原根的存在性 相关定理(二)

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引理8  p p p是一个奇素数, k ∈ Z ≥ 1 k\in { {\mathbb{Z}}_{\ge 1}} kZ1. 若 r r r是模 2 p k + 1 2{ {p}^{k+1}} 2pk+1的原根, 则 r r r也是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根.

证明
r r r是模 2 p k + 1 2{ {p}^{k+1}} 2pk+1的原根, 则由博文《指数和原根》中的定理12, 成立
gcd ⁡ ( r , 2 p k + 1 ) = 1   ⇒   gcd ⁡ ( r , 2 p k ) = 1. \gcd \left( r,2{ {p}^{k+1}} \right)=1\text{ }\Rightarrow \text{ }\gcd \left( r,2{ {p}^{k}} \right)=1. gcd(r,2pk+1)=1  gcd(r,2pk)=1.
因此模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根存在. 基于此, 若 r r r不是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 则 ∃ d ∈ Z > 0 \exists d\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} dZ>0, d < φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) d<\varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right)=\varphi \left( 2 \right)\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) d<φ(2pk)=φ(2)φ(pk)=pk1(p1), 成立
r d ≡ 1     m o d   2 p k . { {r}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. rd1 mod2pk.
∃ c ∈ Z \exists c\in \mathbb{Z} cZ, 使得
r d = 2 c p k + 1. { {r}^{d}}=2c{ {p}^{k}}+1. rd=2cpk+1.
k ∈ Z ≥ 1 k\in { {\mathbb{Z}}_{\ge 1}} kZ1, 2 k ≥ k + 1   ⇒   p k + 1 ∣ p 2 k   ⇒   2 p k + 1 ∣ ( 2 c p k ) 2 2k\ge k+1\text{ }\Rightarrow \text{ }\left. { {p}^{k+1}} \right|{ {p}^{2k}}\text{ }\Rightarrow \text{ }\left. 2{ {p}^{k+1}} \right|{ {\left( 2c{ {p}^{k}} \right)}^{2}} 2kk+1  pk+1p2k  2pk+1(2cpk)2, 因此 ∀ x ∈ Z > 0 \forall x\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} xZ>0, 成立
( r d ) x = ( 2 c p k + 1 ) x ≡ 1 + 2 x c p k     m o d   2 p k + 1 . (8.1) { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}={ {\left( 2c{ {p}^{k}}+1 \right)}^{x}}\equiv 1+2xc{ {p}^{k}}\text{ }\bmod 2{ {p}^{k+1}}. \tag{8.1} (rd)x=(2cpk+1)x1+2xcpk mod2pk+1.(8.1)
由式(8.1), 成立等价关系
( r d ) x ≡ 1     m o d   2 p k + 1 .   ⇔   2 x c p k ≡ 0     m o d   2 p k + 1 .   ⇔   x c ≡ 0     m o d   p . (8.2) { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k+1}}.\text{ }\Leftrightarrow \text{ }2xc{ {p}^{k}}\equiv 0\text{ }\bmod 2{ {p}^{k+1}}.\text{ }\Leftrightarrow \text{ }xc\equiv 0\text{ }\bmod p. \tag{8.2} (rd)x1 mod2pk+1.  2xcpk0 mod2pk+1.  xc0 modp.(8.2)
c ≡ 0     m o d   p c\equiv 0\text{ }\bmod p c0 modp, 则有 2 c p k ≡ 0     m o d   p k + 1 2c{ {p}^{k}}\equiv 0\text{ }\bmod { {p}^{k+1}} 2cpk0 modpk+1, 此时直接成立
r d = 2 c p k + 1 ≡ 1     m o d   p k + 1 . { {r}^{d}}=2c{ {p}^{k}}+1\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k+1}}. rd=2cpk+11 modpk+1.
d < φ ( 2 p k ) < φ ( 2 p k + 1 ) d<\varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right)<\varphi \left( 2{ {p}^{k+1}} \right) d<φ(2pk)<φ(2pk+1), 因此 r r r非模 p k + 1 { {p}^{k+1}} pk+1的原根, 矛盾.

x ≡ 0     m o d   p x\equiv 0\text{ }\bmod p x0 modp, 即有 x c ≡ 0     m o d   p xc\equiv 0\text{ }\bmod p xc0 modp, 由等价关系(8.2), 成立 ( r d ) x ≡ 1     m o d   p k + 1 { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k+1}} (rd)x1 modpk+1. 此时取 x = p x=p x=p, 得到
r d p = ( r d ) p ≡ 1     m o d   2 p k + 1 . { {r}^{dp}}={ {\left( { {r}^{d}} \right)}^{p}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k+1}}. rdp=(rd)p1 mod2pk+1.
d p < ( p k − 1 ( p − 1 ) ) p = p k ( p − 1 ) = φ ( 2 p k + 1 ) dp<\left( { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) \right)p={ {p}^{k}}\left( p-1 \right)=\varphi \left( 2{ {p}^{k+1}} \right) dp<(pk1(p1))p=pk(p1)=φ(2pk+1), 因此 r r r非模 p k + 1 { {p}^{k+1}} pk+1的原根, 矛盾.

