2015-06-24
3788
Группы чисел, рассматриваемых по модулю
Рассмотрим аддитивные и мультипликативные группы из теории чисел по модулю m.
Определение 2. 3. 1. Целые числа а и b называются сравнимыми по модулю т, если при делении на т они дают одинаковые остатки.
Обозначение: а 
b (mod т).
Замечания 1. Данное определение эквивалентно следующим: «Целые числа а и b называются сравнимыми по модулю т, если (а - b) 
т»; «Целые числа а и b называются сравнимыми по модулю т, если (
k 
Z) а-b= п · к».
2. Легко доказать следующие свойства сравнений:
1) (рефлексивность)(
a Z) a а (mod т);
2) (симметричность) ( а, b Z) a b (mod т) 
b a (mod m);
3) (транзитивность)( a, b, c Z) a b (mod m) и b c (mod m) a c (mod m).
Таким образом, отношение «сравнимости по модулю т» является отношением эквивалентности и разбивает множество всех целых чисел на классы эквивалентности, называемые классами вычетов по модулю т.
Определение 2. 3. 2. Множество целых чисел, которые при делении на число т дают одинаковые остатки, называется классом вычетов по модулю т.
Обозначение: Zm = { 
} - множество классов вычетов по модулю т.
Пример. Z 5 = { 
} - множество классов вычетов по модулю 5.
Определение 2. 3. 3. Суммой (произведением) классов вычетов 
и 
по модулю т называется класс вычетов 
(
) по модулю т, то есть класс чисел, содержащий число а + b (а ∙ b).
Пример. Пусть Z 6 = { 
} - множество классов вычетов по модулю 6.
1. Вычислим сумму: 
2. Вычислим произведение: 
Поскольку каждый класс вычетов по модулю т содержит бесконечное множество чисел, то при сложении (умножении) классов вычетов и по модулю т, числа а и b можно заменять любыми числами а 1 и b 1,принадлежащими этим же классам вычетов по модулю т.
Теорема 2. 3. 1. Сумма (произведение) классов вычетов по модулю т определяется однозначно и не зависит от выбора отдельных представителей классов вычетов по модулю т, используемых при составлении суммы (произведения).
Доказательство. 1. Пусть а 1 , b 1 , то а a (mod т), b 1 b (mod т). Сравнения по одному и тому же модулю можно почленно складывать, поэтому а 1 + b 1 a + b (mod т). Поскольку = 
a b (mod т), получаем 
, следовательно, 
. Таким образом, сумма классов вычетов по модулю т не меняется от замены а и b числами а 1 и b 1.
Сумма классов вычетов и по модулю т содержит сумму любых чисел а 1 и b 1, таких что а 1 , b 1 .
И наоборот, любое с + можно представить в виде с = а 1+ b 1, где а 1 , b 1 .
Действительно, с 
означает, что с а + b (modт), тогда с - а b (mod т), с-а , то есть с можно представить в виде с = а 1 + b 1, где а 1 =а а, b 1 = с - а b.
2. Аналогично теорема доказывается для произведения классов вычетов.
Теорема 2. 3. 2. < Zm, +> - группа.
Доказательство. Учитывая результат теоремы 2.3.1, заметим, что операция сложения определена корректно и является бинарной алгебраической на множестве Zm. Остается проверить выполнимость аксиом аддитивной группы.
1) ассоциативность операции сложения в Zm выводится из ассоциативности сложения целых чисел:
( , , 
Zm) 
.
2) (существование нулевого элемента)
Роль нулевого элемента выполняет класс 
Zm. Действительно:
( Zm) + = + = .
3) (существование для каждого элемента противоположного ему)
Для класса Zm противоположным классом является класс 
Zm, то есть класс, содержащий число (- а). Действительно, 
.
Таким образом, < Zm, + > - группа. Теорема доказана.
Пример. < Z 6 = { 
}, +> -группа.
Замечание. Легко доказать, что < Zn, +, ∙ > - коммутативное кольцо. Оно называется кольцом классов вычетов по модулю т.
Обозначим Zp * = Zp \ {0} - множество ненулевых классов вычетов по простому модулю р.
Теорема 2. 3. 3. Пусть р - простое число. < Zp *, •> - группа.
