網絡空間安全數學基礎·整除與同余

主要內容:
整除的基本概念(掌握)
素數(掌握)
同余的概念(掌握)

1.1整除

定義:設a,b是任意兩個整數,其中b≠0,如果存在一個整數q,使 a = qb,則我們稱b整除a,或a被b整除,記為b|a,此時稱 b是a的因子,a是b的倍數。

例:a=10, b=2則有2|10;若a=100, b=10有10|100

例:設a是整數,a≠0, 則a|0。

整除的基本性質:
1. 如果b|a且a|b,則b = a或b = -a。

2. 如果a|b且b|c,則a|c。

3. 如果c|a且c|b,則c|ua+vb,其中u,v是整數。

整除的基本性質(補充):
(1)?a|b<=>-a|b<=>a|-b<=>-a|-b<=>|a| | |b|
(2) b≠0且a|b => |a|≤|b|

帶余除法:當兩個整數不能整除時,我們有帶余除法:
定義:對于a,b兩個整數,其中b≠0,則存在唯一q,r使得:a=bq+r,0 ≤ r<|b|。r稱為a被b除得到的余數, 當r = 0時,b|a。

例:

1)a = –37, b= 5,則–37 = (-8)×5+3,q=8,r=3

2)a = 67,b= 7,則67=(9)×(7)+4,q=9, r=4

最大公因子:
定義:
1) 設a,b是兩個整數,如果整數c|a且c|b,則c稱為a,b的公因子。
2) 設c>0是兩個不全為零的整數a,b的公因子,如果a,b的任何公因子都整除c,則c稱為a,b的最大公因子,記為c=(a,b)。

最大公因子性質:
1.(a,b)=(-a,b)=(a,-b)=(-a,-b)=(|a|,|b|)
2.(0,a)=a

最大公因子(求解)

例:(-3824,1837)

最大公因子定理:
定理:設a,b是兩個不全為零的整數,則存在兩個整數u, v,使得:(a, b)=ua+vb。

例:將a = 888,b = 312的最大公因子表示為(a,b) = ua+vb。

1.2互素?

定義:設a,b是兩個不全為0的整數,如果(a, b)=1,則稱a,b互素。

推論:a, b互素的充分必要條件是:存在u,v,使ua+vb=1。

互素性質:
1) 如果c|ab且(c, a) = 1,則c|b 。

2) 如果a|c,b|c,且(a, b) = 1,則ab|c 。

3) 如果(a,c) = 1,(b,c) = 1,則(ab,c) =1 。

最小公倍數:
定義:
1) 設a, b是兩個不等于零的整數.如果a|d,b|d,則稱d是a和b的公倍數。
2) a和b的正公倍數中最小的稱為a和b的最小公倍數,記為[a,b] 。

最小公倍數性質:
[a,b] = [–a,b] = [a,–b] = [–a,–b] = [|a|,|b|]

例:a = 2,b = 3.它們的公倍數集合為{0,±6,±12,±18,…}.而[2,3] = 6 。

最小公倍數與最大公因子關系:
定理:
1) 設d是a,b的任意公倍數,則[a, b] | d 。
2),特別地,如果(a, b) = 1, [a, b] = |ab|。

1.3素數

定義:如果一個大于1的整數p除±1和±p外無其他因子,則p稱為一個素數,否則稱為合數。

定理:設p是一個素數,則
1) 對任意整數a,如果p不整除a,則(p,a) = 1。
2) 如果p|ab,則p|a,或p|b。

算術基本定理:
定理:每個大于1的整數a都可以分解為有限個素數的乘積:a=p1p2…pr。該分解除素數因子的排列外是唯一的。

標準因子分解式:
由于p1,p2,…,pr中可能存在重復,所以a的分解式可表示為有限個素數的冪的乘積:,這稱為a的標準因子分解式。

例:2100的標準因子分解式:

素數無窮個:
定理:素數有無窮多個。

Eratosthenes篩法:
定理:設a是任意大于1的整數,則a的除1外最小正因子q是一素數,并且當a是一合數時,

對于一般N,Eratosthenes篩法可表述如下:
第1步 找出的全部素數:p1,p2,…,pm。
第2步 在1~N中分別劃去p1,p2,…,pm全部倍數。
第2步完成后剩下的數除1外就是不超過N的全部素數。

篩法原理如下:對于一個數a≤N,如果p1,p2,…,pm都不整除a,則a是素數。這是因為如果a是合數,則由定理它必有一素因子在p1,p2,…,pm中。

例:求不超過100的全部素數。

同理可以將因子5,7的倍數劃去: (3) 劃去5的全部倍數: (4) 劃去7的全部倍數。

最終經過上述步驟后剩下的數除1外就是不超過100的全部素 數: (25個) ? ?2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47,53,59,61,67,71,73,79,83,89,97

1.4 同余

定義:給定一個稱為模的正整數m。如果m除整數a,b得相同的余數,即a=q1m+r,b=q2m+r,0≤ r小于等于m, 則稱a和b關于模m同余,記為 a≡b (mod m)

例:25≡1(mod 8),16≡-5(mod 7)。

定理:整數a,b對模m同余的充分必要條件是:m|(a-b),即a = b+mt,t是整數。

同余性質及推論:

推論:如果a1≡b1 (mod m),a2≡b2 (mod m),則:

快速指數算法

例1-16:求解 2^64 (mod 641)

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