原根学习笔记

原根学习笔记

阶

对于 \(a \in \mathbb{Z}, m \in \mathbb{N}^+, \gcd(a, m) = 1\)。满足 \(a^n \equiv 1 \pmod m\) 的最小正整数 \(n\) 被称为 \(a\) 模 \(m\) 的阶,记作 \(\delta_m(a)\)。一般只讨论 \(0 \le a < m\) 的情况。

由欧拉定理可知,阶一定存在。

性质

性质 \(1\):\(a, a^2, \cdots, a^{\delta_m(a)}\) 在模 \(m\) 意义下互不相同。

证明

考虑反证,若存在 \(1 \le i < j \le \delta_m(a)\) 满足 \(a^i \equiv a^j \pmod m\),则 \(a^{j - i} \equiv 1 \pmod m\) 且 \(0 < j - i < \delta_m(a)\),与阶的最小性矛盾。


性质 \(2\):若 \(a^n \equiv 1 \pmod m\),则 \(\delta_m(a) \mid n\)。

证明

设 \(n = \delta_m(a)p + q\),其中 \(0 \le q < \delta_m(a)\)。

若 \(q > 0\),则

\[a^q \equiv a^q(a^{\delta_m(a)})^p \equiv a^n \equiv 1 \pmod m \]

与阶的最小性矛盾,故 \(q = 0\),故 \(\delta_m(a) \mid n\)。


性质 \(3\):对于 \(a, b \in \mathbb{Z}, m \in \mathbb{N}^+, \gcd(a, m) = \gcd(b, m) = 1\),\(\gcd(\delta_m(a), \delta_m(b)) = 1 \Leftrightarrow \delta_m(ab) = \delta_m(a) \delta_m(b)\)。

证明

必要性:

因为 \(a^{\delta_m(a)} \equiv b^{\delta_m(b)} \equiv 1 \pmod m\)。

故 \((ab)^{\operatorname{lcm}(\delta_m(a), \delta_m(b))} \equiv 1 \pmod m\)。

由性质 \(2\) 得 \(\delta_m(ab) \mid \operatorname{lcm}(\delta_m(a), \delta_m(b))\)。

因为 \(\delta_m(ab) = \delta_m(a) \delta_m(b)\),故 \(\delta_m(a) \delta_m(b) \mid \operatorname{lcm}(\delta_m(a), \delta_m(b))\)。

故 \(\gcd(delta_m(a), \delta_m(b)) = 1\)。

充分性:

\[1 \equiv (ab)^{\delta_m(ab)} \equiv \left((ab)^{\delta_m(ab)}\right)^{\delta_m(b)} \equiv (ab)^{\delta_m(ab) \delta_m(b)} \equiv a^{\delta_m(ab) \delta_m(b)} b^{\delta_m(ab) \delta_m(b)} \equiv a^{\delta_m(ab) \delta_m(b)} \pmod m \]

由性质 \(1\) 得 \(\delta_m(a) \mid \delta_m(ab)\delta_m(b)\)。

又因为 \(\gcd(\delta_m(a), \delta_m(b)) = 1\),故 \(\delta_m(a) \mid \delta_m(ab)\)。

同理,\(\delta_m(b) \mid \delta_m(ab)\)。

所以 \(\delta_m(a) \delta_m(b) \mid \delta_m(ab)\)。

又有 \(\delta_m(ab) \mid \operatorname{lcm}(\delta_m(a), \delta_m(b))\) 且 \(\gcd(\delta_m(a), \delta_m(b)) = 1\),故 \(\delta_m(a) \mid \delta_m(a) \delta_m(b)\)。

故 \(\delta_m(ab) = \delta_m(a) \delta_m(b)\)。


性质 \(4\):对于任意 \(k \in \mathbb{N}\),有 \(\delta_m(a^k) = \dfrac{\delta_m(a)}{\gcd(\delta_m(a), k)}\)。

证明

由于

\[a^{k\delta_m(a^k)} = (a^k)^{\delta_m(a^k)} \equiv 1 \pmod m \]

故 \(\delta_m(a) \mid k \delta_m(a^k)\)。故 \(\dfrac{\delta_m(a)}{\gcd(\delta_m(a), k)} \mid \delta_m(a^k)\)。

另一方面,设 \(u = \dfrac{1}{\gcd(\delta_m(a), k)}\),则

\[(a^k)^\frac{\delta_m(a)}{u} = a^{\frac{k \delta_m(a)}{u}} = (a^{\delta_m(a)})^{\frac{k}{u}} \equiv 1 \pmod m \]

故 \(\delta_m(a^k) \mid \dfrac{\delta_m(a)}{\gcd(\delta_m(a), k)}\)。

故 \(\delta_m(a^k) = \dfrac{\delta_m(a)}{\gcd(\delta_m(a), k)}\)。

原根

对于 \(m \in \mathbb{N}^+\),若 \(a \in \mathbb{Z}, \gcd(a, m) = 1, \delta_m(a) = \varphi(m)\),则称 \(a\) 为模 \(m\) 的原根。一般只讨论 \(0 \le a < m\) 的情况。

原根判定定理

对于 \(m \ge 3, \gcd(a, m) = 1\),\(a\) 是模 \(m\) 的原根的充要条件是 \(\forall p \in \mathbb{P}, p \mid \varphi(m)\),有 \(a^{\frac{\varphi(m)}{p}} \not\equiv 1 \pmod m\)。

证明

必要性显然。

考虑证明充分性,假设存在一个 \(a\) 满足 \(\forall p \in \mathbb{P}, p \mid \varphi(m)\),有 \(a^{\frac{\varphi(m)}{p}} \not\equiv 1 \pmod m\) 但不是模 \(m\) 的原根,则 \(\delta_m(a) < \varphi(m)\) 且 \(\delta_m \mid \varphi(m)\)。则必然存在一个 \(p \in \mathbb{P}, p \mid \varphi(m)\) 满足 \(\delta_m(a) \mid \dfrac{\varphi(m)}{p}\),则 \(a^{\frac{\varphi(m)}{p}} \equiv 1 \pmod m\)。与假设矛盾。

原根个数

若 \(m\) 存在原根,则它的原根个数为 \(\varphi(\varphi(m))\)。

证明

若 \(m\) 有原根 \(g\),则

\[\delta_m(g^k) = \dfrac{\delta_m(g)}{\gcd(\delta_m(g), k)} = \dfrac{\varphi(m)}{\gcd(\varphi(m), k)} \]

所以若 \(\gcd(k, \varphi(m)) = 1\),则 \(\delta_m(g^k) = \varphi(m)\),故 \(g^k\) 也是 \(m\) 的原根。同时也是必要条件。

故 \(m\) 的原根的个数为满足 \(\gcd(\varphi(m), k) = 1\) 的 \(k\) 的个数,即 \(\varphi(\varphi(m))\)。

原根存在定理

一个数 \(m\) 存在原根当且仅当 \(m \in \{2, 4, p^k, 2p^k\}\),其中 \(p \in \mathbb{P} - \{2\}, k \in \mathbb{N}^+\)。

证明过于答辩,略。

最小原根的数量级

若 \(m\) 有原根,其最小原根不多于 \(m^{0.25}\) 级别。

证明略。

由于这个定理,暴力求一个数的最小原根的复杂度是可以接受的。

posted @ 2023-03-17 19:04  Mine_King  阅读(104)  评论(0)    收藏  举报