Доказательство. Рассмотрим Zp * ={ 
}множество
ненулевых классов вычетов по простому модулю р с операцией умножения
( , Zp *) 
, 
Учитывая результат теоремы 2.3.1. заметим, что данная операция определена корректно и является бинарной алгебраической на множестве Zp *. Остается проверить выполнимость аксиом мультипликативной группы.
1) ассоциативность операции умножения в Zp * выводится из ассоциативности умножения целых чисел:
( , , Zp *) 
.
2) (существование единицы). Очевидно, что роль единицы выполняет класс 
Zp *. Действительно, ( Zp *) 
.
3) (существование для каждого элемента ему обратного). Пусть Zp *. Очевидно, что 1 
а р, поэтому (а, р) = 1. Отсюда по теореме о линейном разложении НОД найдутся x, y Zp * такие, что ах + рх = 1. Тогда 
или 
, так как 
, т.е. 
Zp * есть вычет обратный к .
Примеры: 1. Z 3* = { 
}. Умножение в Z 3* зададим таблицей Кэли:
| · | |  |
| | | |
| | | |
Из таблицы ясно, что: ()-1 = , ()-1 = .
2. Z 5 * = { 
} Умножение в Z 5 * зададим таблицей Кэли:
| | |  | | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
Доказательство некоторых теорем теории чисел
теоретико-групповыми методами
Теорема 2. 3. 4. Если Zp, то 
Доказательство. По теореме 2. 3. 3 < Z p *, ·> — группа, | Z p *| = р- 1. Согласно следствия из теоремы Лагранжа, имеем: (
Z p *) | Z p *| | |. Обозначим | | = т. Получим (р-1) m, т.е. 
= m · d, d N. Но () m = , поэтому 
. Домножим обе части равенства 
на , получим 
. Последнее равенство верно и для класса = . Итак, ( Z p) .
Следствие 2. 3. 5. (Теорема Ферма). Пусть р - простое число, а N, тогда ар a ( mod т).
Доказательство непосредственно следует из предыдущей теоремы, так как 
( mod т).
Теперь рассмотрим множество классов вычетов по модулю т, где число т не обязательно простое.
Лемма 2. 3. 6. Числа а и от взаимно просты тогда и только тогда, когда класс вычетов по mod т обратим в Zm (т.е. (а, т) = 1 ( Zm) · = .
Доказательство. 1. Если а и т взаимно просты, то ab + mc = 1 для некоторых целых чисел b, с (по теореме о линейном разложении НОД). Переходя к классам вычетов по модулю т, получаем
= · + 
· = · + · = · .
2. Если · = , то a · b l (mod m), откуда и следует взаимная простота чисел а и т.
Примеры: 1. Среди классов вычетов по модулю 12 обратимы в Z 12 классы вычетов, соответствующие натуральным числам меньшим 12 и взаимно простым с 12: { 
}, здесь 
2. Вычислим 
в Z 5. НОД (3, 5) = 1, так что класс существует.
Чтобы его найти, представим 1 в виде:
1= 3 b + 5 c, где a, b Z. (1)
Переходя к классам вычетов по модулю 5, получим:
= 
· + · = · + · = · , = .
Представление (1) можно найти с помощью алгоритма Евклида для чисел 5 и 3. Итак, 5= 3 · 1 + 2, 3= 2 · 1 + 1, 2= 2 · 1. НОД (5, 3)= 1= 3 - 2 · 1; 2= 5-3· 1, поэтому 1 = 3 - 2 · 1= 3 - (5 - 3) = 3 · 2 + 5 · (-1); = = .
Теорема 2. 3. 7. Пусть Zm * - множество классов вычетов по модулю т, соответствующих натуральным числам меньшим п и взаимно простым с т. Тогда < Zm *,·> - группа.
Доказательство. Опираясь на свойство взаимно простых чисел (если (а, т) = 1 и (b, т) = 1, то (а · b, т) = 1 и равносильность (a · b, m) = 1 класс 
обратим, (см. лемму 2. 3. 6.) легко доказать, что умножение является бинарной алгебраической операцией в Zm *. Ассоциативность проверяется аналогично п. 1) доказательства теоремы 2. 3. 3. Класс Zm играет роль единицы в Zm *. Обратимость элементов в Zm * следует из леммы 3. 5. 6.
