平方剩余(二次剩余)

平方剩余:
设p是奇素数(即大于2的素数),如果二次同余式    \ x^{^{2}} \equiv a \ mod\ p , gcd(a,p)=1有解,则a称为模p的平方剩余,否则a称为模p的平方非剩余(二次非剩余)(之所以规定p是大于2的素数,是因为p = 2时解上面的二次同余式非常容易。
求出p = 5,7时的平方剩余和平方非剩余.
解 p = 5时,因为
\\1^2\equiv 1(mod\5)\quad2^2\equiv 4(mod\5)\\ 3^2\equiv4(mod\5) \quad4^2\equiv1(mod\5)
p = 7时,因为
\\1^2 \equiv 1(mod\7) \quad 2^2\equiv4(mod\7)\quad3^2\equiv2(mod\7)\\ 4^2 \equiv2(mod\7)\quad5^2\equiv4(mod\7)\quad6^2\equiv1(mod\7)
所以1,4是模5的平方剩余,而2,3是模5的平方非剩余
而且对于平方剩余还存在多解x.(对于为什么取p的完全剩余系中数的x^2,因为p的完全剩余系中就包括了模p的所有可能结果)

模p的简化剩余系中,平方剩余的个数:
设p是奇素数.在模p的简化剩余系中,有(p-1)/2 个平方剩余, (p-1)/2 个平方非剩余.
证明: 取模p的最小绝对简化剩余系
-\frac{p-1}{2}, (\frac{p-1}{2}+1) ,...-2,-1,1,2,... \frac{p-1}{2}-1,\frac{p-1}{2}
则模p的全部平方剩余为
(-\frac{p-1}{2})^2,[-(\frac{p-1}{2}+1)]^2,....,(-2)^2,(-1)^2,1^2,2^2,...,(\frac{p-1}{2}-1)^2,(\frac{p-1}{2})^2
因为(-a)^2\equiv a^2(mod \ p)
于是模p的全部平方剩余为
1^2,2^2,...(\frac{p-1}{2}-1)^2, (\frac{p-1}{2})^2
现在证明这个 \frac{p-1}{2} 平方剩余两两不同,用反证法.
假设i^2 \equiv j^2(mod \ p) \quad i\neq j,1\leqslant\ i,j \leqslant \frac{p-1}{2}
就有(i+j)(i-j)\equiv 0(mod\ p), (p \mid (i-j)(j+i))
因为p是素数,在i\neq j,1\leqslant\ i,j \leqslant \frac{p-1}{2}时,p \mid (i-j)或者p \mid (j+i)都是不成立的。
 所以所以在模p的简化剩余系中,有\frac{p-1}{2}个平方剩余,同时有 \frac{p-1}{2}个平方非剩余.

求模p的平方剩余时,就可以只计算下列数了:
1^2,2^2,...(\frac{p-1}{2}-1)^2, (\frac{p-1}{2})^2\ (mod\ p)
就可以求出来全部的平方剩余解。

求出p = 11,时的平方剩余和平方非剩余.
解 p = 11时:
\\1^2\equiv 1(mod\11)\quad2^2\equiv 4(mod\11)\\ 3^2\equiv9(mod\11) \quad4^2\equiv5(mod\11)\quad 5^2\equiv3(mod\11)
则全部的解就是1,3,4,5,9

判定一个数a是模p的平方剩余解的充要条件,(p是奇素数)(欧拉判别法)
       a^\frac{p-1}{2}\equiv 1(mod\ p)
a是模p平方非剩余充要条件
      a^\frac{p-1}{2}\equiv -1(mod\ p)


勒让德符号:
设p是奇素数,a是整数.勒让德(Legendre)符号定义如下:
  \left ( \frac{a}{p} \right )= \begin{Bmatrix} 1 ,&-1 , &0 \end{Bmatrix}  
集合里面的数值代表1:a是模p的平方剩余,-1:a是模p的平方非剩余,0:a可以被p整除a\mid p
勒让德符号\left ( \frac{a}{p} \right ) \equiv a^\frac{p-1}{2}mod\ p的性质:
a. \left ( \frac{1}{p} \right ) =1,\left ( \frac{-1}{p} \right )=(-1)^\frac{p-1}{2}即:对于任何素数p,1肯定是p的平方剩余,当p是奇素数(除2外)的时候 -1 也是模p的平方剩余
b. 由a\equiv b(mod\ p) \Leftrightarrow \left ( \frac{a}{p}\right ) =\left ( \frac{b}{p} \right )
c.\left ( \frac{a+kp}{p} \right )=\left ( \frac{a}{p} \right )
d.gcd(a,p)=1,\Rightarrow \left ( \frac{a^2}{p} \right )=1
e.\left ( \frac{a_1a_2...a_n}{p} \right )=\left ( \frac{a_1}{p} \right )\left ( \frac{a_2}{p} \right )...\left ( \frac{a_n}{p} \right )
f.\left ( \frac{2}{p} \right )=(-1)^\frac{p^2-1}{8}
资料:https://wenku.baidu.com/view/d7a28a53b0717fd5370cdc4a.html

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