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[数论] Zsigmondy定理

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hbghlyj 发表于 2022-3-4 18:33 |阅读模式
本帖最后由 hbghlyj 于 2024-9-19 18:00 编辑 zhuanlan.zhihu.com/p/108764133

西格蒙德定理是数论中一个相当强大的定理,它有两个形式,形式一其实是形式二的特例,但证明更为简便,适用范围也更广,所以这里把两个形式分别拎出来记录证明.

形式一的证明需要用到之前割圆多项式一些结论,我这里搬运一下会用到的之前的结论.

定理7:$\exists x\in\Bbb Z$满足$(\Phi_a(x),\Phi_b(x))>1$,则$\frac{a}{b}$是一个素数的幂.

推论4:整数$a,n>1$,$\Phi_n(a)$的全体素因子都是$n$的因子,则$\Phi_n(a)$是素数或$n=2$.

推论5:整数$a,n>1$,$p$是$n$的素因子,$n=p^kr,(p,r)=1,b=a^{p^{k-1}}$,则$\Phi_n(a)>(b^{p-2}(b-1))^{\varphi(r)}.$

这几个结论的证明在割圆多项式那一篇有作记述.

定理1(Zsigmondy形式1):$a,n$是大于1的整数,$\exists$素数$q\mid a^n-1$,$q$与所有的$a^j-1,0<j<n$互素,除非$(a,n)$是以下情况:
$n=6,a=2$
$n=2,a=2^s-1,s>1.$

Proof:$n=2$时,$(2^s-1)^2=2^{s+1}(2^{s-1}-1),(2^s-1)=2(s^{s-1}-1),$
$n>2$时,若$a^n-1$的每个素因子$p$,都存在$0<j<n\;s.t.\;p\mid a^j-1,$
则对于$\Phi_n(a)$的每个素因子$p,\exists0<j<n\;s.t.\;p\mid\Phi_j(a),$
由定理7知$p\mid n,\;\therefore $由推论4,$\Phi_n(a)=p,\;\therefore p>2.$
令$n=p^kr,(p,r)=1$,由推论5得$p=\Phi_n(a)>(b^{p-2}(n-1))^{\varphi(n)},$
$\therefore p>b^{p-2}>2^{p-2}$,显然只能有$p=3$.
$\therefore a^{3^{k-1}}=b=2,\;\therefore a=2,k=1,r=1,2$
$\therefore n=3,6$,又$n=3$时,$2^n-1=7$不是$2^j=1,0<j<3$的因子,
$\therefore $只能有$n=6,2^6-1=3^2\times7,3\mid2^2-1,7\mid 2^3-1.$
综上所述,只有$n=2,a=2^s-1,s>1$和$n=6,a=2$不满足.

形式一比较常用,证明也比较好理解.

形式二我也不会证,只是做下笔记,证明过程中也用到一些割圆多项式的结论和莫比乌斯反演公式,我再搬运一下.

定义1:莫比乌斯(Möbius)函数$\mu(n)=\left\{\begin{array}\;1\quad &n=1\\(-1)^k\quad &n{\rm为}k{\rm个不同素数的积}\\0\quad &n{\rm被一个素数的平方整除}\end{array}\right.$

定义2:如果数论函数$f(n)$和$g(n)$满足$f(n)=\sum_{d\mid n}g(d)=\sum_{d\mid n}g(\frac{n}{d}),$
称f(n)为g(n)的莫比乌斯变换,而g(n)为f(n)的莫比乌斯逆变换.

定理2(Möbius反演公式):如果数论函数$f(n)$和$g(n)$满足$$f(n)=\sum_{d\mid n}g(d)\tag1$$则有$$g(n)=\sum_{d\mid n}\mu(d)f(\frac{n}{d})\tag2$$反之也成立.

