(image)

Algebra

2.6 Małe twierdzenie Fermata, twierdzenie Eulera oraz twierdzenie Wilsona

W tym podrozdziale przedstawimy trzy podstawowe twierdzenia elementarnej teorii liczb: małe twierdzenie Fermata, twierdzenie Eulera i twierdzenie Wilsona. Zaczniemy od sformułowania tzw. "Małego Twierdzenia Fermata", którego w tym momencie dowodzić nie będziemy, ale któremu (wraz z wybranymi dowodami) poświęcimy osobną opowieść w aneksie. W tej chwili wykorzystamy fakt, że dziś możemy na niego patrzeć jak na wniosek z ogólniejszego twierdzenia Eulera, choć historycznie rzecz ujmując to MTF było pierwszą udowodnioną własnością. Więcej o tym „małym” wielkim twierdzeniu poczytać można w rozdziale ??.

  • Twierdzenie 2.6.1 ( Małe twierdzenie Fermata=MTF) Niech \(p\in \mathcal {P}\) i \(k\in \Z \).

    • (1) Jeśli \(\nwd (k,p)=1\), to \(k^{p-1}\equiv 1\pmod {p}\).

    • (2) Jeśli \(\nwd (k,p)=p\), to \(k^p\equiv k \pmod {p}\).

Nie prezentujemy dowódu powyższego twierdzenia, gdyż jest ono szczególnym przypadkiem ogólniejszego wyniku uzyskanego przez Eulera (nazywanego również czasem twierdzeniem Eulera-Fermata), które wykorzystuje wprowadzone wcześniej pojęcie funkcji Eulera. Zanim sformułujemy twierdzenie Eulera będzie nam potrzeba jeszcze jedna jedna definicja.

  • Definicja 2.6.2 (układ reszt, zredukowany układ reszt) Niech \(n\in \N \) będzie ustalone. Układem reszt modulo \(n\) nazywamy dowolny \(n\) elementowy zbiór \(U\subset \Z \) o tej własności, że dla dowolnego \(i\in \{0,\ldots ,n-1\}\) istnieje dokładnie jeden element \(u\in U\), że \(i\equiv u\pmod {n}\).

Przykładowo, zbiór \(\{-2,0,1,7\}\) jest układem reszt modulo 4.

  • Definicja 2.6.3 (zredukowany układ reszt) Niech \(n\in \N \) będzie ustalone. Zredukowanym układem reszt modulo \(n\) nazywamy dowolny \(\phi (n)\) elementowy zbiór \(U\subset \Z \) o tej własności, że dla dowolnego \(i\in \{1,\ldots ,n\}, \nwd (i,n)=1\), istnieje dokładnie jeden element \(u\in U\), że \(i\equiv u\pmod {n}\).

Przykładowo, zbiór \(\{-3,-2,1,9\}\) jest zredukowanym układem reszt modulo 5.

Jesteśmy gotowi by sformułować i udowodnić następujące.

  • Twierdzenie 2.6.4 ( Twierdzenie Eulera) Jeśli \(m\in \N \), \(k\in \Z \) oraz \(\nwd (k,m)=1\), to \(k^{\varphi (m)}\equiv 1\pmod {m}\).

  • Dowód. Niech \(U_{m}:=\{a_{1},\ldots ,a_{\varphi (m)}\}\) będzie zredukowanym układem reszt modulo \(m\). Zauważmy, że zbiór \(kU_{m}=\{ka_{1},\ldots ,ka_{\phi (m)}\}\) również jest zredukowanym układem reszt modulo \(m\). Jest to konsekwencja względnej pierwszości liczb \(k\) i \(m\). Oznacza to, że zachodzą związki

    \[ \prod _{i=1}^{\varphi (m)}(ka_{i})=k^{\varphi (m)}\prod _{i=1}^{\varphi (m)}a_{i}\equiv \prod _{i=1}^{\varphi (m)}a_{i}\pmod {m}. \]

    Ponieważ \(\nwd \left (m,\prod _{i=1}^{\varphi (m)}\right )=1\), więc możemy podzielić skrajne strony powyższej kongruencji przez \(\prod _{i=1}^{\varphi (m)}\) otrzymując w efekcie

    \[ k^{\varphi (m)}\equiv 1\pmod {m}. \]

    Na koniec zauważmy, ze jeśli \(m=p\) jest liczbą pierwszą jak w sformułowaniu twierdzeniu Fermata, dostajemy dokładnie tezę tego twierdzenia, gdyż \(\varphi (p)=p-1\).

     □

Nasze wstępne rozważania teorio-liczbowe zakończymy następującym.

  • Twierdzenie 2.6.5 (twierdzenie Wilsona) Liczba \(n\in \N \) jest pierwsza wtedy i tylko wtedy, gdy \((n-1)!\equiv -1\pmod {n}\).

  • Dowód. Jeśli \(n=2\) lub \(n=3\), to teza zachodzi. Załóżmy zatem, że \(n\geq 4\). Jeśli \(n\) jest liczbą złożoną, to jej wszystkie dzielniki znajdują się w zbiorze \(A=\{1,2,\ldots ,n-1\}\). Rzecz jasna \(\nwd ((n-1)!,n)>1\), co oznacza, że kongruencja \((n-1)!\equiv -1\pmod {n}\) jest niemożliwa. Jeśli \(n\) jest liczbą pierwszą, to żadna z liczb \(i\in A\) nie jest dzielnikiem \(n\). Oznacza to, że \(\nwd (i,n)=1\) dla \(i\in A\). W konsekwencji, dla dowolnego \(i\in A\) istnieje dokładnie jedna liczba \(a_{i}\in A\), dla której \(ia_{i}\equiv 1\pmod {n}\). Ponadto \(i=a_{i}\) wtedy i tylko wtedy, gdy \(i=1\) lub \(i=n-1\) (bo \(n\) jest liczbą pierwszą). Oznacza to, że pomijając liczby \(i=1\) oraz \(i=n-1\), zbiór \(\{2,\ldots ,n-2\}\) można ustawić w pary różnych elementów o iloczynie równym 1, co prowadzi nas do kongruencji

    \[ 2\cdot 3\cdot \ldots \cdot (n-2)\equiv 1\pmod {n}. \]

    Mnożąc powyższą kongruencję stronami przez \(n-1\) otrzymujemy

    \[ (n-1)!\equiv n-1\equiv -1\pmod {n}, \]

    co daje drugą część tezy i kończy dowód.  □