数论之指标(离散对数) 理论基础

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本篇文章相关的练习可以参见博文《数论之指标(离散对数) 若干练习》.

定理1 设 m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1有原根 r r r, 则 1 , r , r 2 , ⋯   , r φ ( m ) − 1 1,r,{ {r}^{2}},\cdots ,{ {r}^{\varphi \left( m \right)-1}} 1,r,r2,,rφ(m)1是模 m m m的既约剩余系.

证明 m m m有原根 r r r, 由博文《指数和原根》中的定理12, 得
gcd ⁡ ( r , m ) = 1. (1.1) \gcd \left( r,m \right)=1. \tag{1.1} gcd(r,m)=1.(1.1)
其一, 由式(1.1), 得 ∀ k ∈ Z > 0 \forall k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0, gcd ⁡ ( r k , m ) = 1 \gcd \left( { {r}^{k}},m \right)=1 gcd(rk,m)=1, 即 1 , r , r 2 , ⋯   , r φ ( m ) − 1 1,r,{ {r}^{2}},\cdots ,{ {r}^{\varphi \left( m \right)-1}} 1,r,r2,,rφ(m)1均与 m m m互素.
其二, r r r m m m的原根蕴涵 r r r对模 m m m的指数 δ = φ ( m ) \delta =\varphi \left( m \right) δ=φ(m), 并由式(1.1)和博文《指数和原根》中的定理5(1), 得 1 , r , r 2 , ⋯   , r φ ( m ) − 1 1,r,{ {r}^{2}},\cdots ,{ {r}^{\varphi \left( m \right)-1}} 1,r,r2,,rφ(m)1对模 m m m两两不同余.
其三, 模 m m m的既约剩余类一共有 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)个.
综上, 1 , r , r 2 , ⋯   , r φ ( m ) − 1 1,r,{ {r}^{2}},\cdots ,{ {r}^{\varphi \left( m \right)-1}} 1,r,r2,,rφ(m)1 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)个数构成模 m m m的一个既约剩余系.

定理2  m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1有原根 r r r, ∀ a ∈ Z \forall a\in \mathbb{Z} aZ, 若 gcd ⁡ ( a , m ) > 1 \gcd \left( a,m \right)>1 gcd(a,m)>1, 则方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm无解(注意未知量 x x x的位置在指数位).

证明 r r r是模 m m m的原根, 成立
r φ ( m ) ≡ 1     m o d   m . (2.1) { {r}^{\varphi \left( m \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod m. \tag{2.1} rφ(m)1 modm.(2.1)
r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm有解, 设其一个解为 x 0 { {x}_{0}} x0, 成立
r x 0 ≡ a     m o d   m . (2.2) { {r}^{ { {x}_{0}}}}\equiv a\text{ }\bmod m. \tag{2.2} rx0a modm.(2.2)
x 0 { {x}_{0}} x0 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)作带余除法得到
x 0 = q ⋅ φ ( m ) + b ,   0 ≤ b ≤ φ ( m ) − 1. (2.3) { {x}_{0}}=q\centerdot \varphi \left( m \right)+b,\text{ }0\le b\le \varphi \left( m \right)-1. \tag{2.3} x0=qφ(m)+b, 0bφ(m)1.(2.3)
由式(2.1), (2.2), (2.3), 成立
a ≡ r x 0 = r q ⋅ φ ( m ) + b = ( r φ ( m ) ) q ⋅ r b ≡ r b     m o d   m ,   0 ≤ b ≤ φ ( m ) − 1. (2.4) a\equiv { {r}^{ { {x}_{0}}}}={ {r}^{q\centerdot \varphi \left( m \right)+b}}={ {\left( { {r}^{\varphi \left( m \right)}} \right)}^{q}}\centerdot { {r}^{b}}\equiv { {r}^{b}}\text{ }\bmod m,\text{ }0\le b\le \varphi \left( m \right)-1. \tag{2.4} arx0=rqφ(m)+b=(rφ(m))qrbrb modm, 0bφ(m)1.(2.4)
一方面, 由式(2.4), 成立
gcd ⁡ ( a , m ) = gcd ⁡ ( r b , m ) . (2.5) \gcd \left( a,m \right)=\gcd \left( { {r}^{b}},m \right). \tag{2.5} gcd(a,m)=gcd(rb,m).(2.5)
另一方面, 由 r r r是模 m m m的原根和定理1, 成立
gcd ⁡ ( r b , m ) = 1. (2.6) \gcd \left( { {r}^{b}},m \right)=1. \tag{2.6} gcd(rb,m)=1.(2.6)
由式(2.5), (2.6), 成立 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 这与条件 gcd ⁡ ( a , m ) > 1 \gcd \left( a,m \right)>1 gcd(a,m)>1矛盾. 由反证法, 方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm无解.

