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信息安全数学基础 Chapter 2——同余

Chapter 2 同余

定义2.1 同余、不同余


定理2.1 同余是一种等价关系(自反性、对称性、传递性依次证明)


定义2.2 模m剩余类,模m完全剩余系


定义2.3 模m简化剩余类,完全剩余类中所有与m互素的剩余类。模m简化剩余系。欧拉函数:整数1,2,…,m中所有与m互素的整数个数,即为φ(m)\varphi(m)


定理2.2 a,ba,b正整数,a≡b(mod  mn)⇒a≡b(mod  m),a≡b(mod  n)a\equiv b(\mod mn)\Rightarrow a\equiv b(\mod m), a\equiv b(\mod n)(逆定理不成立)


定理2.3 m,nm,n正整数,a≡b(mod  m),a≡b(mod  n)⇒a≡b(mod  [m,n])a\equiv b(\mod m),a\equiv b(\mod n)\Rightarrow a\equiv b(\mod [m,n])


定理2.4 同余性质:
(1) a≡b(mod  m)⇒a+c≡b+c(mod  m)a\equiv b(\mod m)\Rightarrow a+c\equiv b+c(\mod m)
(2) a≡b(mod  m),k∈Z⇒ak≡bk(mod  m)a\equiv b(\mod m), k\in Z\Rightarrow ak\equiv bk(\mod m)
(3) ak≡bk(mod  m),k∈Z,(k,m)=1⇒a≡b(mod  m)ak\equiv bk(\mod m), k\in Z,(k,m)=1\Rightarrow a\equiv b(\mod m)
(4) a≡b(mod  m),k∈N⇔ak≡bk(mod  mk)a\equiv b(\mod m), k\in N\Leftrightarrow ak\equiv bk(\mod mk)
(5) a≡b(mod  m),f(x)a\equiv b(\mod m), f(x)为一整系数多项式,f(a)≡f(b)(mod  m)f(a)\equiv f(b)(\mod m)

推论 若a1≡a2(mod  m),b1≡b2(mod  m)a_1\equiv a_2(\mod m),b_1\equiv b_2(\mod m),则a1+b1≡a2+b2(mod  m),a1b1≡a2b2(mod  m)a_1+b_1\equiv a_2+b_2(\mod m),a_1b_1\equiv a_2b_2(\mod m)


定理2.5 设m为正整数,若(a,m)=1,则当x遍历m的一个完全剩余系时,对于任意整数b,ax+b遍历模m的一个完全剩余系;当x遍历m的一个简化剩余系时,ax遍历m的一个简化剩余系。

证明:
设r1,r2,...,rmr_1,r_2,...,r_m是模m的一个完全剩余系,当i≠ji\ne j时,ri≠rj(mod  m)r_i\ne r_j(\mod m),又(a,m)=1(a,m)=1,则ari+b≠arj+b(mod  m)ar_i+b\ne ar_j+b(\mod m),故x遍历r1,r2,…,rm时,ax+b是m个关于m两两互不同余的整数,因此构成完全剩余系。
如果r1,r2,...,rφ(m)r_1,r_2,...,r_{\varphi(m)}是简化剩余系,对于所有ri,(ri,m)=1r_i,(r_i,m)=1,因为(a,m)=1(a,m)=1,则有(ari,m)=1(ar_i,m)=1,即任意ari均在简化剩余系中且两两互不同余。因此构成简化剩余系。


定理2.6 设m,n为正整数,(m,n)=1,则当x遍历模n的一个完全剩余系,y遍历模m的一个完全剩余系时,mx+ny遍历模mn的一个完全剩余系;当x遍历模n的一个简化剩余系,y遍历模m的一个简化剩余系时,mx+ny遍历模mn的一个简化剩余系。

