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费马小定理

核心概念

费马小定理:设 pp 是质数。

  • gcd(a,p)=1\gcd(a, p) = 1,则 ap11(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod p;
  • 对任意整数 aa,都有 apa(modp)a^{p} \equiv a \pmod p

用途:把巨大的幂在模 pp 下迅速降次——指数可以先p1p-1(当底数与 pp 互质时)。

:模 77 时,只要 7a7\nmid a,就有 a61a^6 \equiv 1,于是 ananmod6a^n \equiv a^{\,n \bmod 6}

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费马小定理是同余里的"降幂神器"。直接算 a100a^{100} 是天文数字,但在模 pp 的世界里,ap1a^{p-1} 就回到了 11,相当于每 p1p-1 步幂就"绕一圈"。于是天大的指数 nn,只要看它除以 p1p-1 的余数即可。

它和"幂的循环节"是同一回事的精确版:循环节的长度一定整除 p1p-1。所以遇到"求某大数模质数"的题,第一反应就是:底数与 pp 互质吗?互质就用费马小定理把指数模 p1p-1,问题瞬间缩小。

费马小定理

2n mod 7(n = 1 … 6

n=1
2
n=2
4
n=3
1
n=4
2
n=5
4
n=6
1
gcd(2, 7) = 1,所以 26 1 (mod 7)。求大幂时,指数可先模 6
2
7

当底数与质数 p 互质时,a 的 (p−1) 次幂必回到 1(绿色)。这让任意大的指数都能先对 p−1 取模,瞬间降幂。

例题 1用费马小定理降幂

21002^{100} 除以 77 的余数。

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答: 余 2

例题 2对一切 a 成立的形式

说明:对任意整数 aa,a5aa^5 - a 都能被 55 整除。

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答: 恒成立

即时练习

由费马小定理,a6(mod7)a^{6} \pmod 7gcd(a,7)=1\gcd(a,7)=1 时等于多少?

a71=a61(mod7)a^{7-1}=a^6\equiv1\pmod7

21002^{100} 除以 77 的余数是多少?

2612^6\equiv1,1004(mod6)100\equiv4\pmod6,24=162(mod7)2^4=16\equiv2\pmod7

31003^{100} 除以 77 的余数是多少?

361(mod7)3^6\equiv1\pmod7,1004(mod6)100\equiv4\pmod6,34=818177=4(mod7)3^4=81\equiv81-77=4\pmod7

对任意整数 aa,a7aa^7 - a 一定能被 77 整除。

费马小定理 a7a(mod7)a^7\equiv a\pmod7,故 7(a7a)7\mid(a^7-a)

使用费马小定理 ap11(modp)a^{p-1}\equiv1\pmod p 的前提是?

pp 为质数且 gcd(a,p)=1\gcd(a,p)=1aa 为质数pp 为偶数a>pa > p

要求模 pp 为质数,且底数 aapp 互质。

    易错点

    • 底数与 pp 不互质仍用第一式。pap\mid a,则 ap1≢1a^{p-1}\not\equiv1;此时用 apaa^p\equiv a 的形式。
    • 指数模错数。 互质时指数模的是 p1p-1,不是 pp
    • 模数不是质数也套用。 费马小定理要求模为质数;合数模需用欧拉定理。

    下一步

    前置知识点
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