综上, 由反证法, r r r一定是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根.

引理9  p p p是一个奇素数, k ∈ Z ≥ 1 k\in { {\mathbb{Z}}_{\ge 1}} kZ1. 若 r r r是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 则 r r r也是模 p k { {p}^{k}} pk的原根.

证明 r r r是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 由于 p p p是奇素数, gcd ⁡ ( p , 2 ) = 1 \gcd \left( p,2 \right)=1 gcd(p,2)=1, 因此
φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) \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(2pk)=φ(2)φ(pk)=φ(pk)=pk1(p1)
r r r对模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的指数, 成立
r p k − 1 ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   2 p k . (9.1) { {r}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. \tag{9.1} rpk1(p1)1 mod2pk.(9.1)
由式(9.1)和博文《指数和原根》中的定理12, 成立
gcd ⁡ ( r , 2 p k ) = 1.   ⇒   gcd ⁡ ( r , p k ) = 1. \gcd \left( r,2{ {p}^{k}} \right)=1.\text{ }\Rightarrow \text{ }\gcd \left( r,{ {p}^{k}} \right)=1. gcd(r,2pk)=1.  gcd(r,pk)=1.
因此由博文《指数和原根》中的命题2, r r r对模 p k { {p}^{k}} pk的指数存在. 基于此, 若 r r r非模 p k { {p}^{k}} pk的原根, 则设 r r r对模 p k { {p}^{k}} pk的指数 d < φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) d<\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) d<φ(pk)=pk1(p1), 由博文《指数和原根》中的定理5(3), 满足
d ∣ φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) . (9.2) \left. d \right|\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right). \tag{9.2} dφ(pk)=pk1(p1).(9.2)
同时还成立
r d ≡ 1     m o d   p k . { {r}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k}}. rd1 modpk.
∃ c ∈ Z > 0 \exists c\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} cZ>0, 使得
r d = c p k + 1. { {r}^{d}}=c{ {p}^{k}}+1. rd=cpk+1.

情况一, 若 c c c是偶数, 则有 c 0 : = c 2 ∈ Z > 0 { {c}_{0}}:=\frac{c}{2}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} c0:=2cZ>0, c = 2 c 0 c=2{ {c}_{0}} c=2c0, 此时直接成立
r d = c 0 ( 2 p k ) + 1 ≡ 1     m o d   2 p k . { {r}^{d}}={ {c}_{0}}\left( 2{ {p}^{k}} \right)+1\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. rd=c0(2pk)+11 mod2pk.
d < φ ( p k ) = φ ( 2 p k ) d<\varphi \left( { {p}^{k}} \right)=\varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right) d<φ(pk)=φ(2pk), r r r非模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 矛盾.

