Теорема Вильсона
Теорема Вильсона — теорема теории чисел, которая утверждает, что
|
Эта теорема в основном имеет теоретическое значение, поскольку довольно трудно вычислить факториал (p−1)!{displaystyle (p-1)!}. Проще вычислить ap−1{displaystyle a^{p-1}}, поэтому элементарные тесты, определяющие является ли число простым, основаны на теореме Ферма, а не на теореме Вильсона. Например, наибольшее простое число, найденное с использованием теоремы Вильсона, скорее всего — 1099511628401, и даже с умным подходом к расчёту p!{displaystyle p!} потребуется около суток вычислений на процессорах SPARC, а числа с десятками тысяч цифр проходят тест на простоту с использованием теоремы Ферма меньше чем за час. Но, в отличие от малой теоремы Ферма, теорема Вильсона является одновременно необходимым и достаточным условием для простоты.
- Из теоремы следует: p простое тогда и только тогда, когда sin(((p−1)!+1) π/p)=0{displaystyle sin(((p-1)!+1)~pi /p)=0}.
Содержание
1 История
2 Пример
3 Доказательство
3.1 Необходимость
3.2 Достаточность
3.3 Геометрическое доказательство необходимости
4 Применение
5 Обобщение
6 См. также
7 Примечания
8 Литература
История |
Эта теорема впервые была сформулирована Ибн аль-Хайсамом около 1000 г.н.э,[1] и в 1770 году Уоринг сформулировал эту теорему в своём сочинении «Meditationes Algebraicae», опубликованном в Кембридже, он приводит без доказательства теорему Вильсона. По его словам, теорема принадлежит его ученику Вильсону[en]. Доказательство теоремы он опубликовал только в третьем издании своего Medilationes в 1782 году. Первое доказательство теоремы Вильсона было дано в 1771 году Лагранжем[2].
Наконец, Эйлер в «Opusc. Analyt», Т. 1, р. 329 дал доказательство, Гаусс обобщил теорему Вильсона на случай составного модуля. Имеются данные о том, что Лейбниц знал о результате ещё столетием раньше, но он никогда не публиковал его.
Пример |
В таблице посчитаны значения (p − 1)! для p от 2 до 31, а также остаток от деления (p − 1)! на p (остаток от деления m на p обозначается как m mod p). Зелёным цветом выделены простые числа.
p{displaystyle p} | (p−1)!{displaystyle (p-1)!} | (p−1)!modp{displaystyle (p-1)!{bmod {p}}} |
---|---|---|
2 | 1 | 1 |
3 | 2 | 2 |
4 | 6 | 2 |
5 | 24 | 4 |
6 | 120 | 0 |
7 | 720 | 6 |
8 | 5040 | 0 |
9 | 40320 | 0 |
10 | 362880 | 0 |
11 | 3628800 | 10 |
12 | 39916800 | 0 |
13 | 479001600 | 12 |
14 | 6227020800 | 0 |
15 | 87178291200 | 0 |
16 | 1307674368000 | 0 |
17 | 20922789888000 | 16 |
18 | 355687428096000 | 0 |
19 | 6402373705728000 | 18 |
20 | 121645100408832000 | 0 |
21 | 2432902008176640000 | 0 |
22 | 51090942171709440000 | 0 |
23 | 1124000727777607680000 | 22 |
24 | 25852016738884976640000 | 0 |
25 | 620448401733239439360000 | 0 |
26 | 15511210043330985984000000 | 0 |
27 | 403291461126605635584000000 | 0 |
28 | 10888869450418352160768000000 | 0 |
29 | 304888344611713860501504000000 | 28 |
30 | 8841761993739701954543616000000 | 0 |
31 | 265252859812191058636308480000000 | 30 |
Доказательство |
Необходимость
Пусть p — простое.