Определение 2. 3. 4. Количество натуральных чисел, меньших т и взаимно простых с т называется функцией Эйлера (и обозначается 
(т)).
Замечание. Очевидно, что | Zm * | = (т).
Теорема 2. 3. 8. (Теорема Эйлера) Пусть (а, т) = 1, (а, т N). Тогда
a 
(mod m).
Доказательство. Пусть Zm *. Имеем: | Zm * | | |, но | Zm * | = (т),поэтому (т): | | или (т) = | | · k (при некотором натуральном k). Тогда
() 
= () 
= () k = . Равенство () = эквивалентно условию а 1(mod m). Теорема Эйлера доказана.
Теорема Эйлера доставляет еще один способ вычисления обратного класса 
: если а и т взаимно просты, то = 
.
Пример. Вычислим класс 
в Z 11. НОД (5, 11) = 1, так что класс существует. (11) = 10, поэтому = 
. Далее 52 =25 3 (mod 11)., возведем обе части сравнения в 4-ую степень:
58 34 = 81 4 (mod 11), 59 5 · 4 = 20 9 (mod 11). Итак, = 
.
Теорема 2. 3. 9. Кольцо классов вычетов < Z m, +, · > является полем тогда и только тогда когда т - простое число.
Доказательство. Zт - коммутативное кольцо. Оно является полем, если содержит более одного элемента (т.е. т > 1), и для каждого ненулевого элемента в Zm существует обратный.
Если т - простое число, то все числа 1, 2,..., т - 1 взаимно просты с т, поэтому для каждого из ненулевых классов , ,..., 
существует обратный класс. Итак, в случае простого т кольцо Zm - поле.
Пусть т - составное число, т = ab, 1 < а < т. Тогда 
(а не делится на т) и НОД (а, т) = а 1, т. е. не существует обратного класса , и поэтому Zm не является полем. Теорема доказана.
Теорема 2. 3. 10. (Теорема Вильсона). Натуральное число т 1 является простым тогда и только тогда, когда справедливо следующее сравнение:
(m - 1)! + 1 0 (mod m).
Доказательство. Очевидно, что для составного числа т данное сравнение неверно. При т = 2 сравнение верно.
Пусть дано нечетное простое число т. В группе Zm *={ , ,..., } только последний элемент имеет порядок 2. Поэтому все неединичные элементы, кроме , разбиваются на пары взаимно обратных элементов. Следовательно, перемножая все элементы этой абелевой группы, мы получим ! = 
. Переходя от классов вычетов по модулю т к целым числам, получим требуемое сравнение.
Лемма 2. 3. 11. Zm × Zn 
Zmn (m, п) = 1.
Доказательство. 1. Пусть g — образующий элемент в группе Zm,a h - образующий элемент в группе Zn и пусть r - порядок элемента ( g, h) в группе Zm × Zn. Так как ( g, h) mn = (gmn, hmn) = (e 1, e 2), то r mn. А так как (gr, hr) = (g, h) r = (e 1, e 2), то r делится на m и на n. Если т и п взаимно просты, то получаем, что r = тп и (g, h) - образующий в группе Zm × Zn. Следовательно, Zm × Zn = Zmn.
2. Если m и n не взаимно просты, то для их наименьшего общего кратного k имеем k < mn. Пусть k = mk 1 и k = nk 2. Если g и h – произвольные элементы групп Zm и Zn, то gm = e 1, hn = e 2. Поэтому
(g, h) k = (gmk1, hnk2) = (e1, e2).
Так как k < mn, то получаем, что в этом случае в группе Zm × Zn нет элементов порядка mn и, следовательно, группы Zm × Zn и Zm не изоморфны.
Теорема 2. 3. 12. (Теорема о мультипликативности функции Эйлера) (m · n) = (m) · (n) для любых взаимно простых натуральных чисел m и n.
Доказательство.
(m n) = | Z * mn | = |(Zm × Zn)*| = | Z * m × Z * n | = | Z * m | · | Z * n | = (m) · (n)
Здесь мы воспользовались тем, что | Z * mn | = (m · n), | Z * m | = (m), | Z*n | = (n) и применим лемму 2. 3. 11.
