形式陈述
设 为素数公理库素元Prime element整除乘积时必整除至少一个因子的非零非单位元素。。对任意整数 ,在模同余公理库模同余Congruence modulo n两整数之差被给定正整数整除时成立的等价关系。意义下都有
若 ,则 的剩余类在模 的乘法下可逆,可以消去一个 ,得到常见形式
两个版本覆盖的范围略有不同。第二式只适用于 与 互素的情形;第一式在 时仍成立,因为两边都同余于零。把这一区分写清楚,可以避免在底数不可逆时错误地消元。
一种证明使用有限群。模 的非零剩余类组成阶为 的乘法群 。由Lagrange 定理公理库拉格朗日定理Lagrange's theorem有限群的阶等于子群阶与指数之积,因此子群阶必整除群阶。,任意元素的阶整除 ,所以
另一种证明更接近初等数论。若 ,乘法映射
会把非零剩余类 重新排列。将排列前后的元素全部相乘,得到
由于 在模 下可逆,消去它便得到结论。两种证明表达的是同一结构:素数性确保所有非零剩余类都能参与乘法群运算。
直觉
费马小定理不是“幂碰巧出现周期”,而是有限群中元素反复相乘必然回到单位元的具体表现。模 的乘法世界只有 个非零状态;群结构又禁止轨道在到达 之前陷入不可逆的死路,因此每个元素的周期都整除 。
定理给出的是一个统一有效的指数,不一定给出最短周期。某个底数的真正周期是它在 中的阶,可以是 的真因子。只有本原元的阶才恰好等于 。
把所有底数同时放进一个多项式,还能得到有限域恒等式
费马小定理说明每个 都是左侧的根;两边又都是首一的 次多项式,因此完全相同。这个形式把逐个整数的同余提升为域上的结构结论:Frobenius 映射 在素域上就是恒等映射。
例子与边界
取 、。因为
定理得到验证。但同样在模 下,
所以 的阶是 ,而不是 。这说明 只是所有非零底数共同适用的周期上界。
当底数被模数整除时,只能使用 。例如 时,,显然不能写成 。错误往往不在幂运算,而在忽略了消去 所需的可逆性。
逆命题不成立。合数
满足 ,因为 。这样的数称为以 为底的伪素数。更强的反例是 Carmichael 数;最小的 对每个与 互素的 都满足
因此,若一个数通过若干次费马测试,只能说明它没有被这些底数识破,不能据此断言它是素数。
费马小定理可用于约化巨大指数。计算 时, 与 互素,因此指数可按 约化:
再由
得到
这里约化的是乘法群中的指数。若底数与模数不互素,就不能把指数简单地按 处理。
推论与应用
对 ,定理立即给出模逆公式
配合二进制快速幂,可以在 次模乘内计算逆元。例如模 下,,因为 。在需要大量逆元时,还要比较扩展 Euclid、批量递推与预处理等方法;费马公式提供的是一种结构上直接、实现上简洁的选择。
Euler 定理公理库欧拉函数Euler totient function计数不超过 n 且与 n 互素的正整数的算术函数。把结论推广到任意正整数模数:若 ,则
当 为素数时,,费马小定理正是这一一般群论结论的素数模特例。RSA 的正确性证明使用的是这条更一般的指数周期结构,而不是单独依赖素数模公式。
在有限域公理库有限域Finite field · Galois field底层集合有限的域。 中,相应推广是每个元素都满足 。多项式 因而恰好以该域全部元素为根。这个恒等式用于构造有限域、描述子域,并分析 Frobenius 自同态的轨道。
费马素性测试从本定理得到必要条件,但伪素数和 Carmichael 数表明该条件不充分。Miller–Rabin 测试进一步利用 的平方链结构,能够识别费马测试遗漏的大量合数;它的可靠性来自更强的群结构约束,而不是简单增加底数数量。
参考资料
- Kenneth Ireland and Michael Rosen, A Classical Introduction to Modern Number Theory, 2nd ed., Springer, 1990, Chapter 2.
- Ivan Niven, Herbert S. Zuckerman, and Hugh L. Montgomery, An Introduction to the Theory of Numbers, 5th ed., Wiley, 1991, Chapter 2.
- Victor Shoup, A Computational Introduction to Number Theory and Algebra, 2nd ed., Cambridge University Press, 2009, Chapters 2–3.