定理3  m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1有原根 r r r, ∀ a ∈ Z \forall a\in \mathbb{Z} aZ, 若 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 则方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm有唯一解(注意未知量 x x x的位置在指数位).

证明
首先证明方程的解存在. 一方面, r r r是模 m m m的原根, 由定理1, 1 , r , r 2 , ⋯   , r φ ( m ) − 1 1,r,{ {r}^{2}},\cdots ,{ {r}^{\varphi \left( m \right)-1}} 1,r,r2,,rφ(m)1是模 m m m的既约剩余系. 另一方面, gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, a a a在模 m m m的某一个既约剩余类中. 由既约剩余系和既约剩余类的关系, ∃ b ∈ { 0 , 1 , 2 , ⋯   , φ ( m ) − 1 } \exists b\in \left\{ 0,1,2,\cdots ,\varphi \left( m \right)-1 \right\} b{ 0,1,2,,φ(m)1}, 成立
r x ≡ a ≡ r b     m o d   m . { {r}^{x}}\equiv a\equiv { {r}^{b}}\text{ }\bmod m. rxarb modm.
博文《指数和原根》中的定理5(2), 方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm有解 x ≡ b     m o d   φ ( m ) x\equiv b\text{ }\bmod \varphi \left( m \right) xb modφ(m).

其次证明方程的解是唯一的. 设存在非负整数 b 1 , b 2 { {b}_{1}},{ {b}_{2}} b1,b2, 成立
r b 1 ≡ r b 2 ≡ a     m o d   m . { {r}^{ { {b}_{1}}}}\equiv { {r}^{ { {b}_{2}}}}\equiv a\text{ }\bmod m. rb1rb2a modm.
r r r是模 m m m的原根, r r r对模 m m m的指数是 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m), 且 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 结合博文《指数和原根》中的定理5(2), 成立
b 1 ≡ b 2     m o d   φ ( m ) . { {b}_{1}}\equiv { {b}_{2}}\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). b1b2 modφ(m).
因此任意两个满足方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm的解 b 1 ,   b 2 { {b}_{1}},\text{ }{ {b}_{2}} b1, b2对模 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)同余, 即方程存在唯一的解
x ≡ b 1     m o d   φ ( m ) . x\equiv { {b}_{1}}\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). xb1 modφ(m).

定义4 设 m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1有原根 r r r, 若 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 由定理3, 方程 r x ≡ a     m o d   m { {r}^{x}}\equiv a\text{ }\bmod m rxa modm有唯一解, 记该解为 x ≡ i n d r a     m o d   φ ( m ) , x\equiv in{ {d}_{r}}a\text{ }\bmod \varphi \left( m \right), xindra modφ(m), i n d r a ∈ { 0 , 1 , ⋯   , φ ( m ) − 1 } in{ {d}_{r}}a\in \left\{ 0,1,\cdots ,\varphi \left( m \right)-1 \right\} indra{ 0,1,,φ(m)1}为以 r r r为底的 a a a对模 m m m的一个指标(/离散对数).

 由博文《原根的存在性 相关定理(二)》中的定理13, m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1有原根当且仅当 m = 2 , 4 , p k , 2 p k m=2,4,{ {p}^{k}},2{ {p}^{k}} m=2,4,pk,2pk, 其中 p p p是奇素数, k ∈ Z > 0 k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0. 因此讨论指标首先要确保模数 m m m具有形式 2 , 4 , p k , 2 p k 2,4,{ {p}^{k}},2{ {p}^{k}} 2,4,pk,2pk, 在此基础上还要找出 m m m的原根 r r r, 然后才来求解相应的指标.

