完全剩余系．如果一个模的剩余类里面的数与互质，就把它叫做一个与模互质的剩余类，在与模互质的全部剩余类中，从每一类各任取一个代表元所组成的数集，叫做模的一个简化剩余类系（或缩系）．定理1：模的剩余类是模互质的剩余类的充要条件是此类中有一个数与互质．因此与模互质的剩余类的个数是，模的每一个简化剩余类系是由与互质的个对模不同余的整数组成的．其中，（欧拉函数）是定义在正整数上的函数，它在正整数上的值是集合中与互质的数的个数．定理2：若是个与互质的数整，并且两两对模不同余，则是模的一个简化剩余类系．定理3：若，通过模的一个简化剩余系，则也通过模的一个完全剩余系．定理4：若是互质的两个正整数，而分别通过的一个简化剩余系，则通过的一个简化剩余系．推论：若是互质的两个正整数，则．下面的几个定理在处理数论问题时经常用到，并且它们本身的证明也是很好的例题．1、（欧拉函数）是定义在正整数上的函数，它在正整数上的值是集合中与互质的数的个数，求．2、（欧拉定理）设是正整数，且，则．3、（费尔马小定理）若是质数，是正整数，则．4、（拉格朗日定理）设为素数，多项式是一个模为次整系数多项式，则关于的同余方程（在模的意义下）至多有个不同的解．5、（威尔逊定理）设为素数，则．6、设为整数，为正整数，若存在，使得，则称为模的二次剩余，否则，称为模的二次非剩余．7、已知斐波那契数列，设为大于5的素数，证明：8、求所有满足下面两式的三元组，其中为奇素数，为大于1的整数．①②练习题：1、设为素数，证明：存在无穷多个，使得．2、对，如果对任意，只要，就有，那么就称具有性质．1）证明：每个素数都具有性质；2）是否存在无穷多个合数具有性质？3、求所有满足的正整数和素数．（其中欧拉函数）4、求不定方程的整数解为．（其中表示最接近整数的5的倍数）5、对于正奇数，若存在正奇数，满足，求满足条件的正奇数的总和．6、设，，正整数数组满足：，如果不能将分为和相等的两组数，那么称数组为“优秀的”，求所有的“优秀的”数组．讲座一参考答案 2011-7-18例题答案：1.解：设，其中是质数，是正整数，由定理4的推论得，由欧拉函数的定义知等于减去集合中与不互质的元素个数，也就是减去集合中与不互质的元素个数，又是质数，∴∴另证：本定理也可以用容斥原理来证明．设，其中是质数，是正整数，记，∴由容斥原理得2.证明：设是模的一个简化剩余系，则由定理3知，也是模的一个简化剩余系．∴与且仅与中的一个数对模同余，∴即（*）又是模的一个简化剩余系，故．∴∴由（*）知：．3.证明：若，则，结论显然成立；若，由欧拉定理知，即．注：费尔马小定理的另一种形式：若是质数，是正整数，，则．另证：对进行归纳，当时，结论显然成立；假设时，结论也成立，即则．（其中用到了，当时，）∴对任意，有．4.证明：对进行归纳．当时，由于，则无解，∴定理成立．假设定理对所有次数小于的多项式都成立，现设存在一个次多项式，使得同余方程有个（在模的意义下）不同的解．利用因式定理，可设，则在模的意义下是一个至多次的多项式．由都是的解，知对≤≤，都有，而，故，从而至少有根，与归纳假设矛盾，所以，定理对次整系数多项式也成立．综上，定理成立．5.证明：当时，显然成立；当为奇素数时，考虑多项式可以看到的最高次数为又当时，，由费尔马小定理知，∴由拉格朗日定理知，的展开式中各项系数都是的倍数，∴又为奇素数，为偶数，∴，得证．6.设为奇素数，且，证明：是模的二次剩余充要条件是；是模的二次非剩余充要条件是．证明：若为模的二次剩余，即存在，使得．由，可知，由费尔马小定理知，．反过来，若，则是同余方程的解，由拉格朗日定理知，该方程至多有个解，而都是该同余方程的解，∴它们就是该方程的全部解，∴存在，使得．另一方面，若是模的二次非剩余，则但由费尔马小定理，，即∴，即反过来，，又是模的二次剩余，则∴与为奇素数矛盾．7.证明：知斐波那契数列的通项公式（）对大于5的素数，由费尔马小定理可知，∴，又∴或如果（其中用到了，当时，，及费尔马小定理）∴如果，类似计算可得，则综上，8.解：显然是①的解，代入②解得，∴都是方程的解．另外，当或时，同样可以得出上述解．下设≥5，当时，由②知而∴或但是，∴上式不可能成立．∴≥3由①知同理可得，∴∴③又在≥4时，单调递增，∴≥∴③式≤≤矛盾．∴由于又，没有平方因数，∴∴≥7，≥11并且≤≤，∴≤与③式矛盾．∴本题的解只能是．练习题答案：1、设为素数，证明：存在无穷多个，使得．证明：当时，只需要取为偶数即可；当为奇素数时，由费尔马小定理知，，此时令，则．2、对，如果对任意，只要，就有，那么就称具有性质．1）证明：每个素数都具有性质；2）是否存在无穷多个合数具有性质？证明：对任意素数，由，可知，从而由费尔马小定理知，∴，可得，∴∴．2）存在无穷多个合数具有性质．例如：对奇素数，数都具有性质．事实上，，则为奇数，∴又，∴或若，由1）知；若，由费尔马小定理知，，这时，∴综上，总有，∴，即数都具有性质．3、求所有满足的正整数和素数．（其中欧拉函数）解：若时，，∴为偶数，且中所有的奇数均与互质，∴若为奇素数，设，其中是质数，是正整数，且∴，∴，又∴，但是，当时，，而∴，，∴∴综上：时，；时，；4、求不定方程的整数解为．（其中表示最接近整数的5的倍数）解：由，若，设，则，又，∴解得；若，设，则，又∴解得或．5、对于正奇数，若存在正奇数，满足，求满足条件的正奇数的总和．解：由为正奇数得：又由为正奇数得：∴另一方面：若，可以找到满足条件的正奇数当时，则；当时，∴共个正奇数的平方和．综上：，则其总和为．6、设，，正整数数组满足：，如果不能将分为和相等的两组数，那么称数组为“优秀的”，求所有的“优秀的”数组．解：设数组为“优秀的”，对1≤≤，考虑下面的个数：，其中由于不能将分为和相等的两组数，即其中没有若干个数之和等于，∴上面的个数中，除外，其余任意两项对模不同余，否则这两项之差等于．另外，上面的个数中，必有两个数模同余，∴对都成立∴又∴综上：当为奇数时，中有一个是，其余都是1，或；当为偶数时，中有一个是，其余都是1．。

