二次非剩余

更新时间:2022-08-25 14:35

数论基本概念之一。它是初等数论中非常重要的结果,不仅可用来判断二次同余式是否有解,还有很多用途。C.F.高斯称它为算术中的宝石,他一人先后给出多个证明。

定义

数论中,特别在同余理论里,一个整数 对另一个整数 的二次剩余(英语:Quadratic residue)指 的平方除以 得到的余数

当存在某个 ,式子 成立时,称 是模 的二次剩余”

当对任意 , 不成立时,称“是模 的二次非剩余”

研究二次剩余的理论称为二次剩余理论。二次剩余理论在实际上有广泛的应用,包括从噪音工程学到密码学以及大数分解。

研究历史以及基本概念

从17世纪到18世纪,费马欧拉拉格朗日勒让德等数论学家对二次剩余理论作了初步的研究,证明了一些定理并作出了一些相关的猜想,但首先对二次剩余进行有系统的研究的数学家是高斯。他在著作《算术研究》(Disquisitiones Arithmeticae,1801年)中首次引入了术语“二次剩余”与“二次非剩余”,并声明在不至于导致混淆的行文中,可以省略“二次”两字。

基本结论

质数二次非剩余

对于质数2,每个整数都是它的二次剩余。

以下讨论 是奇质数的情况:

对于 , 而言,能满足“ 是模 的二次剩余”的 共有 个(剩余类),分别为:

(0计算在内)

此外是 个二次非剩余。但在很多情况下,我们只考虑乘法Z/pZ,因此不将0包括在内。这样,每个二次剩余的乘法逆元仍然是二次剩余;二次非剩余的乘法逆元仍然是二次非剩余。二次剩余的个数与二次非剩余的个数相等,都是 。此外,两个二次非剩余的乘积是二次剩余,二次剩余和二次非剩余的乘积是二次非剩余。

应用二次互反律可以知道,当 模4余1时,-1是 的二次剩余;如果 模4余3,那么,-1是 的二次非剩余。

要知道d是否为模p的二次剩余,可以运用欧拉判别法(或叫欧拉准则)。

合数二次非剩余

首先可以看出,

对于模合数的情况,两个剩余的乘积仍然是剩余,剩余和非剩余的乘积必为非剩余,但是两个非剩余的乘积则可能是剩余、非剩余或0。

比如,对于模15的情况

1, 2, 3,4, 5,6, 7, 8,9,10, 11, 12, 13, 14(粗斜体为二次剩余)。

两个二次非剩余2和8的乘积是二次剩余1,但另外两个二次非剩余2和7的乘积是二次非剩余14。

相关记号

高斯使用R和N来分别表示二次剩余及二次非剩余。例如:2 R 7,5 N 7,并且1 和5 R 8,3和7 N 8。尽管这种记号在某些方面来说十分简洁,但现今最常用的是勒让德符号,或称二次特征(见狄利克雷特征)。对于整数a及奇质数p,

之所以将0另分一类有两个原因。首先,这使公式和定理叙述方便。其次,二次特征是一个从乘法群Z/pZ射到复数域的群同态,可以将这个同态扩张到整数构成的乘法半群

相比高斯的记号,勒让德符号的优势在于可以写在公式里(作为一个数字值)。此外勒让德符号可以推广到三次以至高次剩余

勒让德符号中的分母只限奇质数,对于一般的合数,有推广的雅可比符号。雅可比符号的性质比前者复杂。如果aRm那么,如果那么aNm。但如果,我们不能知道aRm还是aNm。

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