数学代写| Theory of Congruences6 代考
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离散数学代写
Let $a$ be an integer and $n$ a positive integer greater than 1 , then $(a \bmod n)$ is defined to be the remainder $r$ when $a$ is divided by $n$. That is,
$a=k n+r \quad$ where $0 \leq r<n .$
Definition
Suppose $a, b$ are integers and $n$ a positive integer, then $a$ is said to be congruent to $b$ modulo $n$ denoted by $a \equiv b(\bmod n)$ if they both have the same remainder when divided by $n$.
This is equivalent to $n$ being a divisor of $(a-b)$ or $n \mid(a-b)$ since we have $a=k_{1} n+r$ and $b=k_{2} n+r$, and so $(a-b)=\left(k_{1}-k_{2}\right) n$ and so $n \mid(a-b)$.
Theorem 3.6 Congruence modulo $n$ is an equivalence relation on the set of integers: i.e. it is a reflexive, symmetric and transitive relation.
$\overline{{ }^{5} \text { Euler was an eighteenth-century Swiss mathematician who made important contributions to }}$ mathematics and physics. His contributions include graph theory (e.g. the well-known formula V$\mathrm{E}+\mathrm{F}=2$ ), calculus, infinite series, the exponential function for complex numbers and the totient
${ }^{6}$ The theory of congruences was introduced by the German mathematician, Carl Friedrich Gauss.
$3.4$ Theory of Congruences
Proof (i) Reflexive
(ii) Symmetric
Symmetric Suppose $a$
(iii) Transitive
$$
\begin{aligned}
&\text { Suppose } a \equiv b(\bmod n) \text { and } b \equiv c(\bmod n) \
&\begin{aligned}
\Rightarrow a-b &=k_{1} n \text { and } b-c=k_{2} n \
\Rightarrow a-c &=(a-b)+(b-c) \
&=k_{1} n+k_{2} n \
&=\left(k_{1}+k_{2}\right) n
\end{aligned}
\end{aligned}
$$
$\Rightarrow a \equiv c(\bmod n) .$
Therefore, congruence modulo $n$ is an equivalence relation, and an equivalence relation partitions a set $\mathrm{S}$ into equivalence classes (Theorem 2.2). The integers are partitioned into $n$ equivalence classes for the congruence modulo $n$ equivalence relation, and these are called congruence classes or residue classes.
The residue class of $a$ modulo $n$ is denoted by $[a]{n}$ or just $[a]$ when $n$ is clear. It is the set of all those integers that are congruent to $a$ modulo $n$ : $$ [a]{n}={x: x \in \mathbb{Z} \text { and } x \equiv a(\bmod n)}={a+k n: k \in \mathbb{Z}} .
$$
Any two equivalence classes $[a]$ and $[b]$ are either equal or disjoint: i.e. we have $[a]=[b]$ or $[a] \cap[b]=\emptyset$. The set of all the residue classes modulo $n$ is denoted by
$$
\mathbb{Z} / n \mathbb{Z}=\mathbb{Z}{n}=\left{[a]{n}: 0 \leq a \leq n-1\right}=\left{[0]{n},[1]{n}, \ldots .,[n-1]{n}\right} . $$ For example, consider $\mathbb{Z}{4}$ the residue classes $\bmod 4$, then
$$
\begin{aligned}
&{[0]{4}={\ldots,-8,-4,0,4,8, \ldots \ldots}} \ &{[1]{4}={\ldots,-7,-3,1,5,9, \ldots \ldots}} \
&{[2]{4}={\ldots,-6,-2,2,6,10, \ldots \ldots}} \ &{[3]{4}={\ldots,-5,-1,3,7,11, \ldots \ldots}}
\end{aligned}
$$
The reduced residue class is a set of integers $r_{i}$ such that $\left(r_{i}, n\right)=1$ and $r_{i}$ is not congruent to $r_{j}(\bmod n)$ for $i \neq j$, such that every $x$ relatively prime to $n$ is congruent modulo $n$ to for some element $r_{i}$ of the set. $\left{r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{\varphi(n)}\right}$ in the reduced residue class set $\mathrm{S}$.
Modular Arithmetic
Addition, subtraction and multiplication may be defined in $\mathbb{Z} / n \mathbb{Z}$ and are similar to these operations in $\mathbb{Z}$. Given a positive integer $n$ and integers $a, b, c, d$ such that $a \equiv$ $b(\bmod n)$ and $c \equiv d(\bmod n)$, then the following are properties of modular arithmetic.
(i) $a+c \equiv b+d(\bmod n)$ and $a-c \equiv b-d(\bmod n)$.
(ii) $a c \equiv b d(\bmod n)$.
