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정수론(2) 나머지로 보는 세상

1. 합동식

1-1. 합동과 나머지

가약성은 수론에서 엄청나게 강력한 도구이다. 이러한 가약성을 다르게 설명하는 방법이 있다. 바로 합동이다.
$m$이 $a-b$를 나눌 때, 즉 $m|(a-b)$ 일때, $a$와 $b$가 법 $m$에대해 합동이다 라고 한다. 그리고 이를

\[a \equiv b \pmod{m}\]

로 표기한다.
예를 들어, $a$를 $m$으로 나눈 나머지가 $r$이면, $a \equiv r\pmod{m}$가 성립한다. 즉 합동을 통해 가약성 이론을 방정식 처럼 표현할 수 있게되는 것이다.

1-2. 합동의 성질

  1. $a \equiv b \pmod{m}$이면, $a \pm c\equiv b\pm c \pmod{m}$이다.
  2. $a \equiv b \pmod{m}$이면, $ac \equiv bc \pmod{m}$이다.
  3. $(a,m)=1$인 경우에만, $ac \equiv bc \pmod{m}$ 이면 $a \equiv b \pmod{m}$이다.
    1, 2, 3 모두, 합동이면 $m|(a-b)$라는 성질을 활용하면 쉽게 증명할 수 있다.

1-3. 일차 합동방정식의 풀이

합동방정식의 풀이도 일반 방정식과 크게 다르지 않다. 덧셈과 뺄셈, 곱셈, 그리고 조건에 따라 나눗셈도 허용이 되기 때문에, 이를 잘 활용하여 풀면 된다.
그러나 해가 언제나 존재하는 것은 아니다. 합동방정식 $ax \equiv c \pmod{m}$이 있을 때, 해가 존재할 조건은 $(a,m)|c$이다. 이는 선형 방정식 $ax + by = c$의 해가 존재할 조건이 $(a,b)|c$임과 동치이다.
해를 구하는 방법은 크게 두 가지 방법이 있다.

  1. 유클리드 호제법
    1. $ax \equiv c \pmod{m}$에서 $d=(a,m)$을 구한다.
    2. $a_1=a/d$, $c_1=c/d$, $m_1=m/d$를 계산한다.
    3. 유클리드 호제법으로 $a_1 x + m_1 y = c_1$의 특수해, $x_0$를 구한다.
    4. 법 $m_1$을 법 $m$으로 확장시키면, 일반해 $x \equiv x_0, \ x_0+m_1, \ ….\ \ x_0+(d-1)m_1$을 구할 수 있다.
  2. 역원을 사용해서
    1. 위와 동일하게, $a_1x \equiv c_1 \pmod{m_1}$으로 변형시킨다.
    2. 법 $m_1$에 대한 $a_1$의 역원 $a_1^* $을 구한다.
    3. $a_1^* \cdot a_1x \equiv x \equiv a_1^* \cdot c_1 \pmod {m_1}$을 통해 특수해를 구한다.
    4. 위와 동일하게 법 $m_1$을 법 $m$으로 확장시킨다.
      2에서 역원이 존재함은 $(a_1,m_1)=1$이기 때문이다.

즉, 해는 $ (a,m) |c $ 일 때 존재하고, 해의 개수는 $(a,m)$이다.

2. 합동에 대한 정리들

2-1. 나머지 집합

$\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}}:= [0, 1, 2, 3, …. \ n-1]$을 나머지 환, 즉 $n$으로 나눈 나머지들만 모아 둔 집합이라고 정의하자.
이와 유사하게, $(\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}})^x := [k \in \mathbb{Z}: \ 0<k<n, (k,n)=1]$, 즉 역원이 존재하는 원소만 모아둔 나머지 환이라고 정의하고자 한다. 예를 들어 $(\mathbb{Z}/{6\mathbb{Z}})^x := [1, 5]$이다.
소수인 $p$의 경우, $\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}} = (\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$임을 생각해볼 수 있을 것이다.
이를 통해서 합동에 대한 몇가지 정리들을 증명하고자 한다.

