###欧拉定理

∀ a,m∈Z+\forall~a,m \in Z^+,若gcd⁡(a,m)=1\gcd(a,m)=1,则aϕ(m)≡1(mod m)a^{\phi(m)} \equiv 1(mod~m)

假设这ϕ(m)\phi(m)个数为X1,X2,...,Xϕ(m)X_1,X_2,...,X_{\phi(m)}

引理1 XiX_i两两模mm不同余

证明

∀1≤i,j≤ϕ(m)\forall 1\le i,j \le \phi(m)且i≠ji \ne j,那么

Xi mod m=Xi≠Xj=Xj mod mX_i~mod~m = X_i \ne X_j = X_j~mod~m

Xi≢Xj(mod m)X_i \not\equiv X_j (mod~m)

证毕

设 pi=a×Xip_i=a\times X_i

引理2 pip_i 之间两两模 mm 不同余

证明

∀1≤i,j≤ϕ(m)\forall 1\le i,j \le \phi(m)且i≠ji \ne j

假设 pip_i 与 pjp_j 同余,那么

a×Xi≡a×Xj(mod m)a \times X_i \equiv a \times X_j (mod~m)

∵gcd⁡(a,m)=1\because \gcd(a, m) = 1

∴Xi≡Xj(mod m)\therefore X_i \equiv X_j (mod~m)

矛盾,故pi≢pj(mod m)p_i \not\equiv p_j (mod~m)

证毕

引理3 pip_i 与 mm 互质

证明

写出他们的唯一分解式

m=P1d1P2d2...Pkdkm=P_1^{d_1}P_2^{d_2}...P_k^{d_k}

a=P1f1P2f2...Pkfka=P_1^{f_1}P_2^{f_2}...P_k^{f_k}

Xi=P1e1P2e2...PkekX_i=P_1^{e_1}P_2^{e_2}...P_k^{e_k}

pi=P1e1+d1P2e2+d2...Pkek+dkp_i=P_1^{e_1+d_1}P_2^{e_2+d_2}...P_k^{e_k+d_k}

可知∀di≠0\forall d_i \ne 0,都有ei=fi=0e_i=f_i=0,所以 ei+fi=0e_i+f_i=0

所以pip_i 与 mm 互质

证毕

∵a\because a 与 mm 互质, XiX_i 也与 mm 互质

∴aXi\therefore aX_i 也与 mm 互质

所以 aXiaX_i 模 mm 后一定是 ϕ(m)\phi(m) 个与 mm 互质的数, 即X1...Xϕ(m)X_1...X_{\phi(m)}

所以 X1X2...Xϕ(m)≡aX1aX2...aXϕ(m)(mod m)X_1X_2...X_{\phi(m)}\equiv aX_1aX_2...aX_{\phi(m)} (mod~m)

即1≡aphi(m)(mod m)1\equiv a^{phi(m)} (mod~m)

###扩展欧拉定理

ac≡{ac mod ϕ(m),gcd(a,m)=1ac,gcd(a,m)≠1,c<ϕ(m)ac mod ϕ(m)+ϕ(m),gcd(a,m)≠1,c≥ϕ(m)a^c \equiv \begin{cases}a^{c~mod~\phi(m)},gcd(a,m)=1\\a^c,gcd(a,m)\ne 1,c<\phi(m)\\a^{c~mod~\phi(m)+\phi(m)},gcd(a,m)\ne 1,c \ge \phi(m) \end{cases}

首先证明 gcd(a,m)=1gcd(a,m)=1 的情况,当 m=1m=1 时,显然成立.当 m≠1m \ne 1 时,因为 aϕ(m)≡1(mod m)a^{\phi(m)} \equiv 1 (mod~m),每 ϕ(n)\phi(n) 个数字就相当于乘了一个 11, 所以 ac≡ac mod ϕ(m)a^c \equiv a^{c~mod~\phi(m)}

然后是 gcd(a,m)≠1gcd(a,m) \ne 1, 若 c<ϕ(m)c < \phi(m), 直接快速幂计算即可.