- Способ 1
Рассмотрим (p−1)!{displaystyle (p-1)!}. Множество ненулевых классов вычетов по простому модулю p по умножению Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }} является группой, и тогда (p−1)!{displaystyle (p-1)!} - это произведение всех элементов группы Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }}. Поскольку Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }} - группа, то для каждого её элемента a{displaystyle a} существует единственный обратный элемент a−1:aa−1≡1(modp){displaystyle a^{-1}:aa^{-1}equiv 1{pmod {p}}}. Соответствие a→a−1{displaystyle ato a^{-1}} разбивает группу на классы: если a=a−1{displaystyle a=a^{-1}} (что равносильно a2=1{displaystyle a^{2}=1}, то есть a∈{1,−1}{displaystyle ain {1,-1}}, поскольку у уравнения второй степени может быть не более двух решений), то класс содержит один элемент a{displaystyle a}, в противном случае класс состоит из двух элементов - {a,a−1}{displaystyle {a,a^{-1}}}. Значит, если класс содержит один элемент a{displaystyle a}, то произведение всех его элементов равно a{displaystyle a}, а если класс содержит 2 элемента, то произведение всех его элементов равно 1. Теперь в произведении (p−1)!{displaystyle (p-1)!} сгруппируем элементы по классам, все произведения по 2-элементным классам просто равны 1:
- (p−1)!≡∏a2=1a⋅∏a2≠1a≡∏a2=1a≡1⋅(−1)≡−1(modp).{displaystyle (p-1)!equiv prod limits _{a^{2}=1}acdot prod limits _{a^{2}neq 1}aequiv prod limits _{a^{2}=1}aequiv 1cdot (-1)equiv -1{pmod {p}}.}
■
- Способ 2
Группа Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }} циклична, т. е. существует элемент g{displaystyle g} такой, что для всякого элемента a{displaystyle a} существует k{displaystyle k} такое, что a=gk{displaystyle a=g^{k}}. Поскольку Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }} имеет p−1{displaystyle p-1} элемент, то k{displaystyle k} пробегает значения от 0 до p−1{displaystyle p-1}, когда a{displaystyle a} пробегает всю группу вычетов.
Тогда
- (p−1)!≡g1g2…gp−1≡g1+2+…+(p−1)=gp−12p≡(−1)p≡−1(modp).{displaystyle (p-1)!equiv g^{1}g^{2}ldots g^{p-1}equiv g^{1+2+ldots +(p-1)}=g^{{frac {p-1}{2}}p}equiv (-1)^{p}equiv -1{pmod {p}}.}
■
- Способ 3
Zp×{displaystyle mathbb {Z} _{p}^{times }} - поле, поэтому в нем имеет место теорема Безу, т. е. многочлен степени n{displaystyle n} имеет не более n{displaystyle n} корней. Рассмотрим многочлены f(x)=(x−1)…(x−(p−1)){displaystyle f(x)=(x-1)ldots (x-(p-1))} и g(x)=xp−1−1{displaystyle g(x)=x^{p-1}-1}. Оба многочлена имеют корни 1,2,…,p−1{displaystyle 1,2,ldots ,p-1} (для g(x){displaystyle g(x)} это получается по малой теореме Ферма), степени многочленов равны p−1{displaystyle p-1}, старшие коэффициенты одинаковы. Тогда многочлен h(x)=f(x)−g(x){displaystyle h(x)=f(x)-g(x)} имеет как минимум те же p−1{displaystyle p-1} корней, но его степень не более p−2{displaystyle p-2}. Значит по теореме Безу h(x){displaystyle h(x)} тождественно равен нулю, т. е. для всех x{displaystyle x} будет f(x)=g(x){displaystyle f(x)=g(x)}, в частности f(0)=g(0){displaystyle f(0)=g(0)}, что равносильно (−1)p−1(p−1)!≡−1(modp){displaystyle (-1)^{p-1}(p-1)!equiv -1{pmod {p}}}. Получаем утверждение теоремы для p>2{displaystyle p>2}, т. к. p−1{displaystyle p-1} четно и значит (−1)p−1=1{displaystyle (-1)^{p-1}=1}.■
Достаточность
Если p{displaystyle p} составное и p≠4{displaystyle pneq 4}, то (p−1)!≡0(modp){displaystyle (p-1)!equiv 0{pmod {p}}}, а при p=4{displaystyle p=4} получаем (4−1)!≡2(mod4){displaystyle (4-1)!equiv 2{pmod {4}}}.