(iii) $\quad a^{m} \equiv b^{m}(\bmod n) \forall m \in$.
Proof (of ii) Let $a=k n+b$ and $c=l n+d$ for some $k, l \in \mathbb{Z}$, then
$$
\begin{aligned}
a c &=(k n+b)(l n+d) \
&=(k n)(l n)+(k n) d+b(l n)+b d \
&=(k n l+k d+b l) n+b d \
&=s n+b d \quad(\text { where } s=k n l+k d+b l)
\end{aligned}
$$
and so $a c \equiv b d(\bmod n)$.
$3.4$ Theory of Congruences
The three properties above may be expressed in the following equivalent formulation:
(i) $[a+c]{n}=[b+d]{n}$ and $[a-c]{n}=[b-d]{n}$.
(ii) $[a c]{n}=[b d]{n}$.
(iii) $\left[a^{m}\right]{n}=\left[b^{m}\right]{n} \quad \forall m \in$.
Two integers $x, y$ are said to be multiplicative inverses of each other modulo $n$ if
$$
x y \equiv 1(\bmod n)
$$
However, $x$ does not always have an inverse modulo $n$, and this is clear since, for example, $[3]{6}$ is a zero divisor modulo 6 , i.e. $[3]{6} .[2]{6}=[0]{6}$ and so it does not have a multiplicative inverse. However, if $n$ and $x$ are relatively prime, then it is easy to see that $x$ has an inverse $(\bmod n)$ since we know that there are integers $k, l$ such that $k x+\ln =1$.
Given $n>0$ there are $\varphi(n)$ numbers $b$ that are relatively prime to $n$, and so there are $\varphi(n)$ numbers that have an inverse modulo $p$-l elements that have an inverse $(\bmod p)$.
Theorem $3.7$ (Euler’s Theorem) Let a and ne positive integers with $g c d(a, n)=1 .$ Then
Then
$$
a^{\phi(n)} \equiv 1(\bmod n)
$$
Proof Let $\left{r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{\varphi(n)}\right}$ be the reduced residue system $(\bmod n)$. Then $\left{a r_{1}, a r_{2}, \ldots, a r_{\varphi(n)}\right}$ is also a reduced residue system (mod $n$ ) since $a r_{i} \equiv$ $a r_{j}(\bmod n)$ and $(a, n)=1$ implies that $r_{i} \equiv r_{j}(\bmod n)$.
For each $r_{i}$ there is exactly one $r_{j}$ such that $a r_{i} \equiv r_{j}(\bmod n)$, and different $r_{i}$ will have different corresponding $a r_{j}$. Therefore, $\left{a r_{1}, a r_{2}, \ldots, a r_{\varphi(n)}\right}$ are just the residues module $n$ of $\left{r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{\varphi(n)}\right}$ but not necessarily in the same order. Multiplying, we get
$\prod_{i=1}^{\rho(a)}\left(a r_{j}\right) \equiv \prod_{i=1}^{q(k)} r_{i} \quad(\bmod n)$
图论代考
令$a$ 为整数,$n$ 为大于1 的正整数,则$(a \bmod n)$ 定义为$a$ 除以$n$ 时的余数$r$。那是,
$a=k n+r \quad$ 其中 $0 \leq r<n .$
定义
假设 $a, b$ 是整数,而 $n$ 是正整数,则称 $a$ 与 $b$ 模 $n$ 一致,用 $a \equiv b(\bmod n)$ 表示,如果它们都有除以 $n$ 时的余数相同。
这相当于 $n$ 是 $(ab)$ 或 $n \mid(ab)$ 的除数,因为我们有 $a=k_{1} n+r$ 和 $b=k_{2} n+r $,所以 $(ab)=\left(k_{1}-k_{2}\right) n$ 等等 $n \mid(ab)$。
定理 3.6 同余模 $n$ 是整数集上的等价关系:即它是自反、对称和传递关系。
