初等数论入门 Lesson 8 二次剩余与二次互反律

二次剩余

Quadratic Residue

pp 为奇素数,且 p∤ap\not\mid a 给定

x2a(modp)x^2\equiv a \pmod p

xx 存在,则称 aa 是模 pp二次剩余(QR),否则是二次非剩余(QNR)

勒让德符号

Lengendre 符号

定义:

(ap)={1,pa 且 a 是模 p 的二次剩余1,pa 且 a 是模 p 的二次非剩余0,pa\left(\frac{a}{p}\right)= \begin{cases} 1, & p\nmid a \text{ 且 } a \text{ 是模 } p \text{ 的二次剩余} \\ -1, & p\nmid a \text{ 且 } a \text{ 是模 } p \text{ 的二次非剩余} \\ 0, & p\mid a \end{cases}

满足以下性质:

  • 周期性 / 可模约:

    (ap)=(amodpp)\left(\frac{a}{p}\right) = \left(\frac{a \bmod p}{p}\right)

  • 完全积性

    (abp)=(ap)(bp)\left(\frac{ab}{p}\right) = \left(\frac{a}{p}\right)\left(\frac{b}{p}\right)

欧拉判别法

Euler’s Criterion

(ap)ap12(modp)\boxed{\left(\dfrac a p\right)\equiv a^{\frac {p-1}2}\pmod p}

由费马小定理:

ap11(modp)a^{p-1}\equiv 1\pmod p

因此 ap12a^{\frac {p-1}2} 只能是1或-1.

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高斯引理

(ap)=(1)n,  n={ka}k=1(p1/2)>p2的个数\left(\frac a p\right)=(-1)^n,\;n=\{ka\}_{k=1}^{(p-1/2)}中>\frac p 2的个数

二次互反律

p,qp,q两个不同的奇素数,则:

(pq)(qp)=(1)p12q12\left(\frac p q\right)\left(\frac q p\right)=(-1)^{\frac {p-1}2\cdot\frac{q-1}2}

雅克比符号

Jocobi 符号

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性质:

  • 完全积性

  • 周期性

  • 互反律

  • -1的符号:

    (1p)=(1)p12={1,p1(mod4)1,p3(mod4)\left(\frac{-1}{p}\right) = (-1)^{\frac{p-1}{2}} = \begin{cases} 1, & p \equiv 1 \pmod{4} \\ -1, & p \equiv 3 \pmod{4} \end{cases}

  • 2的符号:

    (2p)=(1)p218\left(\frac 2 p\right)=(-1)^{\frac{p^2-1}8}

    p±1(mod8)p\equiv \pm 1\pmod 811p±3(mod8)p\equiv \pm 3\pmod 81-1

只要利用周期性+互反律+完全积性+(-1)与2的符号,就可以计算出大量的雅可比符号了。

二次同余方程求解

求解:

x2a(modp)x^2 \equiv a \pmod{p}

情况1:

p3(mod4)p \equiv 3 \pmod{4}(ap)=1\left(\dfrac{a}{p}\right) = 1,则

x±ap+14(modp)x \equiv \pm a^{\frac{p+1}{4}} \pmod{p}

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情况2:p1(mod4)p\equiv 1\pmod 4

用Tonelli-Shanks算法求解