二次互反律(2)

1970-01-01 08:00

下表列明了质数之间相互是否为二次剩余的情况。方格内为R表示对应的q(横列元素)为对应的p(竖列元素)的二次剩余,N则表示相反情况(此表示法由高斯创造)。可以看到白格内的元素是关于对角线对称的,黄格内则关于对角线反对称。可以说黄格代表了一种“特殊情况”[3]。

q

3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97

3 N R N R N R N N R R N R N N N R R N R R N N R

5 N N R N N R N R R N R N N N R R N R N R N R N

7 N N R N N N R R N R N R N R N N R R N R N N N

11 R R N N N N R N R R N N R R R N R R N N N R R

13 R N N N R N R R N N N R N R N R N N N R N N N

p 17 N N N N R R N N N N N R R R R N R N N N R R N

19 N R R R N R R N N N N R R N N R N N R N R N N

23 R N N N R N N R R N R N R N R N N R R N N N N

29 N R R N R N N R N N N N N R R N R R N N R N N

31 N R R N N N R N N N R N R N R N R R N N N N R

37 R N R R N N N N N N R N R R N N R R R N R N N

41 N R N N N N N R N R R R N N R R N N R N R N N

43 N N N R R R N R N R N R R R R N R N N R R N R

47 R N R N N R N N N N R N N R R R N R N R R R R

53 N N R R R R N N R N R N R R R N N N N N N R R

59 R R R N N R R N R N N R N N R N N R N R N N N

61 R R N N R N R N N N N R N R N N N N R N R N R

67 N N N N N R R R R N R N N R N R N R R N R R N

71 R R N N N N R N R N R N R N N N N N R R R R N

73 R N N N N N R R N N R R N N N N R R R R N R R

79 N R N R R N R R N R N N N N N N N R N R R R R

83 R N R R N R N R R R R R N N N R R N N N N N N

89 N R N R N R N N N N N N N R R N N R R R R N R

97 R N N R N N N N N R N N R R R N R N N R R N R

[编辑] 勒让德的叙述

观察上表中黄格的情况,可以看出相对应的两个质数都是模4余3的。因此勒让德的陈述为:

如果 或者 可解当且仅当

那么

可解。

如果 那么 可解当且仅当

不可解。

[编辑] 研究历史

二次互反律曾被不少的数学家研究,因此二次互反律的叙述有很多种。要注意的是当时的数学记号并不统一。欧拉和勒让德并没有高斯的同余记号,高斯也不知道勒让德符号。

下文中的p和q总是不相等的正奇质数。

[编辑] 前期探索

费马曾经证明了[4](或声称证明了[5])一系列关于将质数表示成平方和的定理

当且仅当 p = 2 或

p = x2 + 2y2 当且仅当 p = 2 或 p = x2 + 3y2 当且仅当 p = 3 或

他并没有给出二次互反律的陈述,尽管由此类的定理可以得到–1、±2和±3的情况。

此外欧拉曾经猜想(后被勒让德证明)[6] :

如果如果

那么

那么 pq = x2 + 5y2.

证明费马的这类命题是导致二次互反律的发现的因素之一。

[编辑] 定理的首次叙述:欧拉

欧拉在1783年曾经写过[7](以现今的符号表示):

1) 如果 q ≡ 1 (mod 4) 那么q是模p的二次剩余当且仅当p ≡ r (mod q),其中r是一个模q的二次剩余。

2) 如果 q ≡ 3 (mod 4) 那么q是模p的二次剩余当且仅当p ≡ ±b2 (mod 4q), 其中b为奇数但不被q整除。

这是二次互反律首次被完整地陈述[8]。欧拉也证明了[9] 2的情况。

[编辑] 勒让德与他的符号

勒让德用a和A表示模4余1的正质数,用b和B表示模4余3的正质数。他建立了一个有8个定理的表格,这8个定理合起来就是二次互反律[10]。

定理 如果 则有 I II III IV V VI VII VIII

勒让德认为表达式

出现了太多次,可以简写为:

其中N、c为互质的数[11]。

这个符号就是现在使用的勒让德符号[12]: 对于所有的整数a以及任意奇质数p:

如果p整除a;

如果a是模p的二次剩余且p不整除a 如果a是模p的二次非剩余。

. ; .

.

勒让德使用勒让德符号的叙述为:


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