勒让德符号相关

  小西瓜最近学了这个东西,并不很懂,就想敲篇日志巩固一下……
     勒让德符号嘛,很有趣(本句扯淡),它呢,跟平方剩余有关:设a,b是两个非零整数,b为素数,我们定义符号:若存在整数x, 使得,那么就记; 否则就记。 当p|a时,=0。(这符号敲起来有点麻烦诶,为方便,下面用(a\b)表示,方向与除号相反)

一些性质:

首先,由欧拉判别条件,显然有(a\b)≡a^((b-1)/2)(mod b)

若a1≡a2 那么(a1\p)=(a2\p),证明显然,套下欧拉判别条件就行。
      显然……(-1\p)=(-1)^((p-1)/2)

  然后,好像想不出什么性质了……

那么进入正题吧,接下来是……高斯引理:
      若p为素数,(a,p)=1,记μ为数列a,2a,3a……,[(p-1)/2]a的最小正剩余中大于(p-1)/2的数个数,那么(a\p)=(-1)^μ,证明(感觉跟费马小定理证明方法有点像):

用r1,r2,r3……rk表示数列中最小正剩余不大于(p-1)/2的数,s1,s2,s3……sμ就是剩下的数,下面证明{r},p-{s}(对{s}中每个数,都对p取差)这两个数列中各数关于模p两两不互余:
     对于处于同一个数列中的数,结论是显然的(参见费马小定理证明)。设,ri≡p-sj(mod p),则p|(ri+sj),记ri=ua,si=va,则p|((v+u)a),由于(a,p)=1,所以p|(v+u),但是v+u<p,这是不可能的,所以得证。

那么显然,数列{r}, p-{s}就变成1,2,3,……,(p-1)/2的一个排列,那么我们把{r},{s}给连乘起来,得到r1*r2*r3……rk*s1*s2*s3……sμ≡(-1)^μ((p-1)/2)!(mod p),即a*2a*3a*……((p-1)/2)a≡(-1)^μ*((p-1)/2)!(mod p),于是a^((p-1)/2)≡(-1)^μ(mod p),于是(a\p)=(-1)^μ。

终于完了……
     高斯引理是个神奇的东西,做题的时候经常可以用到。

高潮到了!接下来是二次互反律(如果说我已经完全懂了,那是在忽悠你) :

设p,q为两个不同奇素数,那么(p\q)(q\p)=(-1)^((p-1)/2+(q-1)/2),前面内容同高斯引理证明,我们接下去讨论:

     记R=Σr ,S=Σs,那么Σr+Σ(p-s)=R+μp-S,由于在证高斯引理的时候已经说过,r1,r2,r3…rk,p-s1,p-s2,...p-sμ是1,2,3,..,(p-1)/2的一个排列,那么(1/2)*((p-1)/2)*((p-1)/2+1)=(p²-1)/8=R+μp-S,然后可以很容易推得R=S-μp+(p²-1)/8。

接下来,考虑所有式子:iq=[iq/p]p+ti(带余除法),如果将这些式子关于i求和,q∑i=pΣ[iq/p]+∑ri+∑si,也就是q(p²-1)/8=pΣ[iq/p]+R+S,将R=S-μp+(p²-1)/8代人,得q(p²-1)/8=pΣ[iq/p]+2S-μp+(p²-1)/8,即(q-1)(p²-1)/8=p(Σ[iq/p]-μ)+2S。

因为(q-1)(p²-1)/8是偶数(q-1是偶数,(p²-1)/8是整数)2S也是偶数,于是Σ[iq/p]-μ必为偶数,从而Σ[iq/p]-μ可得:(-1)^Σ[iq/p]=(-1)^μ=(q\p),由于p,q等价,那么(-1)^Σ[ip/q]=(-1)^μ=(p\q),相乘得到(p\q)(q\p)=(-1)^Σ[iq/p]*(-1)^Σ[ip/q]。

下面证明 Σ[jp/q]+Σ[iq/p]=((p-1)/2+(q-1)/2)。取((p-1)/2)*((q-1)/2)个数,jp-iq,显然其中没有0(反证法),那么考虑其中的正数,对于每个给定的j,满足jp>iq的i共有[jp/q]个,又j小于等于(q-1)/2,所以正数个数为Σ[jp/q],同理,负数个数为Σ[iq/p],于是得证Σ[jp/q]+Σ[iq/p]=((p-1)/2+(q-1)/2),从而(p\q)(q\p)=(-1)^((p-1)/2+(q-1)/2)即二次互反律成立。

二次互反律最先由欧拉提出,由高斯在19 岁时首次证明,现在,二次互反律已有超过200种证明,这是18世纪数论的创举。
      呼,于是乎,今天我在极吵闹的环境下完成了两篇日志,累成DOG……以此纪念我在金中的小高一生涯的开端……

完……

时间: 2024-08-05 15:20:58

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