一、基本概念及一次同餘式:
1、同餘式的基本概念
定義1.1:
設m是一個正整數,f(x)為多項式f(x) = anxn + ··· + a1x + a0,其中ai是整數,則f(x) ≡ 0(mod m)(*)叫做模m同餘式。
若an 0(mod m),則n叫做f(x) 的次數,記為degf。此時 * 式又叫做模m的n次同餘式。
如果整數x = a使得 * 式成立,即f(a) ≡ 0(mod m)則a叫做該同餘式 * 的解。
事實上,滿足x ≡ a(mod m)的所有整數使得同餘式 * 成立,即a所在剩餘類Ca = { c | c ∈ Z,c ≡ a(mod m)}中的每個剩餘都使得同餘式 * 成立,因此,同餘式 * 的解a通常寫成x ≡ a(mod m)。
在模m的完全剩餘系中,使得同餘式 * 成立的剩餘個數叫做同餘式 * 的解數。
同餘式求解的基本思路:
- 求解歸約(f(x)(mod m)<=== f(x)(mod pα)<=== f(x)(mod p));
- 解的存在性(如定理1.1);
- 解的個數(如定理1.3,4.4,4.5);
- 具體求解(定理2.1,定理4.1)。
2、一次同餘式
一次同餘式求解的基本思路:
(a,m)= 1,ax ≡ 1(mod m)===> (a,m)= 1,ax ≡ b(mod m)===> ax ≡ b(mod m)0
定理1.1:
設m是一個正整數,a是滿足m a的整數,則一次同餘式ax ≡ 1(mod m)(*)有解的充分必要條件是(a,m)= 1。而且,當同餘式 * 有解時,其解是唯一的。
定義1.2:
設m是一個正整數,a是一個整數。如果存在整數a'使得a · a' ≡ a' ` a ≡ 1(mod m)成立,則a叫做模m可逆元。
根據定理1.1,在模m的意義下,a'是唯一存在的。這是a'叫做a的模m逆元,記作a' = a-1(mod m)。
因此,在定理3.1的條件下,同餘式(*)即ax ≡ 1(mod m)的解可寫成x ≡ a-1(mod m)。
定理1.2:
設 m 是一個正整數,則整數 a 是模 m簡化剩餘的充要條件是整數 a 是模 m 逆元。
定理1.3:
二、中國剩餘定理:
1、中國剩餘定理:“物不知數”與韓信點兵
定理2.1:
2、兩個方程的中國剩餘定理
定理2.2:
定理2.3:
3、中國剩餘定理之構造證明
4、中國剩餘定理之遞迴證明
5、中國剩餘定理之應用 —— 演算法優化
例2.1:
例2.2:
例2.3:
定理2.4:
命題2.1:
推論:
三、高次同餘式的解數及解法:
1、高次同餘式的解數
定理3.1:
2、高次同餘式的提升
定理3.2:
3、高次同餘式的提升 —— 具體應用
例3.1:
四、素數模的同餘式:
1、素數模的多項式歐幾里得除法
引理4.1(多項式歐幾里得除法):
設f(x) = anxn + ··· + a1x + a0為n次整係數多項式,g(x) = xm + ··· + b1x + b0為m ≥ 1次首一整係數多項式,則存在整係數多項式q(x)和r(x)使得f(x) = q(x) · g(x) + r(x),deg r(x) < deg g(x)。
2、素數模的同餘式的簡化
定理4.1:
同餘式與一個次數不超過p - 1的模p同餘式等價。
3、素數模的同餘式的因式分解
定理4.2:
設1 ≤ k ≤ n。如果x ≡ ai(mod p),i = 1,···,k,是同餘式的k個不同解,則對任何整數x,都有f(x) ≡ fk(x) · (x - a1) · ··· ·(x - ak)(mod p),其中fk(x)是n - k次多項式,首項係數是an。
定理4.3:
4、素數模的同餘式的解數估計
定理4.4:
同餘式的解數不超過它的次數。
推論:
次數 < p的整係數多項式對所有整數取值模p為0的充要條件是其係數被p整除。
定理4.5:
設p是一個素數,n是一個正整數,n ≤ p。那麼同餘式f(x) = xn + ··· + a1x + a0 ≡ 0(mod p)有n個解得充分必要條件是xp - x被f(x)除所得餘式的所有係數都是p的倍數。
推論:
設p是一個正整數,d是p - 1的正因數,那麼多項式xd - 1模p有d個不同的根。
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