Русская Википедия:Квадратичный закон взаимности
Квадратичный закон взаимности — ряд утверждений, касающихся разрешимости квадратичного сравнения по модулю. Согласно этому закону, если <math>p, q</math> — нечётные простые числа и хотя бы одно из них имеет вид <math>4k + 1,</math> то два сравнения
- <math>x^2 \equiv q \pmod p,</math>
- <math>x^2 \equiv p \pmod q</math>
либо оба имеют решения для <math>x,</math> либо оба не имеют. Поэтому в названии закона используется слово «взаимность». Если же <math>p, q</math> оба имеют вид <math>4k + 3,</math> то решение имеет одно и только одно из указанных сравнений[1].
Связанные определения
Если для заданных целых чисел <math>p, q</math> сравнение <math>x^2 \equiv p \pmod{q}</math> имеет решения, то <math>p</math> называется квадратичным вычетом[2] по модулю <math>q,</math> а если решений нет, то — квадратичным невычетом по модулю <math>q.</math> С использованием этой терминологии можно сформулировать квадратичный закон взаимности следующим образом: Шаблон:Рамка Если <math>p, q</math> — нечётные простые числа и хотя бы одно из них имеет вид <math>4k + 1,</math> то либо оба <math>p, q</math> являются квадратичными вычетами по модулю друг друга, либо оба — невычеты. Если же <math>p, q</math> оба имеют вид <math>4k + 3,</math> то квадратичным вычетом является одно и только одно из этих чисел — либо <math>p</math> по модулю <math>q,</math> либо <math>q</math> по модулю <math>p.</math> |}
Пусть <math>p</math> — целое число, <math>q</math> — нечётное простое число. Символ Лежандра <math>\left(\frac{p}{q}\right)</math> определяется следующим образом:
- <math>\left(\frac{p}{q}\right) = 0</math>, если <math>p</math> делится нацело на <math>q</math>.
- <math>\left(\frac{p}{q}\right) = 1</math>, если <math>p</math> является квадратичным вычетом по модулю <math>q</math>.
- <math>\left(\frac{p}{q}\right) = -1</math>, если <math>p</math> является квадратичным невычетом по модулю <math>q</math>.
Примеры взаимности для простых чисел от 3 до 97
Приведенная ниже таблица наглядно показывает, какие нечётные простые числа, не превышающие 100, являются вычетами, а какие — невычетами. Например, первая строка относится к модулю 3 и означает, что число 5 является квадратичным невычетом (Н), 7 является вычетом (В), 11 — невычетом и т. д. По таблице ясно видно, что для чисел вида <math>4k+1</math> (зелёные и синие клетки) все коды, симметричные им относительно главной диагонали матрицы, в точности такие же, что и означает «взаимность». Например, в клетке (5, 7) тот же код, что и в клетке (7, 5). Если же клетки соответствуют двум числам вида <math>4k+3</math> (жёлтые и красные клетки), то коды противоположны — например, для (11, 19).
В | q является вычетом по модулю p | q ≡ 1 (mod 4) или p ≡ 1 (mod 4) (или оба) |
Н | q является невычетом по модулю p | |
В | q является вычетом по модулю p | оба q ≡ 3 (mod 4) и p ≡ 3 (mod 4) |
Н | q является невычетом по модулю p |
q | |||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3 | 5 | 7 | 11 | 13 | 17 | 19 | 23 | 29 | 31 | 37 | 41 | 43 | 47 | 53 | 59 | 61 | 67 | 71 | 73 | 79 | 83 | 89 | 97 | ||
p | 3 | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | В | В | Н | В | Н | Н | Н | В | В | Н | В | В | Н | Н | В | |
5 | Н | Н | В | Н | Н | В | Н | В | В | Н | В | Н | Н | Н | В | В | Н | В | Н | В | Н | В | Н | ||
7 | Н | Н | В | Н | Н | Н | В | В | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | В | В | Н | В | Н | Н | Н | ||
11 | В | В | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | В | Н | Н | В | В | В | Н | В | В | Н | Н | Н | В | В | ||
13 | В | Н | Н | Н | В | Н | В | В | Н | Н | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | В | Н | Н | Н | ||
17 | Н | Н | Н | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | В | В | Н | В | Н | Н | Н | В | В | Н | ||
19 | Н | В | В | В | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | В | В | Н | Н | В | Н | Н | В | Н | В | Н | Н | ||
23 | В | Н | Н | Н | В | Н | Н | В | В | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | ||
29 | Н | В | В | Н | В | Н | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | Н | В | В | Н | Н | В | Н | Н | ||
31 | Н | В | В | Н | Н | Н | В | Н | Н | Н | В | Н | В | Н | В | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | В | ||
37 | В | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | В | Н | Н | В | В | В | Н | В | Н | Н | ||
41 | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | В | В | Н | Н | В | В | Н | Н | В | Н | В | Н | Н | ||
43 | Н | Н | Н | В | В | В | Н | В | Н | В | Н | В | В | В | В | Н | В | Н | Н | В | В | Н | В | ||
47 | В | Н | В | Н | Н | В | Н | Н | Н | Н | В | Н | Н | В | В | В | Н | В | Н | В | В | В | В | ||
53 | Н | Н | В | В | В | В | Н | Н | В | Н | В | Н | В | В | В | Н | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | ||
59 | В | В | В | Н | Н | В | В | Н | В | Н | Н | В | Н | Н | В | Н | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | ||
61 | В | В | Н | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | Н | В | ||
67 | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | В | В | Н | В | Н | Н | В | Н | В | Н | В | В | Н | В | В | Н | ||
71 | В | В | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | В | В | Н | ||
73 | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | Н | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | В | В | В | В | Н | В | В | ||
79 | Н | В | Н | В | В | Н | В | В | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | В | Н | В | В | В | В | ||
83 | В | Н | В | В | Н | В | Н | В | В | В | В | В | Н | Н | Н | В | В | Н | Н | Н | Н | Н | Н | ||
89 | Н | В | Н | В | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | В | В | Н | Н | В | В | В | В | Н | В | ||
97 | В | Н | Н | В | Н | Н | Н | Н | Н | В | Н | Н | В | В | В | Н | В | Н | Н | В | В | Н | В |
Формулировка с помощью символов Лежандра
Квадратичный закон взаимности Гаусса для символов Лежандра утверждает, что
- <math>\left(\frac pq\right)\left(\frac qp\right)
(-1)^\frac{(p-1)(q-1)}4
\begin{cases}1&\text{если}&p\equiv 1\pmod 4&\text{или}&q\equiv 1\pmod 4,\\ -1&\text{если}&p\equiv 3\pmod 4&\text{и}&q\equiv 3\pmod 4,\end{cases} </math> где р и q — различные нечётные простые числа.