证明:
假设mx1+ny1≡mx2+ny2(mod  mn)mx_1+ny_1\equiv mx_2+ny_2(\mod mn),由定理2.2可知,mx1+ny1≡mx2+ny2(mod  m),mx1+ny1≡mx2+ny2(mod  n)mx_1+ny_1\equiv mx_2+ny_2(\mod m),mx_1+ny_1\equiv mx_2+ny_2(\mod n),又(m,n)=1,故y1≡y2(mod  m),x1≡x2(mod  n)y_1\equiv y_2(\mod m),x_1\equiv x_2(\mod n)。因此mx+ny互不同余,构成模mn的完全剩余系。
若(x,n)=1,(y,m)=1(x,n)=1,(y,m)=1,则(mx+ny,m)=(ny,m)=(y,m)=1,(mx+ny,n)=1(mx+ny,m)=(ny,m)=(y,m)=1,(mx+ny,n)=1,故(mx+ny,mn)=1(mx+ny,mn)=1,即任意一个与mn互素的整数都在遍历所产生的φ(m)φ(n)\varphi(m)\varphi(n)个简化剩余类中。


定理2.7 (欧拉定理)m为正整数,(a,m)=1,则aφ(m)≡1(mod  m)a^{\varphi(m)}\equiv 1(\mod m)

证明:
构造模m的简化剩余系r1,r2,...,rφ(m)r_1,r_2,...,r_{\varphi(m)},(a,m)=1,故由定理2.4有ar1,ar2,...,arφ(m)ar_1,ar_2,...,ar_{\varphi(m)}也是模m简化剩余系。故对于任意1≤i≤φ(m)1\le i\le \varphi(m)有且仅有唯一1≤j≤φ(m)1\le j\le \varphi(m)使得ari=rjar_i=r_j。故

r1r2...rφ(m)≡aφ(m)r1r2...rφ(m)(mod  m)r_1r_2...r_{\varphi(m)}\equiv a^{\varphi(m)}r_1r_2...r_{\varphi(m)}(\mod m)

证毕


定理2.8 (费马小定理)p为素数,则对于任意整数a,ap≡a(mod  p)a^p\equiv a(\mod p)

证明:
由欧拉定理可知若(a,p)=1,则aφ(p)=ap−1≡1(mod  p)a^{\varphi(p)}=a^{p-1}\equiv 1(\mod p),原命题成立
否则必有p|a,即ap−1≡a≡0(mod  p)a^{p-1}\equiv a\equiv 0(\mod p)


定理2.9 m,n为正整数,若互素,则φ(m)φ(n)=φ(mn)\varphi(m)\varphi(n)=\varphi(mn)

证明:
定理2.6


定理2.10 p为素数,e为正整数,则φ(pe)=pe−pe−1\varphi(p^e)=p^e-p^{e-1}

证明:
从1到pe中与pe不互素的只有p的倍数,共有pe-1个。


定理2.11 设m为正整数,m=∏i=1Spiaim=\prod_{i=1}^Sp_i^{a_i},则φ(m)=m∏i=1S(1−1pi)\varphi(m)=m\prod_{i=1}^S(1-\frac{1}{p_i})

证明:
定理2.9,2.10


定义2.4 模m同余式:f(x)=∑i=0naixif(x)=\sum_{i=0}^{n}a_ix^i为一个整系数多项式,m为正整数,称f(x)≡0(mod  m)f(x)\equiv 0(\mod m)为模m同余式。若an≠0(mod  m)a_n\ne 0(\mod m)则称该同余式次数为n,如果整数a满足f(a)≡0(mod  m)f(a)\equiv 0(\mod m)则称a为同余式的解。解数:同余式解的个数。


定理2.12 m为正整数,同余式ax≡b(mod  m)ax\equiv b(\mod m)有解的充要条件是(a,m)|b。有解时结束为(a,m),且若x=x0是同余式的一个特解,则同余式的所有解可以表示为

x≡x0+m(a,m)t(mod  m),t=0,1,2,...,(a,m)−1x\equiv x_0+\frac{m}{(a,m)}t(\mod m),t=0,1,2,...,(a,m)-1

证明:
若ax≡b(mod  m)ax\equiv b(\mod m)有解,则存在整数y使得ax-b=my,且若x=x0,y=y0是ax-b=my的一个解,则x≡x0(mod  m)x\equiv x_0(\mod m)就是ax≡b(mod  m)ax\equiv b(\mod m)的一个解。根据定理1.8可知,ax-b=my有解的充要条件是(a,m)|b。
若x=x0,y=y0是ax-b=my的一个解,则ax-b=my的所有解可以表示为:

{x=x0+m(a,m)ty=y0+a(a,m)t,t∈Z\left\{ \begin{aligned} x=x_0+\frac{m}{(a,m)}t\\ y=y_0+\frac{a}{(a,m)}t \end{aligned} ,t\in\mathbb Z \right.