推论1:设$n$的标准分解式为$n=p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}\dots p_k^{\alpha_k}$,则$\varphi(n)=n\prod_{i=1}^k(1-\frac{1}{p_i}).$

定理2(Zsigmondy形式2):若正整数$a>b,(a,b)=1,n\ge2$,则$a^n-b^n$至少有一个素因子$p$,s.t. $\forall k<n,k\in Z^+,p\nmid(a^k-b^k)$,以下情况例外:
$n=6,a=2,b=1;$
$n=2,a+b=2^s,s>1.$

Proof:我们考虑怎样的整数对(a,b),a>b>1,(a,b)=1满足:$\forall n>1\in Z^+,\exists$素数$q\mid(a^n-b^n)$,且对于$\forall k<n,k\in Z^+$,有$q\nmid(a^k-b^k)$?
先固定一对正整数$(a,b)$,对于每个素数$p$,
若$\exists m\in Z^+,\;s.t.\;p\mid(a^m-b^m)$,则将最小的这样的$m$记为$f(p)$.
若这样的$m$不存在,则令f(p)=0,显然f是一个数论函数.
再注意到当$f(p)>0$时,有$f(p)=\delta_p(\frac{a}{b}).$
$\forall n>1\in Z^+$,设$n$的标准分解式为$n=p_1^{\alpha_1}p_2^{\alpha_2}\dots p_t^{\alpha_t},$
记$S=\prod_{d\mid n}(a^{\frac{n}{d}}-b^\frac{n}{d})^{\mu(d)}$,其中$\mu(d)$为Möbius函数,则有
$$S=\prod_{1\le i_1<i_2<\dots<i_j\le t,j=0,1,\dots,t}(a^{\frac{n}{p_{i_1}p_{i_2}\dots p_{i_j}}}-b^{\frac{n}{p_{i_1}p_{i_2}\dots p_{i_j}}})^{(-1)^j}.$$
当$j=0时,p_{i_1}=p_{i_2}=\dots=p_{i_j}=1,s\in Q^+,$
则对每个满足$1\le f(p)<n$的素数p,我们考虑p在S中的幂次,
可知只有$f(p)\mid p$时,p在S中才可能为非零幂次.
以下分两类讨论:
$1^\circ$ 若素数$p\not=p_t$,且$f(p)=\frac{n}{p_t^{\alpha_t}}.$则存在某个素数$p_i\not=p$,且$f(p)\mid\frac{n}{p_i}$,若$p^\alpha\mid\mid(a^l-b^l),\alpha,l\in Z^+,$
设$a^l=b^l+up^\alpha,p\nmid u$,模$p^{\alpha+1}$可知$p^\alpha\mid\mid(a^{lp_i}-b^{lp_i}).$
对每个$p_{i_1}p_{i_2}\dots p_{i_j}=d,$若$p_i\in\{p_{i_1},p_{i_2},\dots,p_{i_j}\},$设$p^\alpha\mid\mid(a^\frac{n}{d}-b^\frac{n}{d}),\alpha\in N.\\i)\;$若$\alpha\not=0$,则$p^\alpha\mid\mid(a^{\frac{np_i}{d}}-b^{\frac{np_i}{d}}),$
且在$d=p_{i_1}p_{i_2}\dots p_{i_j}$与$\frac{p_{i_1}-p_{i_j}}{p_i}$时,幂次为一正一负,恰好抵消.
ii) 若$\alpha=0$,则$\because p\mid(a^{f(p)}-b^{f(p)})$和$(a^{f(p)}-b^{f(p)})\mid(a^{\frac{n}{p_i}}-b^{\frac{n}{p_i}}),$
$\therefore\frac{n}{d}$中素数$p_i$的次数不小于$f(p)$中$p_i$的素数.
又由$f(p)=\delta(\frac{a}{b})$,再结合阶的性质知$p\nmid(a^{\frac{np_i}{d}}-b^{\frac{np_i}{d}}).$
综上所述,素数p在S中的次数为0.

$2^\circ\;$若$p=p_t$,且$f(p)=\frac{n}{p_t^{\alpha_t}}.$
则$S$中含素数p的因式为$a^n-b^n$以及$(a^\frac{n}{p}-b^{\frac{n}{p}})^{-1}.$
这里直接解决$p=2,\alpha=1$的情况,则$n=2,$
$a^2-b^2=(a+b)(a-b),(a+b,a-b)=(2,a+b).$

