1 定義と基本的な個数
定義 1.1 (平方剰余・平方非剰余).pを奇素数、aをp∤aを満たす整数とする。合同方程式
x2≡a(modp)が解をもつときaを法pの平方剰余 (quadratic residue)(QR)、解をもたないとき平方非剰余(QNR)という。
定義 1.2 (ルジャンドル記号).pを奇素数、aをp∤aを満たす整数とする。ルジャンドル記号 (Legendre symbol) を
(pa)={1−1(a が法 p の平方剰余)(a が法 p の平方非剰余)と定める(p∣aの場合は慣習的に0とすることもあるが、本記事では扱わない)。
補題 1.3.pを奇素数、x,yを整数とする。このとき
x2≡y2(modp)⟺x≡y(modp) または x≡−y(modp)が成り立つ。
証明.x2−y2=(x−y)(x+y)である。§A4.2 補題 2.1により、p∣(x−y)(x+y)ならばp∣x−yまたはp∣x+yである。逆に、いずれかの因子がpで割り切れれば、その積もpで割り切れる。▨
命題 1.4.pを奇素数とする。1,2,…,p−1のうち、ちょうど2p−1個が平方剰余である。
証明.1≤x≤p−1とする。補題 1.3により、1,…,p−1のうち、平方がx2と法pで合同である数はxとp−xだけである。pは奇数なのでx=p−xである。したがって1,…,p−1は、平方が同じ剰余をもつ二つの数の組に分かれる。各組に一つの平方剰余が対応し、異なる組には異なる平方剰余が対応するので、平方剰余の個数は(p−1)/2である。▨
2 オイラーの規準
定理 2.1 (オイラーの規準).pを奇素数、aをp∤aを満たす整数とする。このとき
(pa)≡a2p−1(modp).
証明.§A4.12 定理 3.2により、法pの原始根gを取る。gの位数はp−1であり、§A4.12 系 2.2により、g0,g1,…,gp−2は法pで相異なる非零の剰余類を表す。したがってa≡gk(modp)を満たす整数kが0≤k≤p−2の範囲にただ一つ存在する。
k=2jならa≡(gj)2(modp)であり、aは平方剰余である。逆にa≡x2(modp)とする。p∤xなのでx≡gt(modp)を満たす整数tを0≤t≤p−2の範囲に取ることができる。gk≡g2t(modp)である。k=2tの場合は、§A4.5 命題 3.2によりg∣k−2t∣≡1(modp)であり、§A4.12 命題 1.2によりp−1∣∣k−2t∣である。k=2tの場合も含めて、k≡2t(modp−1)である。p−1は偶数なのでkは偶数である。よってaが平方剰余であることとkが偶数であることは同値である。
h=(p−1)/2とおく。(gh)2≡1(modp)であるから、補題 1.3によりgh≡1(modp)またはgh≡−1(modp)である。0<h<p−1とgの位数がp−1であることからgh≡1(modp)なので、gh≡−1(modp)である。したがって
ah≡(gh)k≡(−1)k=(pa)(modp)が成り立つ。▨
例 2.2. 法を15にすると、15と互いに素な剰余類の代表は
1,2,4,7,8,11,13,14である。それぞれの平方の余りは
aa2mod151124417484111134141となる。したがって、15と互いに素な剰余類のうち平方となるものは1,4の2個であり、φ(15)/2=4個ではない。実際、合同方程式x2≡1(mod15)にはx≡1,4,11,14(mod15)という四つの解がある。素数を法とする場合のように、平方が等しいものを符号だけで分類することができない。
また
2φ(15)/2=24=16≡1(mod15)であるが、x2≡2(mod15)には解がない。この合同式の解があれば、その解は3でも5でも割り切れないので、表に挙げた既約剰余のいずれかになる。しかし、その平方の余りは1または4である。したがって、オイラーの規準の法を素数から合成数へ置き換えても、同じ判定が成り立つとは限らない。
系 2.3 (第一補充法則).pを奇素数とする。このとき(p−1)=(−1)2p−1であり、
(p−1)=1⟺p≡1(mod4)が成り立つ。
証明. オイラーの規準をa=−1に適用すれば(p−1)≡(−1)2p−1(modp)。両辺とも{−1,1}に値を持ち、p≥3なので−1≡1(modp)。よって modpでの合同は整数としての等号を意味する。2p−1が偶数(p≡1(mod4))なら値は1、奇数(p≡3(mod4))なら−1。▨
例 2.4.13≡1(mod4)なので、系 2.3により−1は法13の平方剰余である。実際x=5で52=25=26−1≡−1(mod13)が成り立つ。
系 2.5.pを奇素数、a,bをp∤abを満たす整数とする。このとき(pab)=(pa)(pb)。
証明. オイラーの規準より
(pab)≡(ab)2p−1=a2p−1b2p−1≡(pa)(pb)(modp).両辺は{−1,1}に値を持ちp≥3なので、系 2.3の証明と同じ理由で合同は等号に強まる。▨
3 例題
次のルジャンドル記号の値を、オイラーの規準で求めよ。
解法の型オイラーの規準:(pa)≡a(p−1)/2(modp)
例 3.1.
(113)答1
注意35≡1(mod11)なので(113)=1
例 3.2.
(117)答−1
注意75≡10(mod11)なので(117)=−1
例 3.3.
(134)答1
注意46≡1(mod13)なので(134)=1
例 3.4.
(1915)答−1
注意159≡18(mod19)なので(1915)=−1
例 3.5.
(176)答−1
注意68≡16(mod17)なので(176)=−1
例 3.6.
(1110)答−1
注意105≡10(mod11)なので(1110)=−1
例 3.7.
(73)答−1
注意33≡6(mod7)なので(73)=−1
例 3.8.
(114)答1
注意45≡1(mod11)なので(114)=1
例 3.9.
(197)答1
注意79≡1(mod19)なので(197)=1
例 3.10.
(115)答1
注意55≡1(mod11)なので(115)=1
4 演習
次のルジャンドル記号の値を、オイラーの規準で求めよ。
解法の型オイラーの規準:(pa)≡a(p−1)/2(modp)
問題 4.1.
(1711)解答.
答−1
注意118≡16(mod17)なので(1711)=−1▨
問題 4.2.
(115)解答.
答1
注意55≡1(mod11)なので(115)=1▨
問題 4.3.
(135)解答.
答−1
注意56≡12(mod13)なので(135)=−1▨
問題 4.4.
(75)解答.
答−1
注意53≡6(mod7)なので(75)=−1▨
問題 4.5.
(74)解答.
答1
注意43≡1(mod7)なので(74)=1▨
問題 4.6.
(117)解答.
答−1
注意75≡10(mod11)なので(117)=−1▨
問題 4.7.
(76)解答.
答−1
注意63≡6(mod7)なので(76)=−1▨
問題 4.8.
(193)解答.
答−1
注意39≡18(mod19)なので(193)=−1▨
問題 4.9.
(236)解答.
答1
注意611≡1(mod23)なので(236)=1▨
問題 4.10.
(1311)解答.
答−1
注意116≡12(mod13)なので(1311)=−1▨
問題 4.11.
(176)解答.
答−1
注意68≡16(mod17)なので(176)=−1▨
問題 4.12.
(138)解答.
答−1
注意86≡12(mod13)なので(138)=−1▨
問題 4.13.
(114)解答.
答1
注意45≡1(mod11)なので(114)=1▨
問題 4.14.
(137)解答.
答−1
注意76≡12(mod13)なので(137)=−1▨
問題 4.15.
(2313)解答.
答1
注意1311≡1(mod23)なので(2313)=1▨