定义

同余方程

对正整数 和一元整系数多项式 ,其中未知数 ,称形如

的方程为关于未知数 的模 的一元 同余方程(Congruence Equation).

若 ,则称上式为 次同余方程.

类似可定义同余方程组.

关于一次同余方程与方程组的相关内容请参见 线性同余方程 与 中国剩余定理.

本文首先研究同余方程的可解性和解集结构,之后会简要介绍高次同余方程的解法.

由 中国剩余定理 可知,求解关于模合数 的同余方程可转化为求解模素数幂次的情况.故以下只介绍素数幂模同余方程和素数模同余方程的相关理论.

素数幂模同余方程

以下假设模数 .

注意到,若 是方程

的解,则 是方程

的解.这启发我们尝试通过较低的模幂次的解去构造较高的模幂次的解.我们有如下定理:

定理 1(Hensel 引理)

对素数 和整数 ,取整系数多项式 ,令 为其导数.令 为方程

的解,则:

  1. 若 ,则存在整数 使得

    是方程

    的解.

  2. 若 且 ,则对 ,由式 确定的 均为方程 的解.

  3. 若 且 ,则不能由式 构造方程 的解.

证明

我们假设式 是方程 的解,即

整理后可得

于是

  1. 若 ,则关于 的方程 有唯一解 ,代入式 可验证其为方程 的解.
  2. 若 且 ,则任意 均能使方程 成立,代入式 可验证其均为方程 的解.
  3. 若 且 ,则方程 无解,从而不能由式 构造方程 的解.

进而我们有推论:

推论 1

对 定理 1 的 ,,,,

  1. 若 是方程 的解,且 ,则存在 , 使得 是方程 的解.
  2. 若方程 与 无公共解,则方程 和方程 的解数相同.

从而我们可以将素数幂模同余方程化归到素数模同余方程的情况.

素数模同余方程

以下令 ,整系数多项式 ,其中 ,.

定理 2

若方程

有 个不同的解 ,则

其中 且 .

证明

对 应用数学归纳法.

  • 当 时,做多项式带余除法,有 ,其中 .

    由 可知 ,从而 .

  • 假设命题对 () 时的情况成立,现在设 有 个不同的解 ,则 ,进而有

    从而 有 个不同的解 ,由归纳假设有

    其中 且 .

    因此命题得证.

推论 2

对素数 ,

  • .
  • (Wilson 定理).

定理 3(Lagrange 定理)

方程 至多有 个不同解.

证明

假设 有 个不同解 ,则由 定理 2,对 有

令 ,则

而右侧显然不是 的倍数,因此假设矛盾.

推论 3

若同余方程 的解数大于 ,则

定理 4

方程 若解的个数不为 ,则必存在满足 的整系数多项式 使得 和 的解集相同.

证明

不妨设 ,对 做多项式带余除法

其中 .

由 Fermat 小定理 知对任意整数 有 ,从而

  • 若 ,则由 推论 2 可知 有 个不同的解.
  • 若 ,则由 可知 和 的解集相同.

我们可以通过这个定理对同余方程降次.

定理 5

设 ,则方程

有 个解当且仅当存在整系数多项式 , 使得

证明

  • 必要性:由多项式除法知存在整系数多项式 , 使得

    若方程 有 个解,则 也有 个相同的解,进而由 推论 3 可知存在整系数多项式 满足 ,从而命题得证.

  • 充分性:若式 成立,则由 Fermat 小定理 可知,对任意整数 ,

    即方程 有 个解.

    设方程 的解数为 ,则由 Lagrange 定理 可知 .

    又由于 ,则由 Lagrange 定理 可知 的解数不超过 ,而方程 的解集是 解集和 解集的并集,故 ,有 .

    因此 .

对于非首一多项式,由于 是域,故可以将其化为首一多项式,从而适用该定理.

定理 6

设 ,,则方程

有解当且仅当

而且,若 有解,则解数为 .

Note

方程 解集的具体结构可参见 k 次剩余.

证明

  • 必要性:若方程 有解 ,则

  • 充分性:若 ,则

    其中 是某个整系数多项式,因此由 定理 5 可知方程 有 个解.

高次同余方程(组)的求解方法

首先我们可以借助 中国剩余定理 将求解 同余方程组 转为求解 同余方程,以及将求解模 合数 的同余方程转化为求解模 素数幂次 的同余方程.之后我们借助 定理 1 将求解模 素数幂次 的同余方程转化为求解模 素数 的同余方程.

结合模素数同余方程的若干定理,我们只需考虑方程

的求法,其中 是素数,.

我们可以通过将 代换为 来消去 项,从而我们只需考虑方程

的求法,其中 是素数,.

参考资料

  1. Congruence Equation — from Wolfram MathWorld
  2. Lagrange’s theorem (number theory) - Wikipedia
  3. 潘承洞,潘承彪.初等数论.
  4. 冯克勤.初等数论及其应用.
  5. 闵嗣鹤,严士健.初等数论.