2-2. 윌슨의 정리

윌슨의 정리:

\[(p-1)! \equiv -1\pmod p\]

증명.
$a \in (\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$에 대해 $a=a^* $인 $a$를 생각해보자.
$a^2\equiv 1\pmod p$이므로, $(a-1)(a+1)\equiv 0 \pmod p$이고, $p|(a-1)(a+1)$이 성립한다.
$p$가 소수이므로, $p|a-1$ 또는 $p|a+1$이다. 즉, $a\equiv1 \pmod p$ 또는 $a \equiv -1 \pmod p$이다.
즉 $(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$에서 $1$과 $p-1$를 제외하고는, 역수끼리 서로를 짝 지어줄 수 있다.
$(p-1)! = 1 \cdot (p-1) \cdot (b \cdot b^* ) \cdot (c \cdot c^* ) \cdot\cdot\cdot \equiv 1\cdot(-1)\cdot1\cdot1\cdot\cdot\cdot\equiv-1\pmod p$가 성립한다.

2-3 페르마의 소정리

페르마의 소정리:

\[a^{(p-1)}\equiv1\pmod p \ \ \ if \ p \ is \ prime \ and \ (a,p)=1\]

증명.
$(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$의 원소에 $a$를 모두 곱해주어도 결국 $(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$와 같은 집합이다.
이는 만약 $1\leq k,j \leq p$ 일때, $ka \equiv ja\pmod p$이면, $k=j$임을 통해 증명할 수 있다. $p|a(k-j)$이면 $p|a$ 또는 $p|k-j$인데, $(a,p)=1$이고 $-1+p<k-j<p-1$이므로 $p\nmid a$ 이고 $p\nmid k-j$에 따라 $k=j$이 참이다.
따라서 $(p-1)! \equiv a\cdot 2a \cdot\cdot\cdot (p-1)a \pmod p$이 성립하고, $(p-1)!$의 역수가 존재하므로, 양변에 $(p-1)!$을 곱하면, $a^{(p-1)}\equiv1\pmod p$가 된다.

이 정리를 통해, 매우 효율적으로 어떤 수의 소수 여부를 판별할 수 있다. $n$이 어떤 $a$에 대해 $a^{(n-1)}\not\equiv 1\pmod n$라면, $n$은 반드시 합성수이다. 반면, 페르마의 소정리의 역은 성립하지 않으므로, $(a,n)=1$인 모든 $a$에 대해 $a^{(n-1)}\equiv 1\pmod n$ 가 성립한다고 하더라도, $n$은 높은 확률로 소수라고 말할 수 있을 뿐이지, 반드시 소수는 아니다. 이렇게 페르마의 소정리를 활용한 소수판정법을 뚫는 수를 카마이클 수라고 한다.

2-4 오일러 정리

오일러 정리:

\[a^{\phi(n)} \equiv 1 \pmod n \ \ \ if \ (a,n)=1, \ \ \phi(n)=\sharp[(\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}})^x]\]

페르마의 소정리와 엄청 비슷하게 생겼다. 왜냐하면 페르마의 소정리를 소수 뿐만이 아닌 모든 정수로 확장시킨 것이 오일러 정리이기 때문. $n$에 소수를 대입해도 그대로 잘 작동한다. 증명과정도 거의 동일하므로 생략하고자 한다.

이 정리를 통해, $\phi(n)$의 값을 알고 있다면, modular exponention을 엄청 간단하게 바꿀 수 있다. 예를 들어, $3^{121}\pmod{10}$을 계산한다고 하자. $3^{4} \equiv 1\pmod{10}$이므로, $3^{121} \equiv 3^{4\cdot30\cdot1} \equiv 3\pmod{10}$임을 쉽게 계산할 수 있다. 문제는 $\phi(n)$의 값을 계산할 줄 알아야 한다는 점인데, 지금부터 알아보도록 한다.