情况二, 若 c c c是奇数, 设 c = 2 c 1 + 1 c=2{ {c}_{1}}+1 c=2c1+1, 则有
r d = c 1 ( 2 p k ) + ( p k + 1 ) . (9.3) { {r}^{d}}={ {c}_{1}}\left( 2{ {p}^{k}} \right)+\left( { {p}^{k}}+1 \right). \tag{9.3} rd=c1(2pk)+(pk+1).(9.3)
由式(9.3), ∀ x ∈ Z > 0 \forall x\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} xZ>0, 成立
( r d ) x ≡ ( p k + 1 ) x = 1 + ∑ j = 1 x ( x j ) ( p k ) j     m o d   2 p k . (9.4) { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}\equiv { {\left( { {p}^{k}}+1 \right)}^{x}}=1+\sum\limits_{j=1}^{x}{\left( \begin{matrix} x \\ j \\ \end{matrix} \right){ {\left( { {p}^{k}} \right)}^{j}}}\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. \tag{9.4} (rd)x(pk+1)x=1+j=1x(xj)(pk)j mod2pk.(9.4)
由式(9.4), 成立等价关系
( r d ) x ≡ 1     m o d   2 p k .   ⇔   ∑ j = 1 x ( x j ) ( p k ) j ≡ 0     m o d   2 p k . ⇔ X : = ∑ j = 1 x ( x j ) ( p k ) j − 1 ≡ 0     m o d   2. (9.5) { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}.\text{ }\Leftrightarrow \text{ }\sum\limits_{j=1}^{x}{\left( \begin{matrix} x \\ j \\ \end{matrix} \right){ {\left( { {p}^{k}} \right)}^{j}}}\equiv 0\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}.\Leftrightarrow X:=\sum\limits_{j=1}^{x}{\left( \begin{matrix} x \\ j \\ \end{matrix} \right){ {\left( { {p}^{k}} \right)}^{j-1}}}\equiv 0\text{ }\bmod 2. \tag{9.5} (rd)x1 mod2pk.  j=1x(xj)(pk)j0 mod2pk.X:=j=1x(xj)(pk)j10 mod2.(9.5)
一方面, 将 X X X变形为
X = 1 p k ∑ j = 1 x ( x j ) ( p k ) j = 1 p k [ ( p k + 1 ) x − 1 ] . X=\frac{1}{ { {p}^{k}}}\sum\limits_{j=1}^{x}{\left( \begin{matrix} x \\ j \\ \end{matrix} \right){ {\left( { {p}^{k}} \right)}^{j}}}=\frac{1}{ { {p}^{k}}}\left[ { {\left( { {p}^{k}}+1 \right)}^{x}}-1 \right]. X=pk1j=1x(xj)(pk)j=pk1[(pk+1)x1].
其中 p p p是奇数, p k { {p}^{k}} pk是奇数, p k + 1 { {p}^{k}}+1 pk+1是偶数, ( p k + 1 ) x { {\left( { {p}^{k}}+1 \right)}^{x}} (pk+1)x是偶数, ( p k + 1 ) x − 1 { {\left( { {p}^{k}}+1 \right)}^{x}}-1 (pk+1)x1是奇数. 另一方面, ∀ j \forall j j, ( x j ) ,   ( p k ) j ∈ Z > 0 \left( \begin{matrix} x \\ j \\ \end{matrix} \right),\text{ }{ {\left( { {p}^{k}} \right)}^{j}}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} (xj), (pk)jZ>0, 因此 X ∈ Z > 0 X\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} XZ>0. 于是由两个奇数相除得到的整数 X X X一定是奇数, 即有
X ≡ 1 ≡ 0    m o d   2. (9.6) X\equiv 1\cancel{\equiv }\text{0 }\bmod 2. \tag{9.6} X1 mod2.(9.6)
由等价关系(9.5), 得到推理
X ≡ 0     m o d   2.   ⇒   ( r d ) x ≡ 1     m o d   2 p k ,   ∀ x ∈ Z > 0 . (9.7) X\cancel{\equiv }0\text{ }\bmod 2.\text{ }\Rightarrow \text{ }{ {\left( { {r}^{d}} \right)}^{x}}\cancel{\equiv }1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}},\text{ }\forall x\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}. \tag{9.7} X 0 mod2.  (rd)x 1 mod2pk, xZ>0.(9.7)
而由式(9.2), ∃ m ∈ Z > 0 \exists m\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} mZ>0, 成立
d m = p k − 1 ( p − 1 ) . dm={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right). dm=pk1(p1).
结合式(9.1), 有
( r d ) m = r d m ≡ 1     m o d   2 p k . (9.8) { {\left( { {r}^{d}} \right)}^{m}}={ {r}^{dm}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. \tag{9.8} (rd)m=rdm1 mod2pk.(9.8)
显然式(9.7), (9.8)矛盾, 由反证法, r r r对模 p k { {p}^{k}} pk的指数 d < φ ( p k ) d<\varphi \left( { {p}^{k}} \right) d<φ(pk)的情况下, c c c不可能是奇数.

综上, 由反证法, r r r一定是模 p k { {p}^{k}} pk的原根.

推论10  p p p是一个奇素数, k ∈ Z ≥ 1 k\in { {\mathbb{Z}}_{\ge 1}} kZ1. 若 r r r是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 则 r r r也是模 p p p的原根.

证明 由引理8, 成立推理
r 是 模 2 p k 的 原 根 . ⇒ r 是 模 2 p k − 1 的 原 根 . ⋮ ⇒ r 是 模 2 p 的 原 根 . \begin{aligned} & r是模2{ {p}^{k}}的原根. \\ & \Rightarrow r是模2{ {p}^{k-1}}的原根. \\ & \vdots \\ & \Rightarrow r是模2p的原根. \\ \end{aligned} r2pk.r2pk1.r2p.
引理9, 成立推理
r 是 模 2 p 的 原 根 .   ⇒   r 是 模 p 的 原 根 . r是模2p的原根.\text{ }\Rightarrow \text{ }r是模p的原根. r2p.  rp.
结合以上两个推理, 推论10得证.

