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如果给定一个数A ,可以指出某个公式,其中包含所有以A 为剩余且与A 互质的数,或者所有成为形如x 2 -A 的数的除数的数(式中x 2 是一个不确定的平方数) [16] 。为了简洁,我们只考虑那些为奇数且与A 互质的除数,因为其他的除数都可以轻易简化为这些情况。
首先,假设A 为一个形如4n +1的正质数,或者为一个形如4n -1的负质数。那么,根据基本定理,所有取正号的质数都是A 的剩余,它们是x 2 -A ,并且,所有是A 的非剩余的质数(2除外,它总是除数) ,就是x 2 -A 的非除数。假设A 的所有小于A 自身的剩余(0除外) 分别用r ,r ′,…表示,所有小于A 自身的非剩余分别用n ,n ′,…表示。那么,包含在形如Ak +r ,Ak +r ′,…中的任何一个质数都是x 2 -A 的除数,而包含在形如Ak +n ,Ak +n ′,…中的任何一个质数都是x 2 -A 的非除数。在这些公式中,k 是不确定的整数。我们称第1组形式为x 2 -A 的除数 ,称第2组形式为x 2 -A 的非除数 。每组数的个数为 。进而,如果B 是奇合数且A R B ,则B 的所有质因数都包含于上述形式中的一个,因而B 也属于上述形式中的一个。因此,任何包含于某个非除数的形式中的奇数就一定是x 2 -A 的一个非除数。这个定理是不可逆的。因为,如果B 是奇合数且是x 2 -A 的非除数,那么B 的某些质因数就是非除数。但是,如果这些质因数有偶数个,那么B 自身就是某个除数的形式 (参考条目99) 。
例:对于A =-11,x 2 +11的除数的形式就是11k +1,11k +3,11k +4,11k +5,11k +9,非除数的形式就是11k +2,11k +6,11k +7,11k +8,11k +10。那么,-11就是后一种形式中包含的所有奇数的非剩余,是前一种形式的所有质数的剩余。
不论数A 是什么,对于x 2 -A 的除数和非除数,我们都有类似的形式。显然,我们应当只讨论不能被某些平方数整除的那些A 的值。这是因为,如果A =a 2 A ′,那么x 2 -A 的所有除数也是x 2 -A ′的除数,对于非除数也有同样的结论。但是,我们必须区分3种情况:①A 的形式是+(4n +1)或-(4n -1);②A 的形式是-(4n +1)或+(4n -1);③A 的形式是±(4n +2),即偶数。
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第1种情况,A 的形式是+(4n +1)或-(4n -1)。将A 分解成它的质因数,对那些形如4n +1的质数取正号,对那些形如4n -1的质数取负号(这些因数的乘积就等于A ) 。假设这些因数为a ,b ,c ,d ,…。现在,将所有小于A 且与A 互质的数分成两类。第1类是所有这样的数:它们不是数a ,b ,c ,d ,…中任何一个数的非剩余,或者是其中2个数的非剩余,或者是其中4个数的非剩余,或者,一般地,是它们中偶数个数的非剩余。第2类是所有这样的数:它们是数a ,b ,c ,d ,…中某个数的非剩余,或者它们是其中某3个数的非剩余,或者,一般地,它们是其中奇数个数的非剩余。将前一类数表示为r ,r ′,…,将后一类数表示为n ,n ′,…。那么,Ak +r ,Ak +r ′,…就是x 2 -A 的除数的形式;Ak +n ,Ak +n ′,…就是x 2 -A 的非除数的形式(即,除了2之外的所有质数,它的形式是属于前一种形式还是后一种形式,取决于它们是x 2 -A 的除数还是非除数) 。因为,如果p 是质数,并且它是数a ,b ,c ,…中某个数的剩余或者非剩余,那么,这个数就是p 的剩余或非剩余(基本定理) 。所以,如果在数a ,b ,c ,…中存在m 个以p 为非剩余的数,那么,它们中存在同样m 个数是p 的非剩余。因此,如果p 的形式属于前一种形式,m 就是偶数,且A R p ;如果p 的形式属于后一种形式,m 就是奇数,且A N p 。