3. 오일러함수 $\phi(n)$

3-1. $\phi(n)$

오일러 함수 $\phi(n)$를 어떻게 하면 쉽게 계산할 수 있을까?
우선 소수의 경우, $\phi(p)=p-1$임은 간단하다. 그리고 이를 활용하면, $\phi(p^r)$도 쉽게 구할 수 있다. $1\leq a \leq p^r$인 $a$에 대해 $(a,p)\neq1$인 $a$는 $p|a$를 만족한다. 즉 $p, \ 2p, \ 3p, … \ p^{r-1}\cdot p$ 이며 $p^{r-1}$개 존재한다. 따라서

\[\phi(p^r) = p^r - p^{r-1}\]

이다.
그렇다면 일반적인 합성수, $m=p_1^{r_1}\cdot p_2^{r_2}\cdot p_3^{r_3}\cdot p_4^{r_4}\cdot\cdot\cdot p_k^{r_k}$에 대한 $\phi(m)$은 어떻게 계산할까.

3-2. 나머지 집합의 구조

위에서 나머지 집합 $(\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}})$을 정의하였다. 여기서 가장 중요한 포인트는,

\[(\mathbb{Z}/{mn\mathbb{Z}}) \simeq (\mathbb{Z}/{m\mathbb{Z}}) \times (\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}}) \ \ if \ (m,n)=1\]

라는 것이다.
즉, $(\mathbb{Z}/{mn\mathbb{Z}})$의 원소를 $(\mathbb{Z}/{m\mathbb{Z}})\times (\mathbb{Z}/{n\mathbb{Z}})$의 원소로 일대일 대응이 존재한다는 것이다.
예를 들어 $m=3, \ n=5$일때, $7\rightarrow(1,2)$가 존재하고, $3\leftarrow (0,3)$이 존재한다.
만약 이것이 참이라면, 이를 통해 다음 식 또한 참임을 알 수 있다.

\[\phi(mn) = \phi(m)\cdot\phi(n) \ \ if \ (m,n)=1\]

3-3 중국인의 나머지 정리

일대일 대응이 존재한다는 것은, 다음과 동치이다.

  1. 첫번째 집합에서 서로 다른 수를 고르면, 두번째 집합에서 서로 다른 순서쌍에 대응된다.
  2. 두번째 집합의 모든 순서쌍은 이에 대응되는 첫번째 집합의 수를 찾을 수 있다.
    1번의 증명은 어렵지 않으니 생략하고자 한다.
    2번의 증명은 중국인의 나머지 정리를 통해 증명할 수 있다.

중국인의 나머지 정리:

\[x\equiv b\pmod m \ and \ x\equiv c\pmod n \\ has \ unique \ solution \ \ if \ (m,n)=1\]

이는

  1. $x=my+b$로 둔다.
  2. $my \equiv c-b \pmod n$의 유일 해를 구할 수 있다.
    를 통해 쉽게 증명할 수 있다.

따라서 $\phi(mn) = \phi(m)\cdot\phi(n) \ \ if \ (m,n)=1$이 성립한다.

3-4 $\sum_{d|n}\phi(d) = n$의 증명

두 가지의 증명법이 있다.

  1. $n$이 소수일 때를 base case로서 증명하고, 이를 일반화하는 방법
  2. $\sum_{d|n}\phi(d) = \sum_{d|n}\phi(n/d)$임을 활용하는 방법
    1번은 $\phi$의 곱셈 성질을 사용하면 간단하기 때문에, 2번의 방법을 설명하고자 한다.

$1 \sim n$까지의 정수를, n의 약수들, $d_1, \ d_2, \ …\ , \ d_r$의 배수들로 분류해보고자 한다. 즉, $(n,a)=1$인 a의 집합, $(n,a)=d_1$인 a의 집합, … $(n,a)=n$인 a의 집합, 즉 $n$의 약수 만큼의 집합으로 나눈다. 이들 집합은 교집합이 없고, 전부 합치면, 다시 $1 \sim n$의 수가 된다.
$(n,a)=d_i$인 a의 집합을 $A_{di}$라고 하자. 주장하고 싶은 것은, $\sharp A_{di} = \phi(n/d_i)$라는 것이다.
$A_{di} = [d_ik: \ 1\leq k \leq n/d_i]$라고 다시 표현할 수 있다. 이 집합은 $(d_i,n)=d(k,n/d_i)=d_i$, 즉 $(k,n/d_i)=1$를 만족해야하고, 이는 $\sharp A_{di} = \phi(n/d_i)$가 참임을 증명한다.