定理11 设 p p p是一个奇素数, k ∈ Z > 0 k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0, p k { {p}^{k}} pk有原根 r r r, 则 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk有原根 { r ,   r ≡ 1     m o d   2 , r + p k ,   r ≡ 0     m o d   2. \left\{ \begin{aligned} & r,\text{ }r\equiv 1\text{ }\bmod 2, \\ & r+{ {p}^{k}},\text{ }r\equiv 0\text{ }\bmod 2. \\ \end{aligned} \right. { r, r1 mod2,r+pk, r0 mod2.

证明 r r r是模 p k { {p}^{k}} pk的原根, φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) \varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) φ(pk)=pk1(p1) r r r对模 p k { {p}^{k}} pk的指数, 成立
r p k − 1 ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   p k . (11.1) { {r}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k}}. \tag{11.1} rpk1(p1)1 modpk.(11.1)
情况一, 若 r r r是奇数, 一方面, 由于奇数的幂仍是奇数, 因此 r p k − 1 ( p − 1 ) { {r}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}} rpk1(p1)是奇数, 自然成立
r p k − 1 ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   2. (11.2) { {r}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod 2. \tag{11.2} rpk1(p1)1 mod2.(11.2)
由式(11.1), (11.2), 成立
r p k − 1 ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   2 p k . { {r}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. rpk1(p1)1 mod2pk.
另一方面, 不存在 d ∈ Z > 0 d\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} dZ>0, d < p k − 1 ( p − 1 ) = φ ( p k ) d<{ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)=\varphi \left( { {p}^{k}} \right) d<pk1(p1)=φ(pk), 使得 r d ≡ 1     m o d   2 p k { {r}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}} rd1 mod2pk, 否则有 r d ≡ 1     m o d   p k { {r}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k}} rd1 modpk, 这与 r r r是模 p k { {p}^{k}} pk的原根矛盾.
因此 φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) \varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right)=\varphi \left( 2 \right)\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) φ(2pk)=φ(2)φ(pk)=pk1(p1) r r r对模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的指数, r r r是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根.

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情况二, 若 r r r是偶数, 考虑 r + p k ≡ r     m o d   p k r+{ {p}^{k}}\equiv r\text{ }\bmod { {p}^{k}} r+pkr modpk, 一方面, 由博文《原根求解方法》中的引理1, r + p k r+{ {p}^{k}} r+pk也是模 p k { {p}^{k}} pk的原根, 也成立
( r + p k ) φ ( p k ) = ( r + p k ) p k − 1 ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   p k . (11.3) { {\left( r+{ {p}^{k}} \right)}^{\varphi \left( { {p}^{k}} \right)}}={ {\left( r+{ {p}^{k}} \right)}^{ { {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k}}. \tag{11.3} (r+pk)φ(pk)=(r+pk)pk1(p1)1 modpk.(11.3)
由于 r r r是偶数, r + p k r+{ {p}^{k}} r+pk是奇数, 其幂仍是奇数, 成立
( r + p k ) p k ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   2. (11.4) { {\left( r+{ {p}^{k}} \right)}^{ { {p}^{k}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod 2. \tag{11.4} (r+pk)pk(p1)1 mod2.(11.4)
由式(11.3), (11.4), 成立
( r + p k ) p k ( p − 1 ) ≡ 1     m o d   2 p k . (11.5) { {\left( r+{ {p}^{k}} \right)}^{ { {p}^{k}}\left( p-1 \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}}. \tag{11.5} (r+pk)pk(p1)1 mod2pk.(11.5)
另一方面, 不存在 d ∈ Z > 0 d\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} dZ>0, d < p k − 1 ( p − 1 ) = φ ( p k ) d<{ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right)=\varphi \left( { {p}^{k}} \right) d<pk1(p1)=φ(pk), 使得 ( r + p ) d ≡ 1     m o d   2 p k { {\left( r+p \right)}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod 2{ {p}^{k}} (r+p)d1 mod2pk, 否则有 ( r + p ) d ≡ 1     m o d   p k { {\left( r+p \right)}^{d}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}^{k}} (r+p)d1 modpk, 这与 r + p r+p r+p是模 p k { {p}^{k}} pk的原根矛盾.
因此由式(11.5), φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) \varphi \left( 2{ {p}^{k}} \right)=\varphi \left( 2 \right)\varphi \left( { {p}^{k}} \right)={ {p}^{k-1}}\left( p-1 \right) φ(2pk)=φ(2)φ(pk)=pk1(p1) r + p r+p r+p对模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的指数, r + p r+p r+p是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根.

