Первообразные корни — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Количество первообразных корней)
(Теорема о существовании первообразных корней по модулям 4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n)
Строка 29: Строка 29:
  
 
===Теорема о существовании первообразных корней по модулям <math>4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n</math>===
 
===Теорема о существовании первообразных корней по модулям <math>4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n</math>===
 +
{{Теорема
 +
|id=the
 +
|statement= По модулям <math>4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n</math> существуют первообразные корни.
 +
|proof=
 +
Сначала разберем случай <math>p^2</math>.
 +
Пусть <tex>g</tex> - первообразный корень по модулю <tex>p\text{, }k=ord_{p^2}(g)</tex>. Тогда <tex>g^k=1(p^2)</tex>, следовательно <tex>g^k=1(p)</tex>, и значит <tex>k\vdots (p-1)</tex>. Также заметим, что <tex>\phi(p^2)=p(p-1)\vdots k</tex>. Получаем два случая - <tex>k=p-1</tex>, и <tex>k=p(p-1)</tex>. Во втором случае получается что <tex>g</tex> - первообразный корень по модулю <tex>p^2</tex>. Теперь рассмотрим первый случай: обратим внимание на число <tex>g+p</tex>. <tex>(g+p)^{p-1}=g^{p-1}+c^{1}_{p-1}g^{p-2}p+...</tex> - заметим, что все слагаемые, начиная с третьего содержат множитель <tex>p^2</tex> - поэтому обнуляются по модулю <tex>p^2</tex>.<tex>g^{p-1}=1(p^2)</tex>, а <tex>c^{1}_{p-1}g^{p-2}p=p(p-1)g^{p-2}\neq 0(p^2)</tex>, значит <tex>(g+p)^{p-1}\neq 1(p^2)</tex>, и из аналогичных соображений <tex>(g+p)^{p(p+1)}=1(p^2)</tex>. Итак, мы умеем находить такое <tex>g</tex>, что <tex>g^{p-1}\equiv1(p)</tex>, и <tex>g^{p-1}=1+u_0p(p^2)</tex>. Возводя это равенство в степень <tex>p^k</tex>, получаем <tex>^{p^k(p-1)\equiv 1+u_kp^{k+1}(p^{k+2})}</tex>
 +
}}

Версия 02:32, 28 июня 2010

Эта статья находится в разработке!

Первообразные корни

Определение:
Вычет [math]g[/math] называется первообразным корнем по модулю [math]n[/math], если [math]ord(g)= \phi(n)[/math].


Где [math]ord(n)[/math]порядок числа [math]n[/math], а [math]\phi(n)[/math]функция Эйлера.

Теорема:
Пусть [math]g[/math] - первообразный корень по модулю [math]p[/math][math]\in\mathbb{P}[/math]. Тогда [math]g[/math]a - первообразный корень по модулю [math]p[/math] [math]\Leftrightarrow[/math] НОД[math](a;p-1)=1[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Так как ga - первообразный корень, значит (ga)φ(p)=1, но p[math]\in\mathbb{P}[/math], поэтому φ(p)=p-1, значит (ga)p-1=1, и это же справедливо для g: gp-1=1. Пусть НОД(a;p-1)=k, k>1, тогда [math]1=g^{p-1}=(g^{p-1})^{\frac{a}{k}}=(g^{\frac{p-1}{k}})^a=(g^a)^{\frac{p-1}{k}}[/math]. Но, по определению ord, [math]p-1[/math] - минимальная степень, в которую следует возвести [math]g^a[/math], чтобы получить единицу, а [math]\frac{p-1}{k}\lt p-1[/math]. Получили противоречие, теорема доказана.

  • Теперь докажем обратную теорему:
Пусть существует k такое, что [math]g^{a\cdot k}=1[/math], и [math]k\lt p-1[/math]. Но [math]g^{p-1}=1[/math], значит [math]g^{a\cdot k}=g^{p-1}[/math]. Следовательно либо [math](a*k) \vdots (p-1)[/math], либо [math](p-1) \vdots (a*k)[/math]. Но по определению первообразного корня, и ord, [math]p-1 \leqslant a*k[/math], то есть [math](a*k) \vdots (p-1)[/math], а так как НОД[math](a; p-1)=1[/math], то [math]k \vdots (p-1) \Rightarrow p-1 \leqslant k[/math], что противоречит нашему предположению. Обратная теорема доказана.
[math]\triangleleft[/math]
Теорема (О количестве первообразных корней):
Количество различных первообразных корней по модулю p равно φ(p-1).
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Пусть g - первообразный корень.
Во-первых, при [math]a=k*(p-1)+b \text{, }b\lt p-1 \colon g^a=(g^{p-1})^{k}*g^b=1\cdot g^{b}[/math]. Таким образом есть смысл рассматривать только первообразные корни, образованные из исходного, путем возведения в степень не выше [math]p-1[/math].
Во-вторых, исходный первообразный корень существует, так как мультипликативная группа поля вычетов [math]\mathbb{Z}/p \mathbb{Z}[/math] циклична (то есть [math]\exists a\in\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\colon\forall b\in\mathbb{Z}/p\mathbb{Z} \text{ } \exists k\colon a^k=b[/math]).

По доказанной обратной теореме [math]\forall a \colon с (a \text{; } p-1)=1 \Rightarrow g^a[/math] - первообразный корень. С другой стороны для любого другого a, по прямой теореме [math]g^a[/math] не является первообразным корнем. Но по определению [math]\varphi(p-1)[/math] равно количеству [math]a \colon [/math] НОД [math](a;p-1)=1[/math]. Очевидно, для всех [math]a\lt p-1\text{, }g^a[/math] различны. Теорема доказана.
[math]\triangleleft[/math]

Теорема о существовании первообразных корней по модулям [math]4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n[/math]

Теорема:
По модулям [math]4 \text{, }p^n \text{, }2 \cdot p^n[/math] существуют первообразные корни.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Сначала разберем случай [math]p^2[/math].

Пусть [math]g[/math] - первообразный корень по модулю [math]p\text{, }k=ord_{p^2}(g)[/math]. Тогда [math]g^k=1(p^2)[/math], следовательно [math]g^k=1(p)[/math], и значит [math]k\vdots (p-1)[/math]. Также заметим, что [math]\phi(p^2)=p(p-1)\vdots k[/math]. Получаем два случая - [math]k=p-1[/math], и [math]k=p(p-1)[/math]. Во втором случае получается что [math]g[/math] - первообразный корень по модулю [math]p^2[/math]. Теперь рассмотрим первый случай: обратим внимание на число [math]g+p[/math]. [math](g+p)^{p-1}=g^{p-1}+c^{1}_{p-1}g^{p-2}p+...[/math] - заметим, что все слагаемые, начиная с третьего содержат множитель [math]p^2[/math] - поэтому обнуляются по модулю [math]p^2[/math].[math]g^{p-1}=1(p^2)[/math], а [math]c^{1}_{p-1}g^{p-2}p=p(p-1)g^{p-2}\neq 0(p^2)[/math], значит [math](g+p)^{p-1}\neq 1(p^2)[/math], и из аналогичных соображений [math](g+p)^{p(p+1)}=1(p^2)[/math]. Итак, мы умеем находить такое [math]g[/math], что [math]g^{p-1}\equiv1(p)[/math], и [math]g^{p-1}=1+u_0p(p^2)[/math]. Возводя это равенство в степень [math]p^k[/math], получаем [math]^{p^k(p-1)\equiv 1+u_kp^{k+1}(p^{k+2})}[/math]
[math]\triangleleft[/math]