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费马小定理

费马小定理说:若 p 是素数、整数 a 不被 p 整除,则 ap−1≡1(modp). 另一种等价写法是对任意整数 a 有 ap≡a(modp);当 p∣a 时后一式两边都余 0,前一式则不能使用。

将非零余数重新排列

模 p 的非零剩余类为 1,2,…,p−1。乘以 a 后得到 a,2a,…,(p−1)a;这些余数互不相同,因为若 ai≡aj,a 与 p 互素,便可约去 a 得 i≡j。于是新名单恰是旧名单的排列,两个名单乘积相等: ap−1(p−1)!≡(p−1)!(modp). 阶乘中的每个因子都与 p 互素,故可约去,得到定理。

取 p=11,a=2,有 210=1024=11⋅93+1。这个算例核对了结果,却不能替代对任意素数的排列证明。不能把“an−1≡1(modn)”倒过来作为素数判据:合数 341=11⋅31 也满足 2340≡1(mod341),因为 210=1024≡1(mod341),再取 34 次方即可。

参考资料