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同余及费马小定理

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来自手机贴吧1楼2022-09-20 00:48回复
    首先,由于 $x^2 \equiv -2 \pmod{p}$,因此 $(-x)^2 \equiv x^2 \equiv -2\pmod{p}$,即 $(-1)(-2) \equiv x^2 \equiv -2 \pmod{p}$。
    接下来,我们考虑对于某对整数 $(u, v)$,定义 $a = u + xv$,$b = v$,则有:
    \begin{aligned} a^2 + 2b^2 &= (u+ xv)^2 + 2v^2 \\ &= (u^2 + 2xuv + x^2v^2) + 2v^2 \\ &= u^2 + 2(xu+v^2)xv + x^2v^2 \end{aligned}
    现在我们将 $x^2 \equiv -2 \pmod{p}$ 代入上式中,得到:
    \begin{aligned} a^2 + 2b^2 &\equiv u^2 - 4uv + 2v^2 \pmod{p} \\ &\equiv (u-2v)^2 - 2v^2\pmod{p} \end{aligned}
    现在我们要继续考虑能否找到某些 $(u, v)$ 使得 $a^2 + 2b^2$ 能够分别等于 $p$ 和 $2p$。
    1. 如果可以找到 $(u, v)$ 使得 $a^2 + 2b^2 \equiv p \pmod{p}$,那么就有 $a^2 + 2b^2 = pk$,其中 $k$ 是某个整数。并且可以发现 $k \neq 2$,否则 $2p = 2k \cdot p = a^2 + 2b^2 \equiv p \pmod{p}$,矛盾。现在存在某个整数 $m$,使得 $k = 2m + 1$,那么 $a^2 + 2b^2 = p(2m+1)$,此时方程有解。
    2. 如果不可能找到 $(u, v)$ 使得 $a^2 + 2b^2 \equiv p \pmod{p}$,则考虑是否可能存在 $(u', v')$ 使得 $a'^2 + 2b'^2 \equiv 2p \pmod{p}$。根据上面的公式,如果 $a'^2 + 2b'^2 \equiv 2p \pmod{p}$,则有
    $$(u' - 2v')^2 - 2v'^2 \equiv p \pmod{p}$$
    也就是
    $$(u' - 2v')^2 \equiv 2v'^2 + p \pmod{p}$$
    这是一个与原来的问题类似的问题,我们可以继续通过枚举找到合适的 $(u', v')$,使得以上方程有解。
    因此,至少存在一个方程 a^2+2b^2=p 或 a^2+2b^2=2p 有解。
    可以发现,这个问题实际上与数学中的模意义、勾股数和二次剩余等知识有关,需要对这些知识点有较为深入的了解和运用。


    来自Android客户端2楼2023-05-18 20:08
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      2025-07-28 06:47:55
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      我可以为您提供一种解答思路,但由于原问题涉及一些数学专业知识,解答可能较为复杂,需要一定的数学基础,希望我的回答能对您有所帮助。
      首先,根据题目中的条件,有 $x^2\equiv -2 \pmod{p}$。我们可以将其变形为 $x^2+2\equiv 0 \pmod{p}$。
      接下来,我们对 $(u,v)$ 进行分类讨论,可得:
      1. 当 $p = 2$ 时,我们可以解得 $x \equiv 0\pmod{2}$,从而 $x^2+2 \equiv 2\pmod{p}$,所以此时方程组 $a^2+2b^2=p,a^2+2b^2=2p$ 其中的任一方程均无整数解。
      2. 当 $p \equiv 1\pmod{4}$ 时,我们可以构造一个数 $a\equiv x \pmod{p}$,$b\equiv 1 \pmod{p}$,则 $a^2+2b^2=x^2+2\equiv 0\pmod{p}$,因此 $a^2+2b^2 =kp$。我们注意到 $p$ 为素数,因此 $k\neq 0$。因为 $p\nmid b$,所以 $\gcd(a,b)=1$。由于 $a,b$ 可以任意取值,因此方程组 $a^2+2b^2=p,a^2+2b^2=2p$ 的至少一个方程有整数解。
      3. 当 $p \equiv 3\pmod{4}$,我们可以将 $kh\equiv 1\pmod{p}$ 化为 $k^2h^2\equiv 1\pmod{p}$,从而 $k^2h^2-2\equiv (kh+x)(kh-x)\equiv0\pmod{p}$。注意到 $p$ 是素数,因此 $kh\pm{x}\equiv0\pmod{p}$,即 $x\equiv \pm kh\pmod{p}$。因为 $p \equiv 3\pmod{4}$,所以 $-1$ 不是 $p$ 的二次剩余,即不存在整数 $t$ 使得 $t^2\equiv -1\pmod{p}$,因此不存在整数 $h$ 使得 $h^2\equiv -2\pmod{p}$。因此,方程组 $a^2+2b^2=p,a^2+2b^2=2p$ 其中的任一方程均无整数解。
      综上所述,我们可以得到:如果 $p$ 是形如 $4k+1$ 的质数,那么方程组 $a^2+2b^2=p,a^2+2b^2=2p$ 的至少一个方程有整数解。


      来自Android客户端3楼2023-05-18 20:08
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