例:假设A =+105=(-3)×(+5)×(-7)。那么,数r ,r ′,r ″,…是这些数:1,4,16,46,64,79(它们不是数3,5,7中任何一个数的非剩余) ;2,8,23,32,53,92(它们是数3,5的非剩余) ;26,41,59,89,101,104(它们是数3,7的非剩余) ;13,52,73,82,97,103(它们是数5,7的非剩余) 。数n ,n ′,n ″,…是这些数:11,29,44,71,74,86(它们是数3的非剩余) ;22,37,43,58,67,88(它们是数5的非剩余) ;19,31,34,61,76,94(它们是数7的非剩余) ;17,38,47,62,68,83(它们是数3,5,7的非剩余) 。
由组合理论和条目32、条目96,我们很容易发现,数r ,r ′,r ″,…的个数为
并且,n ,n ′,n ″,…的个数为
式中,l 表示数a ,b ,c ,…的个数;t =2-l (a -1)(b -1)(c -1)…,并且,每组级数要一直继续到无法继续为止(有t 个数是数a ,b ,c ,…的剩余,有 个数是数a ,b ,c ,…其中两个数的非剩余。为了简洁,不做详细的解释) 。每组级数的和为2 t -1 [17] 。这可以通过分别求出组合级数
的项来得到:对第1个级数,把它的第2和第3项相加,第4和第5项相加,…;对第2个级数,把它的第1和第2项相加,第3和第4项相加,…。因此,表达式x 2 -A 的除数形式和非除数形式一样多,即都是 个。
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我们可以把第2种和第3种情况一起讨论。我们可以把A 表示为(-1)Q ,或(+2)Q ,或(-2)Q ,其中Q 是形如+(4n +1)或-(4n -1)的数,如同我们在上一条目中讨论的。一般地,令A =αQ ,其中α =-1或±2。那么,A 就是所有这样的数的剩余,它们都以数α 和Q 为剩余或非剩余,并且,A 是所有这样的数的非剩余,它们都只以数α 和Q 中的一个为其剩余。由此,我们容易推出x 2 -A 的除数和非除数的形式。如果α =-1,则将所有小于4A 且与其互质的数分为两类:第1类是属于表达式x 2 -Q 的某个除数的形式,同时又是形如4n +1的数,以及属于x 2 -Q 的某个非除数的形式,同时又是形如4n +3的数;所有其他的数都属于第2类。将第1类的数表示为r ,r ′,r ″,…,将第2类的数表示为n ,n ′,n ″,…。A 就是包含在形如4Ak +r ,4Ak +r ′,4Ak +r ″,…的数中的所有质数的剩余;也是所有包含在形如4Ak +n ,4Ak +n ′,…的数中的所有质数的非剩余。如果α =±2,将所有小于8Q 且与其互质的数分成两类:第1类是所有这样的数,它们属于表达式x 2 -Q 的除数的某个形式,它们的形式要么是8n +1或8n +7(当2取正号时) ,要么是8n +3或8n +7(当2取负号时) ;所有其他的数都属于第2类。如果将第1类数表示为r ,r ′,r ″,…,将第2类数表示为n ,n ′,n ″,…,那么,±2Q 就是所有包含在8Qk +r ,8Qk +r ′,8Qk +r ″,…任意形式中的质数的剩余,也是所有包含在8Qk +n ,8Qk +n ′,8Qk +n ″,…任意形式中的质数的非剩余。同样地,这里容易证明表达式x 2 -A 的除数的形式和非除数的形式的个数相同。
例:通过这种方法我们发现,+10是所有形如40k +1,40k +3,40k +9,40k +13,40k +27,40k +31,40k +37,40k +39的质数的剩余,也是所有形如40k +7,40k +11,40k +17,40k +19,40k +21,40k +23,40k +29,40k +33的质数的非剩余。
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这些形式有很多显著的性质,但是我们只指出其中的一个。假设B 是一个与A 互质的合数,如果在B 的质因数中有2m 个属于x 2 -A 的非除数的形式,那么,B 就属于x 2 -A 的一个除数的形式;如果有奇数个B 的质因数属于x 2 -A 的非除数的形式,那么,B 就属于x 2 -A 的一个非除数的形式。我们省略证明,它并不困难。由此可以推出,不仅是每个质数,而且,每个与A 互质且属于某个非除数形式的奇合数,它本身也是非除数。这是因为,这样的数必须有一个质因数是非除数。