diff --git a/docs/math/number-theory/primitive-root.md b/docs/math/number-theory/primitive-root.md index ccffadb53fc6c..7aa3d0ee6152e 100644 --- a/docs/math/number-theory/primitive-root.md +++ b/docs/math/number-theory/primitive-root.md @@ -18,9 +18,7 @@ 另外还有「半阶」的概念,在数论中会出现 $\delta^-$ 记号,表示同余式 $a^n \equiv -1 \pmod m$ 的最小正整数。半阶不是群论中的概念。阶一定存在,半阶不一定存在。 -### 性质 - -#### 性质 1 +### 性质 1 $a,a^2,\cdots,a^{\delta_m(a)}$ 模 $m$ 两两不同余。 @@ -29,7 +27,7 @@ $a,a^2,\cdots,a^{\delta_m(a)}$ 模 $m$ 两两不同余。 但是显然的有:$0<|i-j|<\delta_m(a)$,这与阶的最小性矛盾,故原命题成立。 -#### 性质 2 +### 性质 2 若 $a^n \equiv 1 \pmod m$,则 $\delta_m(a)\mid n$. @@ -50,7 +48,7 @@ $a,a^2,\cdots,a^{\delta_m(a)}$ 模 $m$ 两两不同余。 还有两个与四则运算有关的重要性质。 -#### 性质 3 +### 性质 3 设 $m\in\mathbf{N}^{*}$,$a,b\in\mathbf{Z}$,$(a,m)=(b,m)=1$,则 @@ -126,7 +124,7 @@ $$ \delta_m(ab)=\delta_m(a)\delta_m(b) $$ -#### 性质 4 +### 性质 4 设 $k \in \mathbf{N}$,$m\in \mathbf{N}^{*}$,$a\in\mathbf{Z}$,$(a,m)=1$,则 @@ -168,7 +166,11 @@ $$ ???+ note "定义" 设 $m \in \mathbf{N}^{*}$,$g\in \mathbf{Z}$. 若 $(g,m)=1$,且 $\delta_m(g)=\varphi(m)$,则称 $g$ 为模 $m$ 的原根。 - 即 $g$ 满足 $\delta_m(g) = \left| \mathbf{Z}_m^* \right| = \varphi(m)$. 当 $m$ 是质数时,我们有 $g^i \bmod m,\,0 \lt i \lt m$ 的结果互不相同。 + 即 $g$ 满足 $\delta_m(g) = \left| \mathbf{Z}_m^* \right| = \varphi(m)$. + +若一个数 $m$ 有原根 $g$,则 $g,g^2,\ldots,g^{\varphi(m)}$ 构成模 $m$ 的简化剩余系。 + +特别地,当 $m$ 是质数时,有 $g^i\bmod m$,$0 < i < m$ 的结果两两不同。 ???+ note "注" 在抽象代数中,原根就是循环群的生成元。这个概念只在模 $m$ 缩剩余系关于乘法形成的群中有「原根」这个名字,在一般的循环群中都称作「生成元」。 @@ -184,7 +186,7 @@ $$ 当对于 $\varphi(m)$ 的每个素因数 $p$,都有 $g^{\frac{\varphi(m)}{p}}\not\equiv 1\pmod m$ 成立时,我们假设存在一个 $g$,其不是模 $m$ 的原根。 - 因为 $g$ 不是 $m$ 的原根,且将 $g^{\varphi(m)}\equiv 1\pmod m$ 带入性质二,得到 $g$ 的阶 $\delta_m(g)$ 应满足 $\delta_m(g) \lt \varphi(m)$ 且 $\delta_m(g) \mid \varphi(m)$. + 因为 $g$ 不是 $m$ 的原根,且将 $g^{\varphi(m)}\equiv 1\pmod m$ 带入性质二,得到 $g$ 的阶 $\delta_m(g)$ 应满足 $\delta_m(g) < \varphi(m)$ 且 $\delta_m(g) \mid \varphi(m)$. 故存在 $\varphi(m)$ 的素因数 $p$ 使得 $\delta_m(g) \mid \frac{\varphi(m)}{p}$. @@ -194,18 +196,18 @@ $$ ### 原根个数 -若一个数 $m$ 有原根,则它原根的个数为 $\varphi(\varphi(m))$. +若一个数 $m$ 有原根 $g$,那么对于任意 $\varphi(m)$ 的因子 $d$,模 $m$ 的 $d$ 阶元素存在且个数为 $\varphi(d)$。 + +特别地,$m$ 的原根个数为 $\varphi(\varphi(m))$。 ???+ note "证明" - 若 $m$ 有原根 $g$,则: + 设 $d'=\dfrac{\varphi(m)}{d}$,由阶的性质有 $\delta_m(g^{d'})=\dfrac{\delta_m(g)}{(\delta_m(g),d')}=d$。因此模 $m$ 的 $d$ 阶元素存在。 - $$ - \delta_m(g^k)=\dfrac{\delta_m(g)}{\left(\delta_m(g),k\right)}=\dfrac{\varphi(m)}{\left(\varphi(m),k\right)} - $$ + 设 $a=g^{d'}$,$k$ 是不大于 $d$ 的整数。由阶的性质有 $a,a^2,\ldots,a^d$ 互不相同,且 $\delta_m(a^k)=\dfrac{\delta_m(a)}{(\delta_m(a),k)}=\dfrac{d}{(d,k)}$。 - 所以若 $\left(k,\varphi(m)\right)=1$,则有:$\delta_m(g^k)=\varphi(m)$,即 $g^k$ 也是模 $m$ 的原根。 + 当且仅当 $(d,k)=1$ 时 $\delta_m(a^k)=d$。这样的 $k$ 有 $\varphi(d)$ 个。所以模 $m$ 的 $d$ 阶元素至少有 $\varphi(d)$ 个。 - 而满足 $\left(\varphi(m),k\right)=1$ 且 $1\leq k \leq \varphi(m)$ 的 $k$ 有 $\varphi(\varphi(m))$ 个。所以原根就有 $\varphi(\varphi(m))$ 个。 + 由于 $\varphi(m)=\sum_{d\mid \varphi(m)}\varphi(d)$,因此模 $m$ 的 $d$ 阶元素恰有 $\varphi(d)$ 个。 ### 原根存在定理