综上, 在 r r r是模 p k { {p}^{k}} pk的原根的基础上, 若 r ≡ 1     m o d   2 r\equiv 1\text{ }\bmod 2 r1 mod2, 则 r r r也是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根; 若 r ≡ 0     m o d   2 r\equiv 0\text{ }\bmod 2 r0 mod2, 则 r + p r+p r+p是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根.

定理12 设 p p p是一个奇素数, 则模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的所有原根是 A : = { m ∈ Z ≠ 0 :   m 是 模 p k 的 原 根 ,   m ≡ 1     m o d   2 } . A:=\left\{ m\in { {\mathbb{Z}}_{\ne 0}}:\text{ }m是模{ {p}^{k}}的原根,\text{ }m\equiv 1\text{ }\bmod 2 \right\}. A:={ mZ=0: mpk, m1 mod2}.

证明 设模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的所有原根组成的集合为 B B B, 我们将证明 B = A B=A B=A.

一方面, ∀ n ∈ B \forall n\in B nB, n n n是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 由引理9, n n n同时也是模 p k { {p}^{k}} pk的原根. 结合定理11, 可得 n ≡ 1     m o d   2. n\equiv 1\text{ }\bmod 2. n1 mod2. 因此有 n ∈ A ,   B ⊆ A . n\in A,\text{ }B\subseteq A. nA, BA.

另一方面, ∀ m ∈ A \forall m\in A mA, m m m是模 p k { {p}^{k}} pk的原根, 且 m ≡ 1     m o d   2 m\equiv 1\text{ }\bmod 2 m1 mod2. 由定理11, m m m也是模 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk的原根, 即有 m ∈ B ,   A ⊆ B . m\in B,\text{ }A\subseteq B. mB, AB.

综上, 证得 A = B A=B A=B.

定理13 设 n ∈ Z > 1 n\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} nZ>1. n n n有原根当且仅当 n = 2 ,   4 ,   p k ,   2 p k n=2,\text{ }4,\text{ }{ {p}^{k}},\text{ }2{ {p}^{k}} n=2, 4, pk, 2pk, 其中 p p p是奇素数, k ∈ Z > 0 k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0.

证明
( ⇐ ) \left( \Leftarrow \right) () φ ( 2 ) = 1 \varphi \left( 2 \right)=1 φ(2)=1, 1 1 = 1     m o d   2 { {1}^{1}}=1\text{ }\bmod 2 11=1 mod2, n = 2 n=2 n=2有原根 1 1 1.
φ ( 4 ) = 2 \varphi \left( 4 \right)=2 φ(4)=2, 3 1 = 3 ≡ 1    m o d   4 { {3}^{1}}=3\cancel{\equiv }\text{1 }\bmod 4 31=3 mod4, 3 2 = 9 ≡ 1     m o d   4 { {3}^{2}}=9\equiv 1\text{ }\bmod 4 32=91 mod4, n = 4 n=4 n=4有原根 3 3 3.
博文《原根的存在性 相关定理 (一)》中的定理7, ∃ r ∈ Z ≠ 0 \exists r\in { {\mathbb{Z}}_{\ne 0}} rZ=0, ∀ k ∈ Z > 0 \forall k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0, r r r n = p k n={ {p}^{k}} n=pk的原根. 又由定理11, n = 2 p k n=2{ {p}^{k}} n=2pk有原根 r r r r + p k r+{ {p}^{k}} r+pk.

