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剩余

剩余

模运算下的剩余问题,是将开方运算引入模运算的尝试。

定义

令整数 k2k\geq 2,整数 aamm 满足 (a,m)=1(a,m)=1,若存在整数 xx 使得

xka(modm)(1)x^k\equiv a\pmod m\tag{1}

则称 aa 为模 mmkk 次剩余,否则称 aa 为模 mmkk 次非剩余。

性质

当整数 k2k\geq 2,整数 aamm 满足 (a,m)=1(a,m)=1,模 mm 有原根 gg 时,令 d=(k,φ(m))d=(k,\varphi(m)),则:

  1. aa 为模 mmkk 次剩余当且仅当 dindgad\mid \operatorname{ind}_g a,即:

    aφ(m)d1(modm)a^{\frac{\varphi(m)}{d}}\equiv 1\pmod m
  2. 方程 (1)(1) 若有解,则模 mm 下恰有 dd 个解

  3. mmkk 次剩余类的个数为 φ(m)d\dfrac{\varphi(m)}{d}, 其有形式

    agdi(modm),(0i<φ(m)d)a\equiv g^{di}\pmod m,\qquad \left(0\leq i<\frac{\varphi(m)}{d}\right)
证明
  1. x=gyx=g^y,则方程 (1)(1) 等价于

    gkygindga(modm)g^{ky}\equiv g^{\operatorname{ind}_g a}\pmod m

    其等价于

    kyindga(modφ(m))(2)ky\equiv \operatorname{ind}_g a\pmod{\varphi(m)}\tag{2}

    由同余的性质,我们知道 yy 有整数解当且仅当 d=(k,φ(m))indgad=(k,\varphi(m))\mid \operatorname{ind}_g a,进而

    aφ(m)d1(modm)    gφ(m)dindga1(modm)    φ(m)φ(m)dindga    φ(m)dφ(m)indga    dindga\begin{aligned} a^{\frac{\varphi(m)}{d}}\equiv 1\pmod m&\iff g^{\frac{\varphi(m)}{d}\operatorname{ind}_g a}\equiv 1\pmod m\\ &\iff \varphi(m)\mid\frac{\varphi(m)}{d}\operatorname{ind}_g a\\ &\iff \varphi(m)d\mid \varphi(m)\operatorname{ind}_g a\\ &\iff d\mid \operatorname{ind}_g a\\ \end{aligned}
  2. dindgad\mid \operatorname{ind}_g a 时,由同余的性质可知方程 (2)(2)φ(m)\varphi(m) 下恰有 dd 个解,进而方程 (1)(1)mm 下恰有 dd 个解。

  3. 由 1 知 aa 为模 mmkk 次剩余当且仅当 dindgad\mid \operatorname{ind}_g a,故

    indgadi(modφ(m)),(0i<φ(m)d)\operatorname{ind}_g a\equiv di\pmod{\varphi(m)},\qquad \left(0\leq i<\frac{\varphi(m)}{d}\right)

    故模 mmkk 次剩余共有 φ(m)d\dfrac{\varphi(m)}{d} 个同余类:

    agdi(modm),(0i<φ(m)d)a\equiv g^{di}\pmod m,\qquad \left(0\leq i<\frac{\varphi(m)}{d}\right)