Геометрическое доказательство необходимости
- Пусть p — простое число. Перенумеруем вершины правильного p-угольника в порядке обхода контура: 1, 2, 3, ..., p. Если соединим их диагоналями последовательно через одну, потом через две, через три и т. д., то кроме правильного многоугольника 123..., получим ещё (p − 2) многоугольников 135..., 147..., 159... и т. д. Эти (p − 1) многоугольников попарно тождественны, так как при соединении вершин через k и через (p − k − 2) получаем тождественные многоугольники. Число различных правильных многоугольников, полученных этим путём, равно (p−1)/2{displaystyle (p-1)/2}:
- Если соединим вершины в каком-либо другом порядке, например в порядке 13245..., то получим неправильный многоугольник; повертывая этот многоугольник так, чтобы номера его вершин заменялись следующими по порядку числами (число p заменяется при этом единицей), получим p неправильных многоугольников. В вышеуказанном примере это будут многоугольники 13245..., 24356..., 35467..., ..., 2134... Если таким путём образуем все возможные неправильные многоугольники, то число их будет кратно p, но, как и в случае правильных многоугольников, они по два тождественны; именно две последовательности вершин, прямая и обратная, дают один и тот же многоугольник.:
- Если в последовательности вершин 123... сделать все возможные перестановки (p − 1) вершин 23..., то получим все возможные (правильные и неправильные) многоугольники; их число будет равно 1⋅2⋅3⋯(p−1)=(p−1)!′{displaystyle 1cdot 2cdot 3cdots (p-1)=(p-1)!'}; они опять будут попарно тождественны, так что действительное их число (p−1)!/2{displaystyle (p-1)!/2}:
- Сопоставляя результаты из пунктов 1 и 3, видим, что число неправильных многоугольников будет равно: 1/2(p−1)!−1/2(p−1)=1/2((p−1)!+1−p){displaystyle 1/2(p-1)!-1/2(p-1)=1/2((p-1)!+1-p)}. Из пункта 2, это число должно делиться на p; следовательно (p − 1)! + 1 кратно p.:■
Применение |
- Используем теорему Вильсона
- 1⋅2⋯(p−1)≡−1(modp).{displaystyle 1cdot 2cdots (p-1)equiv -1{pmod {p}}.}
Для нечётного простого p = 2m + 1, получаем
- 1⋅(p−1)⋅2⋅(p−2)⋯m⋅(p−m)≡1⋅(−1)⋅2⋅(−2)⋯m⋅(−m)≡−1(modp).{displaystyle 1cdot (p-1)cdot 2cdot (p-2)cdots mcdot (p-m)equiv 1cdot (-1)cdot 2cdot (-2)cdots mcdot (-m)equiv -1{pmod {p}}.}
В результате
- ∏j=1mj2≡(−1)m+1(modp).{displaystyle prod _{j=1}^{m}j^{2}equiv (-1)^{m+1}{pmod {p}}.}
Мы можем использовать этот факт для доказательства известного результата: для любого простого p, такого что p ≡ 1 (mod 4) число (−1) является квадратом (квадратичный вычет) по модулю p. Действительно, пусть p = 4k + 1 для некоторого натурального k. Тогда m = 2k, следовательно
- (∏j=12k j)2=∏j=12kj2≡(−1)2k+1=−1(modp).{displaystyle {biggl (}prod _{j=1}^{2k} j{biggr )}^{2}=prod _{j=1}^{2k}j^{2}equiv (-1)^{2k+1}=-1{pmod {p}}.}
Теорема Вильсона используется для генерирования простых чисел, но она слишком медленная для практического применения.