( ⇒ ) \left( \Rightarrow \right) ()我们要证明若 n n n有原根, 则 n n n只可能具备 2 ,   4 ,   p k ,   2 p k 2,\text{ }4,\text{ }{ {p}^{k}},\text{ }2{ {p}^{k}} 2, 4, pk, 2pk的形式. 设 n n n有素因子分解
n = p 1 e 1 ⋯ p k e k ,   e i ∈ Z > 0 . n={ {p}_{1}}^{ { {e}_{1}}}\cdots { {p}_{k}}^{ { {e}_{k}}},\text{ }{ {e}_{i}}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}. n=p1e1pkek, eiZ>0.
第一步, 我们要证明 φ ( p 1 e 1 ) ,   ⋯   ,   φ ( p k e k ) \varphi \left( { {p}_{1}}^{ { {e}_{1}}} \right),\text{ }\cdots ,\text{ }\varphi \left( { {p}_{k}}^{ { {e}_{k}}} \right) φ(p1e1), , φ(pkek)两两互素.
n n n有原根 r r r. 由博文《指数和原根》中的定理12, 有 gcd ⁡ ( r , n ) = 1 \gcd \left( r,n \right)=1 gcd(r,n)=1, 从而成立
gcd ⁡ ( r , p i e i ) = 1 ,   ∀ i ∈ { 1 , ⋯   , k } . \gcd \left( r,{ {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)=1,\text{ }\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,k \right\}. gcd(r,piei)=1, i{ 1,,k}.
由欧拉定理, 成立
r φ ( p i e i ) ≡ 1     m o d   p i e i ,   ∀ i ∈ { 1 , ⋯   , k } . (13.1) { {r}^{\varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}},\text{ }\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,k \right\}. \tag{13.1} rφ(piei)1 modpiei, i{ 1,,k}.(13.1)
U = l c m 1 ≤ i ≤ k   ( φ ( p i e i ) ) U=\underset{1\le i\le k}{\mathop{lcm}}\,\left( \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) \right) U=1iklcm(φ(piei)), 则成立
φ ( p i e i ) ∣ U ,   ∀ i ∈ { 1 , ⋯   , k } . (13.2) \left. \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) \right|U,\text{ }\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,k \right\}. \tag{13.2} φ(piei)U, i{ 1,,k}.(13.2)
由式(13.1), 式(13.2), 成立
r U ≡ 1     m o d   p i e i ,   ∀ i ∈ { 1 , ⋯   , k } . (13.3) { {r}^{U}}\equiv 1\text{ }\bmod { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}},\text{ }\forall i\in \left\{ 1,\cdots ,k \right\}. \tag{13.3} rU1 modpiei, i{ 1,,k}.(13.3)
式(13.3)进一步推得
r U ≡ 1     m o d   l c m 1 ≤ i ≤ k   p i e i = n . { {r}^{U}}\equiv 1\text{ }\bmod \underset{1\le i\le k}{\mathop{lcm}}\,{ {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}}=n. rU1 mod1iklcmpiei=n.
而由于 r r r n n n的原根, r r r对模 n n n的指数是 φ ( n ) \varphi \left( n \right) φ(n), 因此成立
φ ( n ) ∣ U . (13.4) \left. \varphi \left( n \right) \right|U. \tag{13.4} φ(n)U.(13.4)
另一方面, U U U是各 φ ( p i e i ) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) φ(piei)的最小公倍数, 且 ∏ i = 1 k φ ( p i e i ) \prod\limits_{i=1}^{k}{\varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)} i=1kφ(piei)显然也是各 φ ( p i e i ) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) φ(piei)的最小公倍数, 由最小公倍数的性质, 可得
U ∣ ∏ i = 1 k φ ( p i e i ) = φ ( n ) . (13.5) \left. U \right|\prod\limits_{i=1}^{k}{\varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)}=\varphi \left( n \right). \tag{13.5} Ui=1kφ(piei)=φ(n).(13.5)
由式(13.4), 式(13.5), 成立
U = φ ( n ) . (13.6) U=\varphi \left( n \right). \tag{13.6} U=φ(n).(13.6)
式(13.6)说明了 k ≥ 2 k\ge 2 k2时应满足 φ ( p 1 e 1 ) ,   ⋯   ,   φ ( p k e k ) \varphi \left( { {p}_{1}}^{ { {e}_{1}}} \right),\text{ }\cdots ,\text{ }\varphi \left( { {p}_{k}}^{ { {e}_{k}}} \right) φ(p1e1), , φ(pkek)两两互素.

第二步, 我们要证明对于素数 p i { {p}_{i}} pi,
φ ( p i e i ) = p i e i − 1 ( p i − 1 ) (13.7) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)={ {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}-1}\left( { {p}_{i}}-1 \right) \tag{13.7} φ(piei)=piei1(pi1)(13.7)
是偶数当且仅当 p i { {p}_{i}} pi是奇数或者 p i = 2 { {p}_{i}}=2 pi=2 e i ≥ 2 { {e}_{i}}\ge 2 ei2.
事实上, 若 p i { {p}_{i}} pi是奇数, 则 p i − 1 { {p}_{i}}-1 pi1是偶数, 由式(13.7), φ ( p i e i ) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) φ(piei)是偶数.
p i { {p}_{i}} pi非奇数, 即 p i = 2 { {p}_{i}}=2 pi=2, 此时有
φ ( p i e i ) = 2 e i − 1 . \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)={ {2}^{ { {e}_{i}}-1}}. φ(piei)=2ei1.
由于 e i ∈ Z > 0 { {e}_{i}}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} eiZ>0, 当 e i = 1 { {e}_{i}}=1 ei=1时, φ ( p i e i ) = 2 0 = 1 \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right)={ {2}^{0}}=1 φ(piei)=20=1是奇数, 当 e i ≥ 2 { {e}_{i}}\ge 2 ei2时, 有 e i − 2 ≥ 0 { {e}_{i}}-2\ge 0 ei20, 即有 2 e i − 2 ∈ Z > 0 { {2}^{ { {e}_{i}}-2}}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} 2ei2Z>0, 成立
2 ∣ 2 e i − 1 = 2 × 2 e i − 2 . \left. 2 \right|{ {2}^{ { {e}_{i}}-1}}=2\times { {2}^{ { {e}_{i}}-2}}\text{.} 22ei1=2×2ei2.
即此时 φ ( p i e i ) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right) φ(piei)是偶数.