4. 원시근 정리

4-1 원시근

$(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$의 흥미로운 점은, $(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$의 어떤 원소 $a$를 제곱함을 통해 $(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$의 모든 원소를 얻을 수 있다는 점이다. 예를 들어 $p=5$인 경우, $2^1, 2^2, 2^3, 2^4$를 통해 $(\mathbb{Z}/{p\mathbb{Z}})^x$의 모든 원소를 표현할 수 있다.
이런 원소 $a$를 원시근이라고 하고, $a^i \not \equiv1\pmod p \ \ if \ 1\leq i < p-1$이라고 정의한다. 이는 $i<p-1$ 일때 $a^i \equiv 1\pmod p$이면 순환이 생긴다는 점에서 자연스럽게 받아들일 수 있다.

4-2 위수의 성질

법 $p$에 대한 $a$의 위수를 $ord_p(a)$라고 표기하기로 약속하고, 다음과 같이 정의한다.

\[ord_p(a) = [a^i\equiv 1\pmod p를 만족하는 최소의 i]\]

즉 $a$가 $p$의 원시근이 되기 위해서는, $ord_p(a)=p-1$이 되어야한다.
이와 같은 위수에는 성질이 있는데,

  1. $ord_p(a)\leq p-1$
  2. $ord_p(a)|n, \ \ if \ a^n \equiv \pmod p$
    1번은 페르마의 소정리를 통해 쉽게 증명할 수 있다.
    2번은 나눗셈 정리를 통해 증명할 수 있다. 특히, 이를 통해 $ord_p(a)|p-1$임을 알 수 있다.

4-3 원시근 정리와 증명

원시근 정리:

\[모든 \ 소수 \ p는 \ \phi(p-1)개의 \ 원시근을 \ 가진다.\]

도움 정리. 법 $p$에 대한 다항식의 근의 정리

\[f(x)=a_0x^d + a_1x^{d-1} + \cdot\cdot\cdot +a_d에 \ 대하여 \ p\nmid a_0을 \ 만족하면 \\ f(x)\equiv0\pmod p은 \ 최대 \ d개의 \ 서로 \ 다른 \ 해를 \ 가짐\]

이 도움 정리는 귀류법을 사용하면 어렵지 않게 증명할 수 있다.
이를 활용하여, 원시근 정리를 증명하고자 한다.

우선, $p-1 = nk$라고 하면, $X^{p-1}-1=X^{nk}-1=(X^n-1)((X^n)^{k-1} + (X^n)^{k-2} + \cdot\cdot\cdot+X^n + 1)$와 같이 인수분해 할 수 있다.
한편, 페르마의 소정리로 부터 $X^{p-1}-1\equiv 0\pmod p$은 정확히 $p-1$개의 해를 가짐을 알고있다. 따라서, 다음 주장은 참이 된다.

\[n|p-1이면, \ X^n-1\equiv 0 \pmod p 는 \ 정확히 \ n개의 \ 근을 \ 가진다.\]

한편, $\psi(d) = \sharp[a: \ 1\leq a<p \ \ and \ \ ord_p(a) = d]$ 를 정의하고자 한다. 이를 통해 $ X^n-1\equiv 0\pmod p$의 근을 다른 방식을 세어보자.
만약 $X=a$가 근이라면, $a^n\equiv 1 \pmod p$가 성립하고, 위수의 2번째 성질에 따라 $ord_p(a)|n$이 성립한다. 따라서, 반대로 $n$의 모든 약수 $d_1, \ d_2, \ …\ , \ d_r$에 대해, $\psi(d_1) + \psi(d_2) + \cdot\cdot\cdot + \psi(d_r)$가 $ X^n-1\equiv 0\pmod p$의 근의 개수가 된다.

\[n은 \ p-1을 \ 나누고 \ d_1, \ d_2, \ ...\ , \ d_r는 \ n의 \ 모든 약수라고 하자. \ 그러면, \\ \psi(d_1) + \psi(d_2) + \cdot\cdot\cdot + \psi(d_r) = n \ 이 \ 성립한다.\]

마지막으로, $\sum_{d|N}\phi(d) = N$임을 통해,
귀납적 가정을 사용하여 \(\phi = \psi\)를 증명하면, 원시근 정리의 증명은 끝이다.

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