Обобщение |
Используя в качестве образца теорему Эйлера, попытаемся обобщить теорему Вильсона на случай p = n, где n — произвольное натуральное число. Простая замена (p − 1)! на произведение n1n2…nk всех чисел, меньших n и взаимно простых с n, не проходит: в случае n = 8 это произведение равно 1 × 3 × 5 × 7 = 105, а 106 на 8 не делится. Но оказывается, что или n1n2…nk + 1, или n1n2…nk − 1 обязательно делится на n.
Рассмотрим множество En чисел, меньших n и взаимно простых с n. Под произведением двух элементов этого множества ab, будем понимать остаток от деления обычного произведения ab на n. Ясно, что если a, b принадлежит En, то ab принадлежит En. Множество En относительно операции умножения является группой. В отличие от случая, когда n — простое, группа En может содержать элементы, не равные 1 и (n − 1) такие, что их квадрат равен 1: например если n = 8, то 3 × 3 = 1, 5 × 5 = 1, 7 × 7 = 1. Поэтому в общем случае произведение всех элементов из En не равно (n − 1). Покажем, что тогда оно равно 1.
Назовем элемент a группы En особым, если aa = 1. В этом случае элемент n − a — тоже особый. Следовательно, группа En содержит чётное число особых элементов: (a, n − a) — множество таких элементов, и никакой элемент не может быть парой сам для себя. Пусть n1, n2, …, nk — все элементы группы En, то есть полный набор чисел, меньших n и взаимно простых с n.
Множество элементов, не являющихся особыми, разбивается на пары взаимно обратных, поэтому произведение таких элементов равно 1. С другой стороны, произведение особых элементов, составляющих пару (a, n − a), равно n − 1. Поскольку (n − 1)(n − 1) = 1, то произведение всех особых элементов равно 1 или n − 1, в зависимости от того, чётным или нечётным является число пар вида (a, n − a).■
Впервые теорема была доказана и обобщена Гауссом, при любом n > 2 для произведения всех натуральных чисел, не превосходящих n и взаимно простых с n, имеет место сравнение:
- ∏k=1(k,n)=1nk≡{−1(modn),n=4,pα,2pα;1(modn),n≠4,pα,2pα,{displaystyle prod _{k=1 atop (k,n)=1}^{n}!!kequiv {begin{cases}-1{pmod {n}},&n=4,;p^{alpha },;2p^{alpha },;\;;,1{pmod {n}},&nneq 4,;p^{alpha },;2p^{alpha },,end{cases}}}
где p{displaystyle p} — нечётное простое число, α{displaystyle alpha } — натуральный показатель.
См. также |
- Мультипликативная группа кольца вычетов
- Теорема Вольстенхольма
- Число Вильсона
- Функция распределения простых чисел
Примечания |
↑ Джон Дж. О’Коннор и Эдмунд Ф. Робертсон. Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (англ.) — биография в архиве MacTutor.
↑ Joseph Louis Lagrange, «Demonstration d’un théorème nouveau concernant les nombres premiers» (Proof of a new theorem concerning prime numbers), Nouveaux Mémoires de l’Académie Royale des Sciences et Belles-Lettres (Berlin), vol. 2, pages 125—137 (1771)
Литература |
Бухштаб А. А. Теория чисел, 2-е издание, М., 1966
Трост Э. Простые числа, пер. с нем., М., 1959- Виноградов И. М. Основы теории чисел. — 5 изд.. — М.-Л.: Гостехиздат, 1952.
R. Crandall, K. Dilcher and C. Pomerance The Prime Glossary (англ.)
Ore, O. Number Theory and its History. McGraw-Hill, 1948.
Бончковский Р. Н. и Чистяков И. И. Математическое просвещение, выпуск 01
Для улучшения этой статьи желательно: |