费马小定理

费马小定理(英语:Fermat's little theorem)是数论中的一个定理。假如是一个整数是一个质数,那么的倍数,可以表示为

如果不是倍数,这个定理也可以写成更加常用的一种形式

[1][注 1]

费马小定理的逆叙述不成立,即假如的倍数,不一定是一个质数。例如的倍数,但,不是质数。满足费马小定理的合数被称为费马伪素数

历史

 
皮埃尔·德·费马

皮埃尔·德·费马于1636年发现了这个定理。在一封1640年10月18日的信中他第一次使用了上面的书写方式。在他的信中费马还提出a是一个素数的要求。

1736年,欧拉出版了一本名为“一些与素数有关的定理的证明”(拉丁文:Theorematum Quorundam ad Numeros PRIMOS Spectantium Demonstratio)”[2]的论文集,其中第一次给出了证明。但从莱布尼茨未发表的手稿中发现他在1683年以前已经得到几乎是相同的证明。

有些数学家独立提出相关的假说(有时也被错误地称为中国猜想),当 成立时,p是素数。这是费马小定理的一个特殊情况。然而,这一假说的前设是错的:例如, ,而341=11×31是一个伪素数。所有的伪素数都是此假说的反例。

卡迈克尔数

所述,中国猜想仅有一半是正确的。符合中国猜想但不是素数的数被称为伪素数。

更极端的反例是卡迈克尔数: 假设 与561互质,则 被561除都余1。这样的数被称为卡迈克尔数,561是最小的卡迈克尔数。Korselt在1899年就给出了卡迈克尔数的等价定义,但直到1910年才由卡迈克尔(Robert Daniel Carmichael)发现第一个卡迈克尔数:561。1994年William Alford、Andrew Granville及Carl Pomerance证明了卡迈克尔数有无穷多个。

证明

方法一

(i)若 是整数, 是素数,且 。若 不能整除 ,则 不能整除 。取整数集 为所有小于 的正整数集合 构成 的完全剩余系,即 中不存在两个数同余 ),  中所有的元素乘以 组成的集合。因为 中的任何两个元素之差都不能被 整除,所以 中的任何两个元素之差也不能被 整除。

换句话说, ,考虑  个数,将它们分别除以 ,余数分别为 ,则集合 为集合 的重新排列,即 在余数中恰好各出现一次;这是因为对于任两个相异 而言( ),其差不是 的倍数(所以不会有相同余数),且任一个 亦不为 的倍数(所以余数不为0)。因此

 

 

在这里 ,且 ,因此将整个公式除以 即得到:

 [3]
也即  

(ii)若 整除 ,则显然有 整除 ,即 

方法二

 为素数, 为整数,且 。考虑二项式系数 ,并限定 不为  ,则由于分子有素数 ,但分母不含 ,故分子的 能保留,不被约分而除去,即 恒为 的倍数[4]

再考虑 的二项式展开,模 ,则

 
 
 

因此

 
 
 
 
 
 
 

 ,即得 [3]

方法三

抽象代数教科书中,费马小定理常作为教授拉格朗日定理时的一个简单例子[5]。显然只需考虑   情形。此时模   所有非零的余数,在同余意义下对乘法构成一个群,这个群的阶是  。考虑群中的任何一个元素  ,根据拉格朗日定理,  的阶必整除群的阶。证毕。

应用

  • 计算 除以13的余数
 
 
 
 
 

故余数为3。

  • 证明对于任意整数a而言, 恒为2730的倍数。
    • 易由 推得 ,其中 为正整数。
    • 故对指数13操作如下:13减1为12,12的正约数有1, 2, 3, 4, 6, 12,分别加1,为2, 3, 4, 5, 7, 13,其中2, 3, 5, 7, 13为素数,根据定理的延伸表达式, 为2的倍数、为3的倍数、为5的倍数、为7的倍数、为13的倍数,即2*3*5*7*13=2730的倍数。

推广

欧拉定理

费马小定理是欧拉定理的一个特殊情况:如果   ,那么

 

这里  欧拉函数。欧拉函数的值是所有小于或等于   的正整数中与   互素的数的个数。假如   是一个素数,则   ,即费马小定理。

证明

上面证明费马小定理的群论方法,可以同理地证明欧拉定理。

考虑所有与   互素的数,这些数模   的余数所构成的集合,记为  ,并将群乘法定义为相乘后模   的同余。显然   是一个群,因为它对群乘法封闭(若    ),含幺元(即“1”),且任何一个元素   的逆元素也在集合中(因为若   则由群乘法封闭性任何  的幂次都在   中,所以    这个有限集的子集)。根据定义,   的阶是  ,于是根据拉格朗日定理,   中任何一个元素的阶必整除  。证毕。

卡迈克尔函数

卡迈克尔函数比欧拉函数更小。费马小定理也是它的特殊情况。

 

多项式除法

因为 

所以由 的结果可以得出 的结果

多项式除法可以得出 除以 的次数少于 的余式

例如 ,由多项式除法得到 ,则 

这个余式的一般结果是:

 (除式)

 

n=0时为除式,用数学归纳法证明余式。[6]

 

 

 

注释

  1. ^ 符号的应用请参见同余模算数

参见

参考

  1. ^ Fermat's Little Theorem页面存档备份,存于互联网档案馆).WolframMathWorld.(英文)
  2. ^ A proof of certain theorems regarding prime numbers. [2012-12-11]. (原始内容存档于2015-06-16). 
  3. ^ 3.0 3.1 许介彦. 費馬小定理 (PDF). 科学教育月刊 (私立大叶大学电机工程学系). 2006年10月, (第293期): 37–44 [2015-04-18]. (原始内容 (PDF)存档于2015-04-18). 
  4. ^ How is (x+y)^p≡x^p+y^p mod p for any prime number p. Mathematics Stack Exchange. 2018-09-27 [2021-04-26]. (原始内容存档于2022-03-25) (英语). 
  5. ^ 聂灵沼; 丁石孙. 代数学引论 第二版. 北京: 高等教育出版社. 2000: 第33页. ISBN 7-04-008893-2. 
  6. ^ 黄嘉威. 多项式除法解高次同余. 数学学习与研究. 2015, (9): 第104页 [2015-07-19]. (原始内容存档于2020-10-20).