可将x=x0+m(a,m)t,t∈Zx=x_0+\frac{m}{(a,m)}t,t\in\mathbb Z写为(a,m)个模m的同余类,即t取0,1,…,(a,m)-1


定理2.13 m为正整数,(a,m)=1,则aφ(m)−1a^{\varphi(m)-1}是a模m的逆元。

证明:略


定理2.14 (Wilson定理)设p为素数,则(p−1)!≡−1(mod  p)(p-1)!\equiv -1(\mod p)

证明:
p=2时结论显然成立
p>2,对于1≤a≤p−11\le a\le p-1,因为(a,p)=1,因此a存在逆元a’,由ax≡1(mod  m)ax\equiv 1(\mod m)的解数为1,故满足1≤a′≤p−11\le a'\le p-1的逆元也是唯一的。在1,2,…,p-1中将这些数一一配对,每一对的两数均互为逆元,则结论显然成立。


定理2.15 (中国剩余定理)设m1,m2,...,mSm_1,m_2,...,m_S为两两互素的正整数,b1,b2,...,bSb_1,b_2,...,b_S为任意整数,则同余式组

{x≡b1(mod  m1)x≡b2(mod  m2)...x≡bS(mod  mS)\left\{ \begin{array}{rcl} x\equiv b_1(\mod m_1)\\ x\equiv b_2(\mod m_2)\\ ...\\ x\equiv b_S(\mod m_S) \end{array} \right.

模M=m1...mSM=m_1...m_S有唯一解x≡∑i=1SbiMmi(Mmi)−1(mod  mi)(mod  M)x\equiv \sum_{i=1}^S b_i\frac{M}{m_i}(\frac{M}{m_i})^{-1}(\mod m_i)(\mod M)

证明:
存在性:代入上式即可
唯一性:设有一个解为x0,则其满足上面任意一个式子,根据定理1.14有M=[m1,m2,...,mS]∣x−x0M=[m_1,m_2,...,m_S]|x-x_0,即x≡x0(mod  M)x\equiv x_0(\mod M),解唯一。


定理2.16 设m1,m2,...,mSm_1,m_2,...,m_S为两两互素的正整数,对于1≤i≤s1\le i\le s,同余式fi(x)≡0(mod  mi)f_i(x)\equiv 0(\mod m_i)有Ci个解,则同余式组

{f(x)≡0(mod  m1)f(x)≡0(mod  m2)...f(x)≡0(mod  mS)\left\{ \begin{array}{rcl} f(x)\equiv 0(\mod m_1)\\ f(x)\equiv 0(\mod m_2)\\ ...\\ f(x)\equiv 0(\mod m_S) \end{array} \right.

关于模M=m1...mSM=m_1...m_S有C1C2...CsC_1C_2...C_s个解。

证明:组合。
证明这些解互不同余:
若有x≡x′(mod  M)x\equiv x'(\mod M),则由定理2.2可知对于任意i均有x≡x′(mod  mi)x\equiv x'(\mod m_i),故x=x’。
任何bi变化都会导致解不同。


定理2.17 p为素数,i1≥i2≥...iS,b1,b2,...,bSi_1\ge i_2\ge ... i_S,b_1,b_2,...,b_S为任意整数,同余式组

{x≡b1(mod  pi1)x≡b2(mod  pi2)...x≡bS(mod  piS)\left\{ \begin{array}{rcl} x\equiv b_1(\mod p^{i_1})\\ x\equiv b_2(\mod p^{i_2})\\ ...\\ x\equiv b_S(\mod p^{i_S}) \end{array} \right.

