剩余类、剩余系、完全剩余系和简化剩余系

剩余类(同余类)

定义

给定一个正整数 \(n\),把所有整数根据模 \(n\) 的余数 \(r\in[0,n-1]\) 分为 \(n\) 类,每一类数都是诸如 \(C_r=n*x+r,\ x\in Z\) 的形式,这样的一类数所构成的一个集合称为模 \(n\) 的剩余类。

例如我们取 \(n=1145,\ r=14\),则 \(C_{14}=1145x+14\),为模 \(1145\) 的剩余系,\(-1131,14,1159\) 都是其中的元素。

性质

剩余类的性质都很显然,没什么好说的,直接过了。

剩余系

定义

给定一个正整数 \(n\)​​ 和一个整数集 \(r\)​​,把 \(r\)​​ 中所有元素对 \(n\)​​ 取模后的所有余数去重后构成一个新的集合,我们则称这个新集合为模 \(n\)​​ 的剩余系,即我们可以将一个满足 \(0\leq r_i\leq n-1,\ r_i\in Z,\ m\leq n-1\)​​,且不含重复元素的集合 \(\{r_0,r_1,r_2\dots r_m\}\)​​ 称为模 \(n\)​ 的剩余系。

例如我们取 \(n=1145\),则 \(r=\{11,4,5,14\}\)​​ 是一个模 \(114514\) 的剩余系。

性质

没啥性质,略。

完全剩余系(完系)

定义

给定一个正整数 \(n\),有 \(n\) 个不同的模 \(n\) 的剩余类,从这 \(n\) 个不同的剩余类中各取出一个元素,总共 \(n\) 个数,将这些数构成一个新的集合,则称这个集合为模 \(n\) 的完全剩余系。

例如我们取 \(n=5\),则 \(\{0,1,2,3,4\}\) 是一个模 \(5\) 的完全剩余系,\(\{5,1,8,-3,14\}\) 也是一个模 \(5\) 的完全剩余系。

性质

对于一个模 \(n\) 的完全剩余系 \(r\),若有 \(a\in Z,\ b\in Z\),且 \(\gcd(n,a)=1\),则 \(a*r_i+b\ (i\in[0,n-1])\) 也构成一个模 \(n\) 的完全剩余系。

证明:

命题 \(1\) :如果 \(r\) 是一个模 \(n\) 的剩余系,那 \(r_i+b\) 一定也构成一个模 \(n\) 的完全剩余系。

反证法,若 \(r_i+b\) 不构成一个模 \(n\) 的完全剩余系,则存在两个元素同余 \(n\),即有 \(r_x+b\equiv r_y+b\pmod n\),同余式两边同时减去 \(b\),有 \(r_x\equiv r_y\pmod n\),与 \(r\) 是一个模 \(n\) 的剩余系这一前提矛盾,命题 \(1\) 得证。

命题 \(2\):若 \(r\) 是一个模 \(n\) 的完全剩余系,对于任意的整数 \(a\),若有 \(\gcd(a,n)=1\),则 \(a*r_i\) 也构成一个模 \(n\) 的完全剩余系。

同样是反证法,若结论不成立,则有 \(a*r_x\equiv a*r_y\pmod n\),因为 \(\gcd(a,n)=1\),所以一定存在 \(a\mod p\) 的逆元 \(inv(a)\),同余式两边同时乘以 \(inv(a)\),则有 \(r_x\equiv r_y\pmod n\),与前提矛盾,命题 \(2\) 得证。

这俩个命题都得证,所以 \(a*r_i\) 构成一个模 \(n\) 的完全剩余系,\(a*r_i+b\) 也构成一个模 \(n\) 的完全剩余系,故性质得证。

简化剩余系(既约剩余系、缩系)

定义

给定一个正整数 \(n\),有 \(\varphi(n)\) 个不同的、模 \(n\) 的余数 \(r\)\(n\) 互质的剩余类,从这 \(\varphi(n)\) 个剩余类中各取出一个元素,总共 \(\varphi(n)\) 个数,将这些数构成一个新的集合,则称这个集合为模 \(n\) 的完全剩余系。

例如我们取 \(n=10\),则 \(\{1,3,7,9\}\) 是一个模 \(10\) 的简化剩余系;取 \(n=5\),则 \(\{1,8,7,14\}\) 是一个模 \(5\) 的简化剩余系,显然模 \(n\) 的简化剩余系中所有的数都与 \(n\) 互质。

性质

对于一个模 \(n\) 的简化剩余系 \(r\),若有 \(a\in Z\)\(\gcd(n,a)=1\),则 \(a*r_i\) 也构成一个模 \(n\) 的简化剩余系。证明跟上面的差不多,反证就完了嗷。

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