§A4.13平方剰余とルジャンドル記号

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ある数aaが法ppの「平方剰余」であるとは、x2≡a(modp)x^2 \equiv a \pmod pを満たすxxが存在することです。 平方数として実現できる剰余類とできない剰余類とが、既約剰余系をちょうど半分ずつに分けます。この「解けるか解けないか」を±1\pm 1の記号で表したものがルジャンドル記号で、位数・原始根の理論(前項)を使うと驚くほど扱いやすくなります。

1 定義と基本的な個数

以下、ppは奇素数とする。

定義 1.1 (平方剰余・平方非剰余).p∤ap \nmid aとする。合同方程式

x2≡a(modp)x^2 \equiv a \pmod p

が解を持つときaaを法ppの平方剰余(QR)、解を持たないとき平方非剰余(QNR)という。

定義 1.2 (ルジャンドル記号).p∤ap \nmid aに対し

(ap)={1(a が法 p の平方剰余)−1(a が法 p の平方非剰余)\left(\frac{a}{p}\right) = \begin{cases} 1 & (a \text{ が法 } p \text{ の平方剰余}) \\ -1 & (a \text{ が法 } p \text{ の平方非剰余}) \end{cases}

と定める(p∣ap \mid aの場合は慣習的に00とすることもあるが、本記事では扱わない)。

命題 1.3.1,2,…,p−11, 2, \dots, p-1のうち、ちょうどp−12\dfrac{p-1}{2}個が平方剰余である。

証明. 写像ϕ:{1,…,p−1}→{1,…,p−1}\phi : \{1, \dots, p-1\} \to \{1, \dots, p-1\},ϕ(x)=x2 mod p\phi(x) = x^2 \bmod pを考える。まずx2≡y2(modp)x^2 \equiv y^2 \pmod pとx≡±y(modp)x \equiv \pm y \pmod pが同値であることを見る:

x2≡y2(modp)  ⟺  p∣(x−y)(x+y)  ⟺  p∣x−y または p∣x+y,x^2 \equiv y^2 \pmod p \iff p \mid (x-y)(x+y) \iff p \mid x - y \ \text{または}\ p \mid x + y,

これはppが素数であることから従う(ユークリッドの補題、基礎)。1≤x≤p−11 \le x \le p-1の範囲でx≡−x(modp)x \equiv -x \pmod pとなるのはp∣2xp \mid 2xすなわちp∣xp \mid xの場合だけだが、1≤x≤p−11 \le x \le p-1ではこれは起こらない。したがってx≠−x(modp)x \ne -x \pmod pが常に成り立ち、{x,p−x}\{x, p-x\}の各ペアはちょうど同じ平方の値を与える相異なる2元の組になる。1,…,p−11, \dots, p-1はp−12\frac{p-1}{2}組のこのようなペアに分割されるので、ϕ\phiの像(=平方剰余の集合)はちょうどp−12\dfrac{p-1}{2}個の相異なる値からなる。▨

2 オイラーの規準

定理 2.1 (オイラーの規準).p∤ap \nmid aのとき

(ap)≡ap−12(modp).\left(\frac{a}{p}\right) \equiv a^{\frac{p-1}{2}} \pmod p.

証明. 法ppの原始根ggを1つとる(§A4.12 定理 2.1)。ggの位数はp−1p - 1なので、a=gka = g^k(0≤k≤p−20 \le k \le p-2)とただ一通りに書ける。

aaが平方剰余  ⟺  \iffkkが偶数:k=2jk = 2jならa=(gj)2a = (g^j)^2は平方剰余。逆にa=x2a = x^2としx=gtx = g^tと書けばa=g2ta = g^{2t}となり、gk=g2tg^k = g^{2t}からk≡2t(modp−1)k \equiv 2t \pmod{p-1}。p−1p - 1は偶数なので、2t2tにp−1p-1の倍数を足しても偶奇は変わらず、kkは偶数。

gp−12≡−1(modp)g^{\frac{p-1}{2}} \equiv -1 \pmod pであること:(gp−12)2=gp−1≡1(modp)\bigl(g^{\frac{p-1}{2}}\bigr)^2 = g^{p-1} \equiv 1 \pmod pなのでgp−12g^{\frac{p-1}{2}}はx2≡1(modp)x^2 \equiv 1 \pmod pの解、すなわち±1\pm 1(x2−1=(x−1)(x+1)x^2 - 1 = (x-1)(x+1)とppが素数であることから、解は1,−11, -1の 2つのみ)。もしgp−12≡1g^{\frac{p-1}{2}} \equiv 1ならggの位数がp−1p-1より小さいp−12\frac{p-1}{2}以下になり、ggが原始根であることに矛盾する。よってgp−12≡−1(modp)g^{\frac{p-1}{2}} \equiv -1 \pmod p。

