一次同余方程的解法及应用

初等数论是数学基础理论的一个分支,它主要研究的是整数的性质和方程的整数解。由于初等数论中的问题简明易懂,所以近代数学中许多重要的思想、方法和技巧都是从对整数性质的深入研究而丰富并发展起来的。在日常生活中,我们所要注意的常常不是某些整数,而是这些数用某一固定的数去除所得的余数。例如我们问现在几点钟,就是用24去除某一个总的时数所得的余数,同是几点钟或同为星期几。常常在生活中有同样的意义,这样,就在数学中产生了同余的概念。这个概念的产生可以说大大丰富了数学的内容。在代数里面一个主要的问题就是解代数方程,而同余方程是同余理论的核心内容。在这里我们所要研究的就是关于同余方程的一些基本知识、概念、术语等,以及对于一次同余方程,一次同余方程组等等的求解问题。

一、同余方程

设整系数多项式f(x)=anxn+…+a1x+a0(1)我们可讨论是否有整数值x满足同余式f(x)0(mod m)(2)我们要求解的这个同余式(2)称为是模 的同余方程。

若整数c满足f(c)0(mod m),则称c是同余方程(2)的解,我们把这个解记为xc(mod m)。这实际上是把同余类cmodm看作是满足同余方程(2)的一个解。当c1、c2均为同余方程(2)的解,且对模 不同余时,才把它们看作是不同解,我们把所有对模m两两不同余的(2)的解的个数(即满足“2”的模m的同余类的个数)称为是同余方程(2)的解数。因此,我们只要在模m的一组完全剩余系中来解模m的同余方程。显然,模m的同余方程的解数至多为 。

例1: 求同余方程4x2+27x-120(mod 15)的解。

解:取模15的绝对最小完全剩余系:-7,-6,…,-1,0,1,2,…,7。直接计算知x=-6,3是解。所以,这个同余方程的解是x-6,3(mod 15)。

例2: 求同余方程4x2+27x-90(mod 15)。直接计算知这个方程无解。

当f(x)的系数都是模m的倍数时,显见,任意的整数值x都是同余方程(2)的解,这样的同余方程(2)的解数为m,但并不是同余方程(2)的解数为m的必要条件,这可由下面的例子看出。

一般的,对素数p,同余方程xp-x0(mod p)的解数为p。

二、同余方程恒等变形

如同为了解代数方程进行恒等变形一样,为了解同余方程需要利用同余式的性质对同余方程进行恒等变形,即把它变为解完全相同的另一种同余方程,而后者要更简单易懂,最基本、最简单的有以下几种:

1.设s(x)是整系数多项式,同余方程(2)和同余方程 f(x)+m s(x)0(mod m)(3)等价,即它们的解和解数相同,这一恒等变形可表述为:若f(x)g(x)(mod m),则同余方程(2)和同余方程g(x)0(mod m)(4)的解和解数相同。

例如,例1中的同余方程和4x2+3x+30(mod 15),或4x2+12x-120(mod 15)都是等价的。

特别地,一个同余方程中的系数为模的倍数的项去掉后,同余方程的解不变。

例如,同余方程15x8+7x6+45x3-30x+60(mod 15)可化简为7x6+60(mod 15)。

由此,可引进模m的同余方程(2)的次数,即整系数多项式f(x)的模m的次数概念:若man,则称模m的同余方程(2)的次数及模m的次数为。当m|aj,(0≤j≤n)时,我们就不能把二者一起说.要特别注意的是:模m的同余方程(2)的次数及f(x)模m的次数和多项式f(x)的次数不是一回事。

2.设s(x)是整系数多项式,同余方程(2)与同余方程f(x)+s(x)s(x)(mod m)(5)的解和解数相同。

例如,例1中的同余方程与4x2+27x12 (mod 15)是一样的同余方程ax-b0(mod m)和同余方程axb(mod m)是一样的。

定理1:若(an,m)=1及a■■an=1(mod m),则同余方程(2)与同余方程xn+a■■an-1xn-1+……+a■■a1x+a■■a00(mod m (6)的解和解数一样。

3.设同余方程h(x)0(mod m)(7)的解数为m,即上式是恒等同余式。如果整系数多项式q(x),r(x)满足f(x)=q(x)h(x)+r(x)或更一般地,f(x)q(x)h(x)+r(x)(mod m)(9)。那么,同余方程(2)与同余方程r(x)0(mod m)(10)的解和解数相同。如果 的最高次项系数为1,那么,一定存在整系数多项式q(x)与r(x)。r(x)的次数小于h(x)的次数,使得式(8)成立。

如何才能学好初等数论中的同余方程部分,我们的建议是多做、多实践。学习初等数论就像学习新的实用技术课程一样,必须多练习,甚至是一定理一练习,反复看书、反复看举例题或反复做练习题,或许您会豁然开朗。此篇论文只是对简单同余方程的解法进行论述,同余理论是初等数论的核心,它是数论所特有的思想、概念与方法。而同余方程是同余理论的重中之重,在数学领域中应用广泛。

参考文献:

[1] 闵嗣鹤,严士健编.初等数论.北京:高等教育出版社,2003.

[2] 潘承洞,潘承彪编.初等数论.北京:北京大学出版社,2001.

(责编 张宇)

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