第三步, 由第一步的结论, k ≥ 2 k\ge 2 k2 φ ( p 1 e 1 ) ,   ⋯   ,   φ ( p k e k ) \varphi \left( { {p}_{1}}^{ { {e}_{1}}} \right),\text{ }\cdots ,\text{ }\varphi \left( { {p}_{k}}^{ { {e}_{k}}} \right) φ(p1e1), , φ(pkek) k k k个数中不能有两个以上的偶数. 结合第二步的结论, 推得 n n n不能同时有两个奇素因子, 或者同时有因子 4 = 2 2 4={ {2}^{2}} 4=22以及一个奇素因子, 否则某一对 φ ( p i e i ) ,   φ ( p j e j ) \varphi \left( { {p}_{i}}^{ { {e}_{i}}} \right),\text{ }\varphi \left( { {p}_{j}}^{ { {e}_{j}}} \right) φ(piei), φ(pjej)均为偶数 ( p i ≠ p j ) \left( { {p}_{i}}\ne { {p}_{j}} \right) (pi=pj).
因此只有两种情况: 第一种, n n n只有一个奇素因子, 此时要求 n n n的标准分解式中素因子 2 2 2的指数 0 ≤ δ < 2 0\le \delta <2 0δ<2. δ = 0 \delta =0 δ=0对应 n n n的形式是 p k { {p}^{k}} pk; δ = 1 \delta =1 δ=1对应 n n n的形式是 2 p k 2{ {p}^{k}} 2pk.
第二种, n n n没有奇素因子, 则 n n n具有形式 2 k { {2}^{k}} 2k. 又根据 n n n有原根 r r r博文《原根的存在性 相关定理 (一)》中的推论2, 得到 k ≤ 2 k\le 2 k2. k = 2 k=2 k=2对应 n = 2 2 = 4 n={ {2}^{2}}=4 n=22=4; k = 1 k=1 k=1对应 n = 2 1 = 2 n={ {2}^{1}}=2 n=21=2; k = 0 k=0 k=0对应 n = 2 0 = 1 ∉ Z > 1 n={ {2}^{0}}=1\notin { {\mathbb{Z}}_{>1}} n=20=1/Z>1.

定理14 设 m ∈ Z > 1 m\in { {\mathbb{Z}}_{>1}} mZ>1, r ∈ Z r\in \mathbb{Z} rZ, gcd ⁡ ( r , m ) = 1 \gcd \left( r,m \right)=1 gcd(r,m)=1. 则 r r r是模 m m m的原根当且仅当任意正的素因子 q ∣ φ ( m ) \left. q \right|\varphi \left( m \right) qφ(m)满足 r φ ( m ) q ≡ 1     m o d   m . { {r}^{\frac{\varphi \left( m \right)}{q}}}\cancel{\equiv }1\text{ }\bmod m. rqφ(m) 1 modm.

证明
( ⇒ ) \left( \Rightarrow \right) () r r r是模 m m m的原根, 则成立
φ ( m ) = min ⁡ { x ∈ Z > 0 :   r x ≡ 1     m o d   m } . (14.1) \varphi \left( m \right)=\min \left\{ x\in { {\mathbb{Z}}_{>0}}:\text{ }{ {r}^{x}}\equiv 1\text{ }\bmod m \right\}. \tag{14.1} φ(m)=min{ xZ>0: rx1 modm}.(14.1)
任取 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)的素因子 q ∣ φ ( m ) \left. q \right|\varphi \left( m \right) qφ(m), 成立
0 < φ ( m ) q < φ ( m ) . (14.2) 0<\frac{\varphi \left( m \right)}{q}<\varphi \left( m \right). \tag{14.2} 0<qφ(m)<φ(m).(14.2)
由(14.1), (14.2), 直接得出
r φ ( m ) q ≡ 1     m o d   m . { {r}^{\frac{\varphi \left( m \right)}{q}}}\cancel{\equiv }1\text{ }\bmod m. rqφ(m) 1 modm.

