Приглашение в теорию чисел

F_n = 2^2ⁿ+1.

Первые пять чисел Ферма таковы:

F₀ = 3, F₁ = 5, F₂ = 17, F₃ = 257, F₄ = 65537.

Отсюда можно высказать предположение:

десятичная запись всех чисел Ферма, за исключением F₀ и F₁ оканчивается цифрой 7.

Докажем с помощью сравнений, что это действительно так. Очевидно, что оно равносильно утверждению, что числа

2^2ⁿ, n = 2, 3…

оканчиваются цифрой 6. Это можно доказать по индукции. Заметим, что

2^2² = 16 ≡ 6 (mod 10),

2^2³ = 256 ≡ 6 (mod 10),

2^2ˆ4 = 65536 ≡ 6 (mod 10),

Более того, если мы возводим в квадрат число 2^2ˆk, то результатом будет число

Предположим, что для некоторого значения t

;

возводя в квадрат это сравнение, мы находим, что

,

что и требовалось.

§ 5. Теорема Ферма

Из алгебры мы знаем правила возведения бинома в степень:

(x + у)¹ = х + у,

(х + у)² = x² + 2xy + y²,

(x + y)³ = х³ + Зx²y + Зху² + у³,

(x + у)⁴ = х⁴ + 4х³у + 6х²у² + 4ху³ + у⁴ (7.5.1)

и вообще

(х + у)^p = х^р + C_p¹x^p-1y + С_р²х^р-2y² +… + у^р. (7.5.2)

Здесь первый и последний коэффициенты равны единице. Средними биномиальными коэффициентами являются

C_p¹ = p/1, С_р² = p(p-1)/(1  2), С_р³ = p(p-1)(p-2)/(1 • 2 • 3)… (7.5.3)

и вообще

С_р^r = p(p-1)(p-2)… (p — r + 1)/(1 2… r), (7.5.4)

Так как эти коэффициенты получаются в результате последовательного умножения на бином (х + у), то ясно, что они являются целыми числами.

С этого момента будем считать, что р — простое число. Чтобы записать эти коэффициенты в целочисленном виде, необходимо сократить все общие множители знаменателя

1 • 2 • 3 •… • r

и числителя

p(p-1)(p-2)… (p — r + 1)

Однако знаменатель не содержит простого множителя р, поэтому после сокращения число р останется множителем в числителе. Мы делаем вывод.

Все биномиальные коэффициенты (кроме первого и последнего) в выражении (7.5.2) делятся на р, если р — простое число.

Пусть теперь х и у в выражении (7.5.2) будут целыми числами. Если мы рассмотрим формулу (7.5.2) как сравнение по модулю р, то можно сделать вывод, что для любых целых чисел х и у и простого р

(х + у)^p ≡ х^р + у^р (mod p). (7.5.5)

В качестве примера возьмем р = 5:

(х + у)⁵ = х⁵ + 5х⁴у + 10x³y² + 10x²y³ + 5xy⁴ + у⁵.

Так как все средние коэффициенты делятся на 5, то

(х + у)⁵ ≡ х⁵ + у⁵ (mod 5)

в соответствии с (7.5.5).

Из сравнения (7.5.5) можно сделать важные выводы. Применим его для случая х = у = 1. Получаем

2^p = (1 + 1)^p ≡ 1^p + 1^p = 2 (mod p).

Возьмем затем х = 2, у = 1 и найдем, что

3^p = (2 + 1)^p ≡ 2^p + 1^p;

теперь, используя предыдущий результат, 2^p ≡ 2 (mod p), получаем

2^p + 1^p ≡ 2 + 1 ≡ (mod p).

Итак, 3^p ≡ 3 (mod p). Далее для х = 3, у = 1 получаем

4^p ≡ 4 (mod p).

Используя этот процесс, можно доказать по индукции, что а^p ≡ a (mod p) для всех значений числа

а = 0, 1…. р -1. (7.5.6)

Случаи a = 0 и а = 1 очевидны. Так как каждое число сравнимо (mod р) с одним из остатков, записанных в (7.5.6), мы делаем вывод:

для любого целого числа а и любого простого числа р

a^p ≡ a (mod p). (7.5.7)

Это утверждение обычно называют теоремой Ферма, хотя некоторые авторы называют ее малой теоремой Ферма, чтобы отличить от последней теоремы Ферма, или гипотезы Ферма, о которой мы упоминали в § 3 главы 5.

Пример. Для р = 13 и а = 2 мы находим: 13 = 8+ 4 + 1, т. е. 2¹³ = 2⁸⁺⁴⁺¹ = 2⁸  2⁴ • 2¹. Так как 2⁴ = 16 ≡ 3 (mod 13), 2⁸ ≡ 9(mod 13), то

2¹³ = 2⁸ • 2⁴ • 2 ≡ 9 • 3 • 2 ≡ 2 (mod 13),

как и утверждает теорема Ферма.

В соответствии с правилом сокращения для сравнений, сформулированном в конце § 3, мы можем сократить общий множитель а в обеих частях записи теоремы Ферма (7.5.7) при условии, что число а взаимно просто с числом р, являющимся модулем сравнения. Это дает следующий результат: