以2为原根的素数 (素数公式的推导过程)

素数原根定理如下:

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

比如:

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

图1

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

按照上述说明,ψp(d)的意义就是使得a^d=1 mod p 这个方程的解的个数,也就是a的个数。

对比欧拉定理:

对于互质的正整数 a 和 p ,有 a^φ(p) ≡ 1 mod p 。

我们看到,两者并不相同。欧拉定理并没有要求p一定是素数,而原根定理则是相对于素数而言的。

当p是素数时,满足欧拉定理的a的个数一定是p-1,它不一定就是原根的个数,虽然

φ(p)=p-1,但原根要求的则是 a^d=1 mod p 中最小的d=p-1。

欧拉定理的重点在于指数幂φ(p),而原根定理在于a的个数。

参看作者在《模运算中幂次方程解的构成》一文中的说明,由图1可以得到:

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

下面证明等式

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

第一种情况:

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

因为

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

所以

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

第二种情况:

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

以上是d<n的情形。

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

素数的全部原根,素数有关的原理及定理

这篇文章的最终目的就是为了证明一个素数p的原根个数,就等于φ(p-1)。

证明的思路就是将待证明的整数n分为若干种情况:素数、完全平方数、素数的幂、两个素数的乘积,等等。在考虑了所有的情况以后,再假设n=p-1,从而问题得证。