据此,除非a+b为2的幂次,否则问题中的q依然存在,
不过a+b为$\alpha$的幂次时不合要求.
以下假设p=2与$\alpha=1$不同时满足,则必有$p\mid\mid S$.
同样设$n>2$,对于$S$余下的素因子$q$(若存在),均满足$f(q)=n,q\mid a^n=b^n,$
而$a^n-b^n$在$S$中的次数为1,$\;\therefore S\in Z^+,\;\therefore$存在这样的$q$等价于:
不存在$q$满足$2^\circ$时$S>1;\exists q$满足$2^\circ$时($(p\not=2$或$p^2\mid(a^{\frac{n}{p}}-b^{\frac{n}{p}}),S>p$).
下面我们对$S$的范围进行估计:
首先证明:$$S=\prod_{1\le d\le n,(d,n)=1}(a-b\epsilon^d),\epsilon=e^{\frac{2\pi i}{n}}\tag{*}$$
$\because x^n-1=\prod_{d\mid n}\Phi_d(x),\;\therefore\Phi(x)=\prod_{d\mid n}(x^d-1)^{\mu(\frac{n}{d})}=\prod_{d\mid n}(x^{\frac{n}{d}}-1)^{\mu(d)},$
此由两边取对数后应用Möbius反演公式即可得到.
事实上,$S$是$n$次割圆多项式,由$\prod_{d\mid n}(x^{\frac{n}{d}}-1)^{\mu(d)}=\prod_{1\le d\le n,(d,n)=1}(x-\epsilon^d),$
令$x=\frac ab$,再注意到两边次数相等,即有
$$\prod_{d\mid n}(a^{\frac n d}-b^{\frac n d})^{\mu(d)}=\prod_{1\le d\le n,(d,n)=1}(a-b\epsilon^d)$$
$\therefore (\text{*})$得证.
接下来, 由虚根成对原理知$S=\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(a^2+b^2-2ab\cos\frac{2\pi d}{n}).$
下面再分三种情况讨论:

1' 若没有素数$p$满足$2^\circ$,则\begin{aligned}S&=\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(a^2+b^2-2ab\cos\frac{2\pi d}{n})\\&\ge(a^2+b^2-2ab\cos\frac{2\pi d}{n})\prod_{1<d<\frac n 2,(d,n)=1}(a-b)^2\\&>(a-b)^2\ge1\end{aligned}$\;\therefore$这样的q存在.
2' 若$p=2$时满足$2^\circ$,且$4\mid(a^{\frac n 2}-b^{\frac n 2})$,则$f(p)=1$.
可设$n=2^\beta(\beta\ge2)$,此时$S=a^{2^{\beta-1}}+b^{2^{\beta-1}}>2,\;\therefore$这样的$q$存在.
3' 若存在某个$p>2$满足$2^\circ$,则我们再分三种情况讨论:

1) $a=2,b=1$.
此时取$n=6$,则$(a,b)$不符合要求.

2) $n=1,a>2$.
$S=\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(a^2+b^2-2ab\cos\frac{2\pi d}{n})$
$\ge\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(a-b)^2\ge\prod_{1\le d\le n,(d,n)=1}2=2^{\varphi(n)}.$
由推论1知$(p-1)\mid \varphi(n),\;\therefore \varphi(n)\ge p-1,S\ge 2^{p-1}>p.$
$\therefore$这样的$q$存在.

3) $b\ge2$.
则$S=\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}((a-b)^2+2ab(1-\cos\frac{2\pi d}{n}))\\\ge b^{\varphi(n)}\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(2-2\cos\frac{2\pi d}{n}),$
其中$\prod_{1\le d<\frac n 2,(d,n)=1}(2-2\cos\frac{2\pi d}{n})$其实是$S$在$(a,b)=(1,1)$时的情况,故其为正整数,$\;\therefore S\ge b^{\varphi(n)}\ge2^{p-1}>p,\;\therefore$这样的q存在.
至此可知$(a,b),a+b\not=2^\alpha(\alpha\in Z^+)$且$(a,b)\not=(2,1)$均满足条件.
综上所述,证毕.

以上就是西格蒙德定理的两种形式及其证明.

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kuing 发表于 2022-3-4 18:34
擦,全部文字都放公式里……

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-3-4 18:35
回复 2# kuing
好像是mathtype之类的

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-3-4 18:58

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 楼主| hbghlyj 发表于 2022-3-4 19:01
本帖最后由 hbghlyj 于 2024-9-19 17:58 编辑 angyansheng.github.io/blog/an-elementary-proof-of-zsigmondys-theorem$\newcommand{bb}{\mathbb }\newcommand{\qed}{\quad\blacksquare}$

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