( ⇐ ) \left( \Leftarrow \right) ()设对 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m)的任意素因子 q q q, 成立
r φ ( m ) q ≡ 1     m o d   m ,   ∀ q  is prime,  q > 0 ,   q ∣ φ ( m ) . (14.3) { {r}^{\frac{\varphi \left( m \right)}{q}}}\cancel{\equiv }1\text{ }\bmod m,\text{ }\forall q\text{ is prime, }q>0,\text{ }\left. q \right|\varphi \left( m \right). \tag{14.3} rqφ(m) 1 modm, q is prime, q>0, qφ(m).(14.3)
r r r对模 m m m的指数为 δ \delta δ, 成立
r δ ≡ 1     m o d   m . (14.4) { {r}^{\delta }}\equiv 1\text{ }\bmod m. \tag{14.4} rδ1 modm.(14.4)
博文《指数和原根》中的定理12, 有 gcd ⁡ ( r , m ) = 1 \gcd \left( r,m \right)=1 gcd(r,m)=1. 再由欧拉定理, 得到
r φ ( m ) ≡ 1     m o d   m . { {r}^{\varphi \left( m \right)}}\equiv 1\text{ }\bmod m. rφ(m)1 modm.
因此由指数的性质成立
δ ∣ φ ( m ) . (14.5) \left. \delta \right|\varphi \left( m \right). \tag{14.5} δφ(m).(14.5)
φ ( m ) δ > 1 \frac{\varphi \left( m \right)}{\delta }>1 δφ(m)>1, 则可以将 φ ( m ) δ \frac{\varphi \left( m \right)}{\delta } δφ(m)进行素因子分解, 即存在素数 q ∣ φ ( m ) δ \left. q \right|\frac{\varphi \left( m \right)}{\delta } qδφ(m)(当然也就有 q ∣ φ ( m ) \left. q \right|\varphi \left( m \right) qφ(m)), 也就有 δ q ∣ φ ( m ) \left. \delta q \right|\varphi \left( m \right) δqφ(m), δ ∣ φ ( m ) q ∈ Z > 0 \left. \delta \right|\frac{\varphi \left( m \right)}{q}\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} δqφ(m)Z>0, 即 ∃ k ∈ Z > 0 \exists k\in { {\mathbb{Z}}_{>0}} kZ>0, 使得
φ ( m ) q = k δ . (14.6) \frac{\varphi \left( m \right)}{q}=k\delta . \tag{14.6} qφ(m)=kδ.(14.6)
结合式(14.4), 式(14.6), 成立
r φ ( m ) q = r k δ = ( r δ ) k ≡ 1     m o d   m . (14.7) { {r}^{\frac{\varphi \left( m \right)}{q}}}={ {r}^{k\delta }}={ {\left( { {r}^{\delta }} \right)}^{k}}\equiv 1\text{ }\bmod m. \tag{14.7} rqφ(m)=rkδ=(rδ)k1 modm.(14.7)
而式(14.3)和式(14.7)是矛盾的, 由反证法, φ ( m ) δ ≤ 1 \frac{\varphi \left( m \right)}{\delta }\le 1 δφ(m)1, 即有
φ ( m ) ≤ δ . (14.8) \varphi \left( m \right)\le \delta . \tag{14.8} φ(m)δ.(14.8)
而由式(14.5)推得
δ ≤ φ ( m ) . (14.9) \delta \le \varphi \left( m \right). \tag{14.9} δφ(m).(14.9)
式(14.8), 式(14.9)给出了
δ = φ ( m ) . \delta =\varphi \left( m \right). δ=φ(m).
r r r对模 m m m的指数为 φ ( m ) \varphi \left( m \right) φ(m), r r r是模 m m m的原根.

后注

  1. 引理8, 引理9, 推论10, 定理11, 定理12严格要求 p p p是奇素数, 是因为这几个定理都涉及了
    φ ( 2 p k ) = φ ( 2 ) φ ( p k ) = φ ( p k ) = p k − 1 ( p − 1 ) . \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(2pk)=φ(2)φ(pk)=φ(pk)=pk1(p1).
    而这个式子成立的前提是 gcd ⁡ ( 2 , p k ) = 1 \gcd \left( 2,{ {p}^{k}} \right)=1 gcd(2,pk)=1, 因此素数 p ≠ 2 p\ne 2 p=2.

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