性质5 设 m ∈ Z > 0 m\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} mZ>0有原根 r r r, gcd ⁡ ( a b , m ) = 1 \gcd \left( ab,m \right)=1 gcd(ab,m)=1, 则
(i) in d r 1 = 0     m o d   φ ( m ) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}1=0\text{ }\bmod \varphi \left( m \right) indr1=0 modφ(m).
(ii) in d r ( a b ) ≡ in d r ( a ) + in d r ( b )  mod φ ( m ) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( ab \right)\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right)+\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( b \right)\text{ mod}\varphi \left( m \right) indr(ab)indr(a)+indr(b) modφ(m).

证明
(i) 由于 r r r是模 m m m的原根, 因此成立
min ⁡ { n ∈ Z > 0 :   r n ≡ 1     m o d   m } = φ ( m ) . \min \left\{ n\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}:\text{ }{ {r}^{n}}\equiv 1\text{ }\bmod m \right\}=\varphi \left( m \right). min{ nZ>0: rn1 modm}=φ(m).
gcd ⁡ ( 1 , m ) = 1 \gcd \left( 1,m \right)=1 gcd(1,m)=1, 由定义4, r x ≡ 1     m o d   m { {r}^{x}}\equiv 1\text{ }\bmod m rx1 modm的解是唯一的, in d r 1 \text{in}{ {\text{d}}_{r}}1 indr1满足
in d r 1 ≡ φ ( m )  mod φ ( m ) , (5.1) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}1\equiv \varphi \left( m \right)\text{ mod}\varphi \left( m \right), \tag{5.1} indr1φ(m) modφ(m),(5.1)
in d r 1 ∈ { 0 , ⋯   , φ ( m ) − 1 } . (5.2) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}1\in \left\{ 0,\cdots ,\varphi \left( m \right)-1 \right\}. \tag{5.2} indr1{ 0,,φ(m)1}.(5.2)
由式(5.1), (5.2), 即有
in d r 1 = 0     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{r}}1=0\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indr1=0 modφ(m).

(ii) 首先由 gcd ⁡ ( a b , m ) = 1 \gcd \left( ab,m \right)=1 gcd(ab,m)=1 gcd ⁡ ( a , m ) = gcd ⁡ ( b , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=\gcd \left( b,m \right)=1 gcd(a,m)=gcd(b,m)=1. 由定义4, in d r ( a b ) ,  in d r ( a ) ,  in d r ( b ) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( ab \right),\text{ in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right),\text{ in}{ {\text{d}}_{r}}\left( b \right) indr(ab), indr(a), indr(b)是存在的, 有意义的. 基于此, 由指标的定义4, 成立
r in d r ( a b ) ≡ a b ≡ r in d r ( a ) r in d r ( b ) = r in d r ( a ) + in d r ( b )     m o d   m . { {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( ab \right)}}\equiv ab\equiv { {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right)}}{ {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( b \right)}}={ {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right)+\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( b \right)}}\text{ }\bmod m. rindr(ab)abrindr(a)rindr(b)=rindr(a)+indr(b) modm.
由于 r r r是模 m m m原根, 由博文《指数和原根》中的定理12 gcd ⁡ ( r , m ) = 1 \gcd \left( r,m \right)=1 gcd(r,m)=1, 基于此, 由博文《指数和原根》中的定理5(2), 直接成立
in d r ( a b ) ≡ in d r ( a ) + in d r ( b )     m o d   φ ( m ) , \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( ab \right)\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right)+\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( b \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right), indr(ab)indr(a)+indr(b) modφ(m),
其中 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)是原根 r r r对模 m m m的指数.