初等数论同余方程组初等数论是数学中的一个分支，主要研究自然数的性质和整数的性质。

同余方程组是初等数论中的一个重要概念，它涉及到数与数之间的整除关系。

本文将介绍同余方程组的定义、性质以及解法，并通过例题来加深理解。

一、同余方程组的定义同余方程组是由若干个同余方程组成的一组方程。

同余方程的定义如下：对于整数a、b和正整数m，如果m能整除(a-b)，即(a-b)能被m整除，则称a与b对于模m同余，记为a≡b(mod m)。

这里的≡表示同余关系。

二、同余方程组的性质1. 同余关系具有自反性、对称性和传递性。

即对于任意的整数a、b和正整数m，有a≡a(mod m)，a≡b(mod m)等价于b≡a(mod m)，若a≡b(mod m)且b≡c(mod m)，则a≡c(mod m)。

2. 同余关系具有加法和乘法的性质。

即对于任意的整数a、b和正整数m，若a≡b(mod m)，则a+c≡b+c(mod m)，ac≡bc(mod m)。

三、同余方程组的解法1. 线性同余方程组的解法：线性同余方程组是形如ax≡b(mod m)的方程组，其中a、b为整数，m为正整数。

若a与m互质，则存在唯一的解x0，且x≡x0(mod m)。

若a与m不互质，且b可被a整除，则方程组有无穷多个解，否则无解。

2. 中国剩余定理：中国剩余定理适用于一组两两互质的模数的同余方程组。

设m1、m2、...、mn为两两互质的正整数，a1、a2、...、an为整数，则同余方程组：x≡a1(mod m1)x≡a2(mod m2)...x≡an(mod mn)有唯一的解x，且0≤x<m1m2...mn。

四、例题解析1. 解线性同余方程组：求解方程组2x≡3(mod 5)和3x≡4(mod 7)。

首先，对于第一个方程，由于2与5互质，所以存在唯一解x0。

根据扩展欧几里得算法，我们可以求出x0=4。

然后，将x0代入第二个方程，得到3*4≡4(mod 7)，即12≡4(mod 7)。

第四章 同余式§1 基本概念及一次同余式作为一个解。

中的一切数，即成立，故把都能使中的任意整数，则剩余类的合理性：若定义的一个解。

叫做成立的一个整数，则是使若称为次数。

，则的同余式。

若称为模，则，其中，设余方程）的求解问题。

课题是研究同余式（同初等数论中的一个基本)(m od )(m od 0)()(m od 0)(2)(m od 0)()(m od )(m od 0)()(m od 0)(m od 0)()(011m a x K m a f a K m a f m x f m a x m a f a n m a m m x f a a x a x a x f m a a n i n n n n ≡≡''≡≡≡≡≡/≡∈+++=∈--+定义2定义1Z Z 。

，解数为，的解为同余式，所以，，的一切整数解为因为不定方程。

有解不定方程有解同余式的任一个解。

是同余式其中，，个解，它们是余式共有。

当此条件成立时，同有解的充分必要条件是，则一次同余式设d d k m dmk x x m b ax t t dmx x b my ax b d b my ax m b ax m b ax x d k m dmk x x d b d m b ax d m a 1,,1,0)(m od )(m od )2(|)(m od )1()(m od 1,,1,0)(m od |)(m od ),(0000-=⋅+≡≡∈+==+⇔=+⇔≡≡-=⋅+≡≡= Z 证明定理。

解时，一次同余式有唯一当)(m od 1),(1)(m b a x m a m -≡=ϕ注同余式的解法1、代入法（适用于模较小时） 。

，得的完全剩余系逐一代入以，，所以同余式有唯一解因为解同余式)17(m od 6171)17,3()17(m od 13≡=≡x x 解例12、公式法（适用于模较小时）。

从而，，，所以同余式有唯一解因为解同余式)11(m od 8656)2()2()3(98981)11,8()11(m od 98491101)11(≡⋅≡⋅-≡-⋅-≡⋅≡⋅≡=≡--ϕx x 解例23、变换系数法 。