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欧拉函数

Euler totient function

计数不超过 n 且与 n 互素的正整数的算术函数。

条目类型
定义

形式陈述

Euler 函数计数 1an 中与 n最大公约数1 的整数,定义为

φ(n)=|{1an:gcd(a,n)=1}|,

等价于单位群 (Z/nZ)× 的阶。若

n=i=1rpiei,

φ(n)=npn(11p)=ipiei1(pi1).

gcd(m,n)=1,中国剩余定理给出乘法性

φ(mn)=φ(m)φ(n).

另有约数和恒等式 dnφ(d)=n

直觉

φ(n) 统计模 n 下可逆的剩余类。每个不同素因子会排除其倍数,乘积公式正是对这些独立排除的计数。

φ(n) 看成单位群 (Z/nZ)× 的阶,乘法公式就不再只是容斥巧合。若 gcd(m,n)=1中国剩余定理把模 mn 的单位分解成模 m 与模 n 的单位对,因此单位数相乘。对素数幂pk,非单位恰是 p 的倍数,共有 pk1 个,于是剩下 pkpk1 个单位。

例子与边界

φ(p)=p1φ(pk)=pkpk1,而 φ(12)=4,对应单位类 1,5,7,11。函数只在互素输入上乘法;例如φ(4)φ(2)=2,但 φ(8)=4。定义区间可写 1an0a<n,给出同一类数;通常约定φ(1)=1。公式依赖素因数集合,不只是 n 的大小。

45=325,容斥或乘积公式给出

φ(45)=45(113)(115)=24.

也就是说,模 45 的可逆剩余类正是既不被 3 也不被 5 整除的二十四个类。函数并不单射:

φ(15)=8=φ(16),

虽然 1516 的素因数结构完全不同。因此从单位群大小通常不能唯一恢复模数。乘法公式 φ(mn)=φ(m)φ(n) 的稳定保证来自 gcd(m,n)=1 与中国剩余分解;不互素时即便数值偶然相等,也不是该定理的应用。

推论与应用

Euler 函数给出 Euler 定理指数、RSA 群阶、循环群生成元计数和 Farey 序列统计。Fermat 小定理推广为 aφ(n)1(modn),前提是 gcd(a,n)=1。函数的乘法性可由整数中国剩余定理解释;它还用于循环群生成元计数、RSA 指数选择和恒等式 dnφ(d)=n

参考资料
  • Kenneth Ireland and Michael Rosen, A Classical Introduction to Modern Number Theory, 2nd ed., Springer, 1990,Ch. 2, Euler phi function and multiplicativity。
  • Ivan Niven, Herbert S. Zuckerman, and Hugh L. Montgomery, An Introduction to the Theory of Numbers, 5th ed., Wiley, 1991,Ch. 2, Euler function and reduced residue systems。
关系图谱4 个相邻概念 · 1 类关系

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