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第9节 剩余为+3和-3

作者:德-卡尔·弗里德里希·高斯/译者:邵林 当前章节:2044 字 更新时间:2026-7-17 01:14

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我们现在继续讨论剩余为+3和-3的情况,先从-3开始。

从表2我们发现,-3是3,7,13,19,31,37,43,61,67,73,79,97的剩余,这里面没有形如6n +5的数。在这个表之外,也不会有形如6n +5的数以-3为剩余。我们按下面方法证明:首先,任何形如6n +5的合数必然有一个同样形如6n +5的质因数。那么,如果以某个数为界限,所有形如6n +5的质数都不以-3为剩余,并且,到这个界限为止,所有的合数也不会以-3为剩余。现在假设在我们的表以外存在以-3为剩余的数,假设其中最小一个数为t ,并且令-3=a 2 -tu 。现在,如果我们取a 为小于t 的偶数,就有u <t ,且-3是u 的一个剩余。但是,如果a 是形如6n ±2的数,tu 就是形如6n +1的数,且u 的形式就是6n +5。但这是不可能的,因为,我们假设t 是与我们归纳的结论矛盾的最小一个数。现在,如果a 形如6n ,tu 的形式就是36n +3,则 的形式为12n +1,那么 的形式就是6n +5。但是,显然-3也是 的剩余且 ,但这是不可能的。因此,显然-3不可能是任何形如6n +5的数的剩余。

因为所有形如6n +5的数都必然包含于那些形如12n +5或12n +11的数中,又因为前者包含于形如4n +1的数中,后者包含于形如4n +3的数中,我们得到这些定理:

1.对于所有形如12n +5的质数,-3和+3都是非剩余。

2.对于所有形如12n +1的质数,-3是非剩余,+3是剩余。

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从表2我们发现,+3是这些数的剩余:3,11,13,23,37,47,59,61,71,73,83,97。这些数都不是形如12n +5或12n +7的数。我们可以用与在条目112、条目113和条目117中使用的相同的方法来证明:在所有形如12n +5或12n +7的数中没有一个数以+3为剩余。我们省略具体步骤。将这些结论与条目111中的结论相结合,我们得到以下定理:

1.对于所有形如12n +5的质数,+3和-3都是非剩余 (如同我们在上一条目中发现的那样) 。

2.对于所有形如12n +7的质数,+3是非剩余,-3是剩余。

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然而,关于形如12n +1的数的规律,用这种方法我们什么也得不到。因此,我们必须凭借特殊的方法。通过归纳的方法容易发现的是,+3和-3是所有形如12n +1的数的剩余。但是就这一点我们只需要证明-3是剩余,便可由此推出+3也是剩余 (参考条目111) 。然而,我们要证明一个更具普遍性的结论,即,-3是所有形如3n +1的质数的剩余 。

令p 是这样的质数,a 是对于模p 属于指数3的一个数(因为3可以整除p -1,从条目54可知存在这样的数) 。因此,我们有a 3 ≡1(mod p );即,a 3 -1或(a 2 +a +1)(a -1)可以被p 整除。但是,显然a 不同余于1(mod p ),因为1属于指数1;因此,a -1就不能被p 整除,但是a 2 +a +1可以被p 整除。因此,4a 2 +4a +4也可以被p 整除;即(2a +1)2 ≡-3(mod p ),所以-3是p 的剩余。证明完毕。

显然这个证明(与之前的证明是独立的) 也包含了形如12n +7的质数,在上个条目中我们已经讨论过了。

我们进一步指出,我们可以使用条目109和条目115中的方法,但是,为了简洁,这里不再讨论。

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从这些结论我们可以轻易地推导出以下定理(参考条目102 ,103 ,105 ) :

1.-3是不能被8或9或形如6n +5的任意质数整除的所有数的剩余。它是所有其他数的非剩余。

2.+3是不能被4或9或形如12n +5或12n +7的任意质数整除的所有数的剩余。它是所有其他数的非剩余。

注意,这里有一种特殊情况:

-3是所有形如3n +1的质数的剩余,或者也可以说,-3是所有的是数3的剩余的质数的剩余;并且,-3是所有形如6n +5的质数的非剩余;或者也可以说,-3是除了2之外的所有形如3n +2的质数,即,-3是所有是数3的非剩余的质数的非剩余。所有其他情况可以自然地由此推出。

费马(Opera Mathem. Wall )已经知道这些关于剩余+3和-3的定理,但是,第一个给出证明的人是欧拉(Novi comm. Acad. Petrop ,1763)。但欧拉未能找出关于剩余+2和-2的定理的证明,这是令人惊讶的事实——因为它们的证明是基于相同的原理。关于这一点,也可见拉格朗日在Nouv. mêm. Acad. Berlin 上面的评注。

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