方法一
(i)若 是整数, 是素数,且 。若 不能整除 ,则 不能整除 。取整数集 为所有小于 的正整数集合( 构成 的完全剩余系,即 中不存在两个数同余 ), 是 中所有的元素乘以 组成的集合。因为 中的任何两个元素之差都不能被 整除,所以 中的任何两个元素之差也不能被 整除。
换句话说, ,考虑 共 个数,将它们分别除以 ,余数分别为 ,则集合 为集合 的重新排列,即 在余数中恰好各出现一次;这是因为对于任两个相异 而言( ),其差不是 的倍数(所以不会有相同余数),且任一个 亦不为 的倍数(所以余数不为0)。因此
-
即
-
在这里 ,且 ,因此将整个公式除以 即得到:
- [3]
- 也即
(ii)若 整除 ,则显然有 整除 ,即 。
方法二
若 为素数, 为整数,且 。考虑二项式系数 ,并限定 不为 或 ,则由于分子有素数 ,但分母不含 ,故分子的 能保留,不被约分而除去,即 恒为 的倍数[4]。
再考虑 的二项式展开,模 ,则
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因此
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令 ,即得 。[3]
方法三
在抽象代数教科书中,费马小定理常作为教授拉格朗日定理时的一个简单例子[5]。显然只需考虑 情形。此时模 所有非零的余数,在同余意义下对乘法构成一个群,这个群的阶是 。考虑群中的任何一个元素 ,根据拉格朗日定理, 的阶必整除群的阶。证毕。
欧拉定理
费马小定理是欧拉定理的一个特殊情况:如果 ,那么
-
这里 是欧拉函数。欧拉函数的值是所有小于或等于 的正整数中与 互素的数的个数。假如 是一个素数,则 ,即费马小定理。
- 证明
上面证明费马小定理的群论方法,可以同理地证明欧拉定理。
考虑所有与 互素的数,这些数模 的余数所构成的集合,记为 ,并将群乘法定义为相乘后模 的同余。显然 是一个群,因为它对群乘法封闭(若 和 则 ),含幺元(即“1”),且任何一个元素 的逆元素也在集合中(因为若 则由群乘法封闭性任何 的幂次都在 中,所以 是 这个有限集的子集)。根据定义, 的阶是 ,于是根据拉格朗日定理, 中任何一个元素的阶必整除 。证毕。
卡迈克尔函数
卡迈克尔函数比欧拉函数更小。费马小定理也是它的特殊情况。
-
多项式除法
因为
所以由 的结果可以得出 的结果
用多项式除法可以得出 除以 的次数少于 的余式
例如 ,由多项式除法得到 ,则
这个余式的一般结果是:
(除式)
n=0时为除式,用数学归纳法证明余式。[6]
- 求