有解的充要条件为

{b1≡b2(mod  pi2)b1≡b3(mod  pi3)...b1≡bS(mod  piS)\left\{ \begin{array}{rcl} b_1\equiv b_2(\mod p^{i_2})\\ b_1\equiv b_3(\mod p^{i_3})\\ ...\\ b_1\equiv b_S(\mod p^{i_S}) \end{array} \right.

证明:
充分性易证
必要性:若有解x0,则由定理2.2可知x0≡b1(mod  pi2)x_0\equiv b_1(\mod p^{i_2}),故b1b_1是第二个式子的解,同理b1也是后面所有式子的解。


定义2.6 导式


定理2.18 设p为素数,k≥1k\ge 1,若x≡xk(mod  pk)x\equiv x_k(\mod p^k)为同余式f(x)≡0(mod  pk)f(x)\equiv 0(\mod p^k)的一个解,则在这个剩余类中:
(1) 若(p,f′(xk))=1(p,f'(x^k))=1,则同余式f(x)≡0(mod  pk+1)f(x)\equiv 0(\mod p^{k+1})有唯一解。
(2) 若p∣f′(xk)p|f'(x^k),当f(xk)≠0(mod  pk+1)f(x_k)\ne 0(\mod p^{k+1})时,同余式f(x)≡0(mod  pk+1)f(x)\equiv 0(\mod p^{k+1})无解,否则有p个解。

证明:
由定理2.2可知,同余式f(x)≡0(mod  pk+1)f(x)\equiv 0(\mod p^{k+1})的解一定是f(x)≡0(mod  pk)f(x)\equiv 0(\mod p^k)的解,因此我们只需对f(x)≡0(mod  pk)f(x)\equiv 0(\mod p^k)的解进行筛选即可。

从x=xk+pkt,t∈Zx=x_k+p^kt,t\in\mathbb Z中进行筛选:
将其代入到f(x)≡0(mod  pk+1)f(x)\equiv 0(\mod p^{k+1})中使用泰勒公式可得:

f(xk)+f′(xk)pkt+∑i=2nf(i)(xk)piki!ti≡0(mod  pk+1)f(x_k)+f'(x_k)p^kt+\sum_{i=2}^n\frac{f^{(i)}(x_k)p^{ik}}{i!}t^i\equiv 0(\mod p^{k+1})

因为f(i)(xk)i!=an⋅n!i!(n−i)!\frac{f^{(i)}(x_k)}{i!}=\frac{a_n\cdot n!}{i!(n-i)!}为整数,因此有i!∣f(i)(xk)i!|f^{(i)}(x_k)。即泰勒展开除前面两项之外后面所有项均整除pk+1p^{k+1},可以全部消去,化简为:

f(xk)+f′(xk)pkt≡0(mod  pk+1)f(x_k)+f'(x_k)p^kt\equiv 0(\mod p^{k+1})

又pk∣f(xk)p^k|f(x_k),上式可以化为:

f(xk)pk+f′(xk)t≡0(mod  pk+1)\frac{f(x_k)}{p^k}+f'(x_k)t\equiv 0(\mod p^{k+1})

若(f′(xk),p)=1(f'(x_k),p)=1则t仅有1个取值。若为0则与定理结论相符。

推论 p为素数,若x≡x1(mod  p)x\equiv x_1(\mod p)是同余式f(x)≡0(mod  p)f(x)\equiv 0(\mod p)的一个解,且满足(f′(x1),p)=1(f'(x_1),p)=1,则对于任意正整数k>1,f(x)≡0(mod  pk)f(x)\equiv 0(\mod p^k)的满足x≡x1(mod  p)x\equiv x_1(\mod p)的解xk可以通过以下递推式得到:

xi=xi−1−f(xi−1)((f′(x1))−1(mod  p))(mod  pi),i=1,2,3,...,kx_i=x_{i-1}-f(x_{i-1})((f'(x_1))^{-1}(\mod p))(\mod p^i),i=1,2,3,...,k

证明:数学归纳法