欧拉准则

更新时间:2023-05-25 18:05

欧拉准则(Euler's Criterion)又称欧拉判别准则,主要用途是判断一个数 n 是否是另一个奇质数 p 的二次剩余

简介

若 p 是奇质数,则有:

n 是模 p 的二次剩余当且仅当:;

n 是模 p 的二次非剩余当且仅当:。

证明

当 时,显然满足上述判别准则。

且模 p 意义下的负数可以转化为正数:,因此我们只需讨论正整数。

对于任意的正整数 n,根据二次剩余的定义,有:n 不是模 p 的二次剩余就是模 p的二次非剩余。

同时因为 p 是奇质数,根据费马小定理,我们有,即 模 p 不是 1 就是 -1。

因此我们只需证明 “n 是模 p 的二次剩余当且仅当:” 即可。

先证充分性,即:n 是模 p 的二次剩余时,。

因为 n 是模 p 的二次剩余,有。

同时根据费马小定理,我们有:,充分性得证。

再证必要性,即:当,n 是模 p 的二次剩余。

假设 g 为模 p 的一个原根,则一定有某个正整数 k 满足 ,因为,所以,因为 g 是原根,所以一定有 ,因此 k 一定是个偶数,从而一定存在一个数 x 满足,此时有 ,所以 n 是模 p 的二次剩余,必要性得证。

综上所述,n 是模 p 的二次剩余是的充要条件,证毕。

举例

例子一:对于给定数,寻找其为二次剩余的模数

令a = 17。对于怎样的质数p,17是模p的二次剩余呢?

根据判别法里给出的准则,我们可以从小的质数开始检验。

首先测试p = 3。我们有:17(3 − 1)/2 = 171 ≡ 2 (mod 3) ≡ -1 (mod 3),因此17不是模3的二次剩余。

再来测试p = 13。我们有:17(13 − 1)/2 = 176 ≡ 1 (mod 13),因此17是模13的二次剩余。实际上我们有:17 ≡ 4 (mod 13),而22 = 4.

运用同余性质和勒让德符号可以加快检验速度。继续算下去,可以得到:

对于质数p =,(17/p) = +1(也就是说17是模这些质数的二次剩余)。

对于质数p =,(17/p) = -1(也就是说17是模这些质数的二次非剩余)。

例子二:对指定的质数p,寻找其二次剩余

哪些数是模17的二次剩余?

我们可以手工计算:

12 = 1

22 = 4

32 = 9

42 = 16

52 = 25 ≡ 8 (mod 17)

62 = 36 ≡ 2 (mod 17)

72 = 49 ≡ 15 (mod 17)

82 = 64 ≡ 13 (mod 17)

于是得到:所有模17的二次剩余的集合是1,2,4,8,9,13,15,16。要注意的是我们只需要算到8,因为9=17-8,9的平方与8的平方模17是同余的:92 = (−8)2 = 82 ≡ 13 (mod 17).(同理不需计算比9大的数)。

但是对于验证一个数是不是模17的二次剩余,就不必将所有模17的二次剩余全部算出。比如说要检验数字3是否是模17的二次剩余,只需要计算3(17 − 1)/2 = 38 ≡ 812 ≡ − 42 ≡ − 1 (mod 17),然后由欧拉准则判定3不是模17的二次剩余。

欧拉准则与高斯引理以及二次互反律有关,并且在定义欧拉-雅可比伪素数(见伪素数)时会用到。

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