$\overline{{ }^{5} \text { 欧拉是 18 世纪的瑞士数学家,他对 }}$ 数学和物理学做出了重要贡献。他的贡献包括图论(例如著名的公式 V$\mathrm{E}+\mathrm{F}=2$ )、微积分、无穷级数、复数的指数函数和总
${ }^{6}$ 同余理论由德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯提出。
$3.4$ 全等理论
证明 (i) 自反
(ii) 对称
对称假设 $a$
(iii) 传递的
$$
\开始{对齐}
&\text { 假设 } a \equiv b(\bmod n) \text { 和 } b \equiv c(\bmod n) \
&\开始{对齐}
\右箭头 a-b &=k_{1} n \text { 和 } b-c=k_{2} n \
\右箭头 a-c &=(a-b)+(b-c) \
&=k_{1} n+k_{2} n \
&=\left(k_{1}+k_{2}\right) n
\end{对齐}
\end{对齐}
$$
$\Rightarrow a \equiv c(\bmod n) .$
因此,同余模$n$是一个等价关系,一个等价关系将一个集合$\mathrm{S}$划分为等价类(定理2.2)。对于同余模 $n$ 等价关系,整数被划分为 $n$ 等价类,这些类称为同余类或残差类。
$a$ 模 $n$ 的余数类由 $[a]{n}$ 表示,或者当 $n$ 是明确的时仅用 $[a]$ 表示。它是与 $a$ 模 $n$ 一致的所有整数的集合: $$ [a]{n}={x: x \in \mathbb{Z} \text { 和 } x \equiv a(\bmod n)}={a+kn: k \in \mathbb{Z }} 。
$$
任何两个等价类 $[a]$ 和 $[b]$ 要么相等,要么不相交:即我们有 $[a]=[b]$ 或 $[a]\cap[b]=\emptyset$。所有剩余类的集合以 $n$ 为模表示为
$$
\mathbb{Z} / n \mathbb{Z}=\mathbb{Z}{n}=\left{[a]{n}: 0 \leq a \leq n-1\right}=\左{[0]{n},[1]{n}, \ldots .,[n-1]{n}\right}。 $$ 例如,考虑 $\mathbb{Z}{4}$ 残差类 $\bmod 4$,那么
$$
\开始{对齐}
&{[0]{4}={\ldots,-8,-4,0,4,8, \ldots \ldots}} \ &{[1]{4}={\ldots,-7,-3,1,5,9, \ldots \ldots}} \
&{[2]{4}={\ldots,-6,-2,2,6,10, \ldots \ldots}} \ &{[3]{4}={\ldots,-5,-1,3,7,11, \ldots \ldots}}
\end{对齐}
$$
简化的残差类是一组整数 $r_{i}$ 使得 $\left(r_{i}, n\right)=1$ 并且 $r_{i}$ 不等于 $r_{j}( \bmod n)$ 为 $i \neq j$,使得每个与 $n$ 互质的 $x$ 与集合的某个元素 $r_{i}$ 的模 $n$ 是全等的。 $\left{r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{\varphi(n)}\right}$ 在减少的剩余类集 $\mathrm{S}$ 中。
模数运算
加法、减法和乘法可以在 $\mathbb{Z} / n \mathbb{Z}$ 中定义,并且类似于 $\mathbb{Z}$ 中的这些操作。给定一个正整数 $n$ 和整数 $a, b, c, d$ 使得 $a \equiv$ $b(\bmod n)$ 和 $c \equiv d(\bmod n)$,那么以下是模运算的性质。
(i) $a+c \equiv b+d(\bmod n)$ 和 $a-c \equiv b-d(\bmod n)$。
(ii) $a c \equiv b d(\bmod n)$。
(iii) $\quad a^{m} \equiv b^{m}(\bmod n) \forall m \in$。
证明 (ii) 令 $a=k n+b$ 和 $c=l n+d$ 对于一些 $k, l \in \mathbb{Z}$,然后
$$
\开始{对齐}
a c &=(k n+b)(l n+d) \
&=(k n)(l n)+(k n) d+b(l n)+b d \
&=(k n l+k d+b l) n+b d \
&=s n+b d \quad(\text { 其中 } s=k n l+k d+b l)
\end{对齐}
$$
所以$a c \equiv b d(\bmod n)$。
$3.4$ 全等理论
上述三个性质可以用以下等价公式表示:
(i) $[a+c]{n}=[b+d]{n}$ 和 $[a-c]{n}=[b-d]{n}$。
(ii) $[a c]{n}=[b d]{n}$。
(iii) $\left[a^{m}\right]{n}=\left[b^{m}\right]{n} \quad \forall m \in$。
两个整数 $x, y$ 被称为彼此模 $n$ 的乘法逆,如果
$$
x y \equiv 1(\bmod n)
$$
然而,$x$ 并不总是有一个逆模 $n$,这很清楚,例如,$[3]{6}$ 是一个模 6 的零除数,即 $[3]{6} .[2]{6}=[0]{6}$ 所以它没有乘法逆元。然而,如果 $n$ 和 $x$ 互质,那么很容易看出 $x$ 有一个逆 $(\bmod n)$ 因为我们知道有整数 $k, l$ 使得 $k x+\ln =1$。
给定 $n>0$ 有 $\varphi(n)$ 个数 $b$ 与 $n$ 互质,因此有 $\varphi(n)$ 个数具有反模 $p$-l具有逆 $(\bmod p)$ 的元素。
Theorem $3.7$ (Euler’s Theorem) 令 a 和 ne 正整数与 $g c d
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