推论6 设 m ∈ Z > 0 m\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} mZ>0有原根 r r r, gcd ⁡ ( a 1 a 2 ⋯ a n , m ) = 1 \gcd \left( { {a}_{1}}{ {a}_{2}}\cdots { {a}_{n}},m \right)=1 gcd(a1a2an,m)=1, 则成立 in d r ( ∏ i = 1 n a i ) ≡ ∑ i = 1 n in d r ( a i )     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( \prod\limits_{i=1}^{n}{ { {a}_{i}}} \right)\equiv \sum\limits_{i=1}^{n}{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( { {a}_{i}} \right)}\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indr(i=1nai)i=1nindr(ai) modφ(m).

证明 由性质5(ii)和第一数学归纳法即可证得.

推论7 设 m ∈ Z > 0 m\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} mZ>0有原根 r r r, gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 则成立 in d r ( a n ) ≡ n in d r ( a )     m o d   φ ( m ) ,   ∀ n ∈ Z > 0 . \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( { {a}^{n}} \right)\equiv n\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( a \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right),\text{ }\forall n\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}. indr(an)nindr(a) modφ(m), nZ>0.

证明 令推论6中的 a 1 = a 2 = ⋯ = a n = a { {a}_{1}}={ {a}_{2}}=\cdots ={ {a}_{n}}=a a1=a2==an=a, 即可证得.

命题8 设模 m ( m > 2 ) m\left( m>2 \right) m(m>2)的原根是存在的, 则对模 m m m的任一原根 r r r来说, − 1 -1 1的指标总是 1 2 φ ( m ) \frac{1}{2}\varphi \left( m \right) 21φ(m).

证明 问题等价于证明成立
in d r ( − 1 ) ≡ 1 2 φ ( m )     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\equiv \frac{1}{2}\varphi \left( m \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indr(1)21φ(m) modφ(m).
m m m的原根存在, 又 m > 2 m>2 m>2, 由博文《原根的存在性 相关定理(二)》中的定理13, m = 4 m=4 m=4 p k { {p}^{k}} pk 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk, 其中 p p p是奇素数.由于
φ ( 4 ) = 2 ,   φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) , \varphi \left( 4 \right)=2,\text{ }\varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right)=\varphi \left( 2 \right)\varphi \left( { {p}^{k}} \right)=\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right), φ(4)=2, φ(2pk)=φ(2)φ(pk)=φ(pk)=pk1(p1),
因此一定成立 2 ∣ φ ( m ) \left. 2 \right|\varphi \left( m \right) 2φ(m), 即有
φ ( m ) 2 ∈ Z > 0 . (8.1) \frac{\varphi \left( m \right)}{2}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}. \tag{8.1} 2φ(m)Z>0.(8.1)
r r r是模 m m m的原根, 即 r r r对模 m m m的指数是 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m), 由欧拉定理, 成立
r φ ( m ) ≡ 1     m o d   m . (8.2) { {r}^{\varphi \left( m \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod m. \tag{8.2} rφ(m)1 modm.(8.2)
gcd ⁡ ( − 1 , m ) = 1 \gcd \left( -1,m \right)=1 gcd(1,m)=1, in d r ( − 1 ) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right) indr(1)有意义, 基于此成立
r in d r ( − 1 ) ≡ − 1     m o d   m . (8.3) { {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)}}\equiv -1\text{ }\bmod m. \tag{8.3} rindr(1)1 modm.(8.3)
由式(8.2), (8.3), 成立
r 2 in d r ( − 1 ) ≡ 1 ≡ r φ ( m )     m o d   m . { {r}^{2\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)}}\equiv 1\equiv { {r}^{\varphi \left( m \right)}}\text{ }\bmod m. r2indr(1)1rφ(m) modm.
根据博文《数论之指数和原根》中的定理5(2), 成立 2 in d r ( − 1 ) ≡ φ ( m )     m o d   φ ( m ) 2\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\equiv \varphi \left( m \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right) 2indr(1)φ(m) modφ(m), 结合式(8.1), 推得
in d r ( − 1 ) ≡ 0     m o d   φ ( m ) ,  或 in d r ( − 1 ) ≡ 1 2 φ ( m )     m o d   φ ( m ) . (8.4) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\equiv 0\text{ }\bmod \varphi \left( m \right),\text{ 或 in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\equiv \frac{1}{2}\varphi \left( m \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). \tag{8.4} indr(1)0 modφ(m),  indr(1)21φ(m) modφ(m).(8.4)
显然 r in d r ( − 1 ) ≡ − 1 ≡ 1 = r 0     m o d   m { {r}^{\text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)}}\equiv -1\cancel{\equiv }1={ {r}^{0}}\text{ }\bmod m rindr(1)1 1=r0 modm, 由博文《数论之指数和原根》中的定理5(2), 成立
in d r ( − 1 ) ≡ 0     m o d   φ ( m ) . (8.5) \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\cancel{\equiv }0\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). \tag{8.5} indr(1) 0 modφ(m).(8.5)
由式(8.4), (8.5), 成立
in d r ( − 1 ) ≡ 1 2 φ ( m )     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{r}}\left( -1 \right)\equiv \frac{1}{2}\varphi \left( m \right)\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indr(1)21φ(m) modφ(m).