接下来证明 c≥ϕ(m)c \ge \phi(m) 的情况, 只需要 aa 的任意一个质因子满足即可

考虑取 aa 的一个质因子 pp, 令 m=t×pr,gcd⁡(t,p)=1m = t \times p^r,\gcd(t,p)=1

显然 r≤ϕ(m)r \le \phi(m), 证明如下:


因为ϕ\phi是个积性函数,满足 ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b)\phi(ab)=\phi(a)\phi(b)

那么 ϕ(m)=ϕ(t)×ϕ(pr)≥phi(pr),t=1,2\phi(m)=\phi(t) \times \phi(p^r) \ge phi(p^r),t=1,2 时取等

又有 ϕ(pr)=pr−pr−1=(p−1)×pr−1≥pr−1,p≥2,p=2\phi(p^r)=p^r-p^{r-1}=(p-1) \times p^{r-1} \ge p^{r-1},p\ge 2,p=2 时取等

数学归纳法证明 pr−1≥rp^{r-1} \ge r, 当 r=1r=1 时成立, 假设 r=ir=i 时 pi−1≥ip^{i-1} \ge i成立, pi=p×pi−1≥2×pi−1=pi−1+pi−1≥pi−1+1≥i+1p^{i}=p \times p^{i-1} \ge 2 \times p^{i-1}=p^{i-1}+p^{i-1} \ge p^{i-1}+1 \ge i+1 成立

因此对于任意 p,r∈Z,p≥2,r≥1p,r \in Z, p \ge 2, r \ge 1, 都有 pr−1≥rp^{r-1} \ge r 成立

将不等式串起来, 得到 r≤ϕ(m)r \le \phi(m)


显然 pϕ(t)≡1(mod t)p^{\phi(t)} \equiv 1 (mod~t),

又因为 ϕ(m)=ϕ(t)ϕ(pr)⇒ϕ(t)∣ϕ(m)\phi(m)=\phi(t)\phi(p^r) \Rightarrow \phi(t)|\phi(m)

所以 pϕ(m)=(pϕ(t))ϕ(pr)≡1ϕ(pr)=1(mod t)p^{\phi(m)}=(p^{\phi(t)})^{\phi(p^r)} \equiv 1^{\phi(p^r)}=1 (mod~t),根据同余的性质

两边同乘一个 pr⇒pϕ(m)+r≡pr(mod m)p^r \Rightarrow p^{\phi(m)+r}\equiv p^r (mod~m)

那么 pc≡pc−r+r≡pc−r+ϕ(m)+r≡pϕ(m)+c(mod m)p^c \equiv p^{c-r+r} \equiv p^{c-r+\phi(m)+r} \equiv p^{\phi(m)+c} (mod~m)

可得 pc≡pkϕ(m)+c(mod m)⇒pc≡pc mod ϕ(m)+ϕ(m)p^c \equiv p^{k\phi(m)+c}(mod~m) \Rightarrow p^c \equiv p^{c~mod~\phi(m)+\phi(m)}

令 f(x)=pxmod   m(x≥ϕ(m))f(x)=p^x\mod~m(x\ge\phi(m))

将上式写成函数递推式可得 f(x)=f(x−ϕ(m))f(x)=f(x-\phi(m)),函数定义域需满足 x≥ϕ(m)x\ge\phi(m),即 x≥2ϕ(m)x\ge 2\phi(m) 时可使用此递推式,所以在模后面加个 ϕ(m)\phi(m)

考虑 pkp^k,(pk)c=pck≡pck+kϕ(m)≡(pk)ϕ(m)+c≡(pk)c mod ϕ(m)+ϕ(m)(mod m)(p^k)^c = p^ck \equiv p^{ck+k\phi(m)} \equiv (p^k)^{\phi(m)+c} \equiv (p^k)^{c~mod~\phi(m)+\phi(m)}(mod~m),成立

令 a=∏pikia=\prod p_i^{k_i},根据同余的性质,ac≡ac mod ϕ(m)+ϕ(m)a^c \equiv a^{c~mod~\phi(m)+\phi(m)}成立