結論:ap−12=gk⋅p−12=(gp−12)k≡(−1)k(modp)a^{\frac{p-1}{2}} = g^{k \cdot \frac{p-1}{2}} = \bigl(g^{\frac{p-1}{2}}\bigr)^k \equiv (-1)^k \pmod p。kkが偶数(aaが QR)なら(−1)k=1(-1)^k = 1、kkが奇数(aaが QNR)なら(−1)k=−1(-1)^k = -1。これはまさに(ap)\left(\frac{a}{p}\right)の値と一致する。▨

系 2.2 (第一補充法則).(−1p)=(−1)p−12\left(\dfrac{-1}{p}\right) = (-1)^{\frac{p-1}{2}}。したがって

(−1p)=1  ⟺  p≡1(mod4).\left(\frac{-1}{p}\right) = 1 \iff p \equiv 1 \pmod 4.

証明. オイラーの規準をa=−1a = -1に適用すれば(−1p)≡(−1)p−12(modp)\left(\frac{-1}{p}\right) \equiv (-1)^{\frac{p-1}{2}} \pmod p。両辺とも{−1,1}\{-1, 1\}に値を持ち、p≥3p \ge 3なので−1≢1(modp)-1 \not\equiv 1 \pmod p。よって modppでの合同は整数としての等号を意味する。p−12\dfrac{p-1}{2}が偶数(p≡1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4)なら値は11、奇数(p≡3(mod4)p \equiv 3 \pmod 4)なら−1-1。▨

例 2.3.p=13p = 13は13≡1(mod4)13 \equiv 1 \pmod 4なので−1-1は法1313の平方剰余のはず。実際x=5x = 5で52=25=26−1≡−1(mod13)5^2 = 25 = 26 - 1 \equiv -1 \pmod{13}が成り立つ。

系 2.4 (乗法性).p∤abp \nmid abのとき(abp)=(ap)(bp)\left(\dfrac{ab}{p}\right) = \left(\dfrac{a}{p}\right) \left(\dfrac{b}{p}\right)。

証明. オイラーの規準より

(abp)≡(ab)p−12=ap−12bp−12≡(ap)(bp)(modp).\left(\frac{ab}{p}\right) \equiv (ab)^{\frac{p-1}{2}} = a^{\frac{p-1}{2}} b^{\frac{p-1}{2}} \equiv \left(\frac{a}{p}\right)\left(\frac{b}{p}\right) \pmod p.

両辺は{−1,1}\{-1, 1\}に値を持ちp≥3p \ge 3なので、系 2.2の証明と同じ理由で合同は等号に強まる。▨

乗法性のおかげで、大きなaaのルジャンドル記号は素因数ごとに分解して計算できます(次項の相互法則の計算例で実際に使います)。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

次のルジャンドル記号の値を、オイラーの規準で求めよ。

解法の型オイラーの規準:(ap)≡a(p−1)/2(modp)\left(\dfrac{a}{p}\right) \equiv a^{(p-1)/2} \pmod p

  1. 例題 1

    (311)\left(\dfrac{3}{11}\right)
  2. 例題 2

    (711)\left(\dfrac{7}{11}\right)
  3. 例題 3

    (413)\left(\dfrac{4}{13}\right)
  4. 例題 4

    (1519)\left(\dfrac{15}{19}\right)
  5. 例題 5

    (617)\left(\dfrac{6}{17}\right)
  6. 例題 6

    (1011)\left(\dfrac{10}{11}\right)
  7. 例題 7

    (37)\left(\dfrac{3}{7}\right)
  8. 例題 8

    (411)\left(\dfrac{4}{11}\right)
  9. 例題 9

    (719)\left(\dfrac{7}{19}\right)
  10. 例題 10

    (511)\left(\dfrac{5}{11}\right)

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

次のルジャンドル記号の値を、オイラーの規準で求めよ。

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