定理9 设 g , g 1 g,{ {g}_{1}} g,g1是模 m m m的两个原根, gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 则成立 in d g a ≡ in d g g 1 ⋅ in d g 1 a     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{g}}a\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}\centerdot \text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indgaindgg1indg1a modφ(m).

证明 由于 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1, 因此 in d g a ,  in d g 1 a \text{in}{ {\text{d}}_{g}}a,\text{ in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a indga, indg1a有意义. 由于 g 1 { {g}_{1}} g1是模 m m m的原根, 因此由博文《数论之指数和原根》中的定理12, 成立 gcd ⁡ ( g 1 , m ) = 1 \gcd \left( { {g}_{1}},m \right)=1 gcd(g1,m)=1, 因此 in d g g 1 \text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}} indgg1有意义. 基于此, 成立
g in d g a ≡ a     m o d   m , { {g}^{\text{in}{ {\text{d}}_{g}}a}}\equiv a\text{ }\bmod m, gindgaa modm,
g in d g g 1 ≡ g 1     m o d   m , { {g}^{\text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}}}\equiv { {g}_{1}}\text{ }\bmod m, gindgg1g1 modm,
g 1 in d g 1 a ≡ a     m o d   m . { {g}_{1}}^{\text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a}\equiv a\text{ }\bmod m. g1indg1aa modm.
因此成立
g in d g g 1 ⋅ in d g 1 a = ( g in d g g 1 ) in d g 1 a ≡ g 1 in d g 1 a ≡ a ≡ g in d g a     m o d   m . { {g}^{\text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}\centerdot \text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a}}={ {\left( { {g}^{\text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}}} \right)}^{\text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a}}\equiv { {g}_{1}}^{\text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a}\equiv a\equiv { {g}^{\text{in}{ {\text{d}}_{g}}a}}\text{ }\bmod m. gindgg1indg1a=(gindgg1)indg1ag1indg1aagindga modm.
博文《数论之指数和原根》中的定理5(2), 成立
in d g g 1 ⋅ in d g 1 a ≡ in d g a     m o d   φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}\centerdot \text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}a\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{g}}a\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). indgg1indg1aindga modφ(m).

推论10 设 g , g 1 g,{ {g}_{1}} g,g1是模 m m m的两个原根, 成立 in d g 1 g ⋅ in d g g 1 ≡ 1  mod φ ( m ) . \text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}g\centerdot \text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}\equiv 1\text{ mod}\varphi \left( m \right). indg1gindgg11 modφ(m).

证明 令 a = g a=g a=g, 则 a a a是模 m m m的原根, 由博文《数论之指数和原根》中的定理12, 成立 gcd ⁡ ( a , m ) = 1 \gcd \left( a,m \right)=1 gcd(a,m)=1. 根据定理9, 成立
1 ≡ in d g g ≡ in d g g 1 ⋅ in d g 1 g     m o d   φ ( m ) . \text{1}\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{g}}g\equiv \text{in}{ {\text{d}}_{g}}{ {g}_{1}}\centerdot \text{in}{ {\text{d}}_{ { {g}_{1}}}}g\text{ }\bmod \varphi \left( m \right). 1indggindgg1indg1g modφ(m).

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