Также справедливы следующие дополнения:
- <math>\left(\frac{-1}p\right)
(-1)^\frac{p-1}2
\begin{cases}1&\text{если}&p\equiv 1\pmod 4,\\ -1&\text{если}&p\equiv 3\pmod 4,\end{cases} </math>
- <math>\left(\frac 2p\right)
(-1)^\frac{p^2-1}8
\begin{cases}1&\text{если}&p\equiv \pm1\pmod 8,\\ -1&\text{если}&p\equiv \pm3\pmod 8,\end{cases} </math> и
- <math>\left(\frac ap\right)
= \left(\frac aq\right) \quad \text{если} \quad p\equiv q\pmod{4a}. </math>
Следствия
Шаблон:Нет источников в разделе
- Следующий факт, известный ещё Ферма: простыми делителями чисел <math>x^2 + 1</math> могут быть лишь число 2 и простые числа, принадлежащие арифметической прогрессии
- <math>4k + 1.</math>
- Более того, этот признак является и критерием, то есть сравнение
- <math>x^2 + 1 \equiv 0 \pmod{p}</math>
- по простому модулю <math>p > 2</math> разрешимо в том и только в том случае, когда <math>p \equiv 1 \pmod 4.</math> С помощью символа Лежандра последнее утверждение может быть выражено следующим образом:
- <math>\left(\frac{-1}p\right) = (-1)^\frac{p - 1}2.</math>
- Вопрос о разрешимости сравнения
- <math>ax^2 + bx + c \equiv 0 \pmod{p}</math>
- решается алгоритмом с использованием мультипликативности символа Лежандра и квадратичного закона взаимности.
Примеры использования
- Квадратичный закон позволяет быстро вычислять символы Лежандра. Например
- <math>\left(\frac{983}{1103}\right)
-\left(\frac{1103}{983}\right)
-\left(\frac{120}{983}\right)
-\left(\frac{2}{983}\right)^3\cdot\left(\frac{3}{983}\right)\cdot\left(\frac{5}{983}\right)
\left(\frac{983}{3}\right)\cdot\left(\frac{983}{5}\right)
\left(\frac{2}{3}\right)\cdot\left(\frac{3}{5}\right)
\left(\frac{2}{3}\right)^2 =1</math>
- Следовательно, сравнение
- <math>x^2\equiv 983\pmod{1103}</math>
- имеет решение.
- Если использовать аналог закона взаимности для символа Якоби, то вычисление проходит ещё проще, поскольку более нет необходимости раскладывать числитель символа на простые множители.
- <math>\left(\frac{983}{1103}\right)
-\left(\frac{1103}{983}\right)
-\left(\frac{120}{983}\right)
-\left(\frac{2}{983}\right)^3\cdot\left(\frac{15}{983}\right)
\left(\frac{983}{15}\right)
\left(\frac{8}{15}\right)
\left(\frac{2}{15}\right)^3 =1</math>
История
Формулировка квадратичного закона взаимности была известна ещё Эйлеру в 1783 году[3]. Лежандр сформулировал закон независимо от Эйлера и доказал его в некоторых частных случаях в 1785 году. Полное доказательство было опубликовано Гауссом в «Арифметических исследованиях» (1801 год); впоследствии Гаусс дал ещё несколько его доказательств, основанных на совершенно различных идеях.
Одно из самых простых доказательств было предложено Золотарёвым в 1872 году.[4][5][6]
В дальнейшем были получены различные обобщения квадратичного закона взаимности[7].
Вариации и обобщения
- Квадратичный закон взаимности естественно обобщается на символы Якоби, это позволяет ускорить нахождение символа Лежандра, поскольку более не требует проверки на простоту.
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
- Львовский С. М. Квадратичный закон взаимности Шаблон:Wayback Летняя школа «Современная математика», 2012, г. Дубна
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Euler, Opuscula analytica, Petersburg, 1783.
- ↑ Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Айерленд К., Роузен М. Классическое введение в современную теорию чисел.