Русская Википедия:Квадратичный закон взаимности

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

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).

Пояснения:
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

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Внешние ссылки

  1. Шаблон:Книга
  2. Шаблон:Книга
  3. Euler, Opuscula analytica, Petersburg, 1783.
  4. Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
  5. Шаблон:Статья
  6. Шаблон:Статья
  7. Айерленд К., Роузен М. Классическое введение в современную теорию чисел.

Шаблон:Выбор языка