1. 선형 합동식(Linear Congruence)
선형 합동식
미지수 x에 대한 선형 합동식은 ax≡b(modn)의 꼴로 나타나는 방정식이다.
위 방정식의 해 x0은 ax0≡b(modn)을 만족하는 정수다.
합동의 정의에 따라
ax0≡b(modn) ⇔n∣ax0−b⇔∃y0,s.t. ax0−b=ny0
이므로, ax≡b(modn)의 모든 해를 구하는 것은 Diophantine equation ax−ny=b의 모든 해를 구하는 것과 같다.
단 선형 합동식의 해의 개수는 조금 다르게 센다는 점에 주의하자. ax≡b(modn)의 해의 개수는 이 합동식을 만족하는, 법 n에 대해 서로 합동이 아닌 해의 개수를 말한다.
예를 들어 x=3과 x=−9는 모두 3x≡9(mod12)라는 합동식을 만족하지만, 3≡−9(mod12)이므로 이 두 해는 서로 다른 해로 세지 않는다.
Thm 1.
선형 합동식 ax≡b(modn)은 d=gcd(a,n)에 대해, d∣b일 때, 오직 그럴 때만 해를 가진다. 또한 d∣b일 때 이 합동식은 법 n에 대해 서로 합동이 아닌 d개의 해를 가진다.
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정수론 기초의 정리들을 보자.
Theorem 1.4
(i) a≡b(modn)이고 c≡d(modn)이면 (a±c)≡(b±d)(modn)이다.
(ii) a≡b(modn),c≡d(modn)이면 ac≡bd(modn)이다.
(iii) k>0∈Z에 대해, a≡b(modn)이면, ak≡bk(modn)이다.
Theorem 3.3(Euclid's Lemma)
정수 a,b,c에 대해, 만약 a∣bc이고, a와b가 서로소이면 a∣c이다.
Theorem 3.4
a,b,n이 정수라 하자. a∣n,b∣n,(a,b)=1이면 ab∣n이다.
Theorem 3.7
a,b가 0이 아닌 정수고, c가 정수이면 다음을 만족하는 정수 x,y가 존재한다. ax+by=c⟺(a,b)∣c
Theorem 3.8
a,b,c,x0,y0이 ax0+by0=c를 만족하는 정수들이라 하자. x=x0+b/(a,b),y=y0−a/(a,b)인 정수 x,y 또한 ax+by=c를 만족한다.
Theorem 3.9
ax0+by0=c라면, 임의의 정수 k에 대해, 정수 x=x0+kb/(a,b),y=y0−ka/(a,b)또한 ax+by=c를 만족한다. 또한, ax+by=c의 모든 해들은 위와 같은 형태로 나타난다.
선형 합동식 ax≡b(modn)가 해를 가짐이 d∣b와 동치임을 증명
주어진 선형 합동식은 Diophantine equation ax−ny=b와 동치고, Theorem 3.7에 따라 이 방정식이 해를 가지는 것은 gcd(a,n)∣b와 동치다.
d∣b일 때, 합동식의 해가 정확히 d개임을 증명.
ax−ny=b의 어떤 해를 x0,y0이라 하자. Theorem 3.9에 따라 ax−ny의 모든 해는 다음과 같은 형식으로 나타난다.
x=x0+dnt, y=y0−dat
정수 t에 대해, xt=x0+(n/d)t라고 하자.
(1) 합동식의 해가 적어도 d개임을 증명.
0≤t≤d−1일 때의 xt들 중, 법 n에 대해 합동인 것은 없음을 증명하면 된다.
0≤t1<t2≤d−1인 정수 t1,t2에 대해
x0+dnt1≡x0+dnt2(modn)
이라고 가정해보자. Therem 1.4 (i)에 따라
dnt1≡dnt2(modn)
이다.
Lemma
ca≡cb(modn)이면 a≡b(modn/d)다. (d=gcd(c,n))
ca≡cb(modn)이므로 어떤 정수 k에 대해 ca−cb=c(a−b)=kn이라 쓸 수 있다. gcd(c,n)=d이므로 c=dr,n=ds가 되는 서로소인 정수 r,s가 있고, 따라서 다음과 같이 쓸 수 있다.
dr(a−b)r(a−b)=k(ds)=ks
Theorem 3.3. 유클리드의 보조정리에 따라 s∣r(a−b)이고 r,s가 서로소이므로 s∣a−b이고다. 따라서 a≡b(mods)이고, 즉 a≡b(modn/d)다.
다시 증명으로 돌아가서, gcd(n/d,n)=n/d이므로 Lemma로부터 다음을 얻을 수 있다.
t1≡t2(modd)⇔d∣(t1−t2)
하지만 0≤t1<t2≤d−1이므로 0<t2−t1<d이기에 d∣(t1−t2)를 만족하는 t1,t2는 존재할 수 없다. 즉 0≤t≤d−1일 때의 xt들 중 법 n에 대해 합동인 것은 없다. 즉 주어진 합동식의 해는 적어도 d개다.
(2) 합동식의 해가 정확히 d개임을 증명
x0,x1,...,xd−1 중 어떤 것과도 합동이 아닌 해 x0+(n/d)t가 있을 수 없음을 보인다.
t=qd+r, (0≤r≤d−1)이라 둘 수 있고, 다음과 같이 쓸 수 있다.
x0+dnt=x0+dn(qd+r)=x0+nq+dnr≡x0+dnr(modn)
따라서 임의의 정수 t에 대해, xt는 x0,...,xd−1 중 하나와 합동이고, 주어진 합동식은 d개보다 많은 해를 가질 수 없다.
Corollary
gcd(a,n)=1이면, 선형 합동식 ax≡b(modn)은 법 n에 대해 유일한 해를 가진다.
2. 중국인의 나머지 정리
Thm2. Chinese Remainder Theorem
gcd(ni,nj)=1,(i=j)인 양의 정수 n1,n2,...,nr에 대해, 다음의 연립 합동식
xxx≡a1(modn1)≡a2(modn2)...≡ar(modnr)
은 법 n1,...,nr에 대해 유일한 해를 가진다.
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(1) 해의 존재성 증명
n=n1n2...nr이라 하고, 각 k=1,2,...,r에 대해
Nk=nkn=n1...nk−1nk+1...nr
이라 하자.
각 ni가 모두 서로 서로소이므로, gcd(Nk,nk)도 1이다. Thm1의 Corollary에 따라 Nkx≡1(modnk)는 유일한 해를 가지는데, 이 해를 xk라 하자. 다음의 정수
xˉ=a1N1x1+a2N2x2+...+arNrxr
이 주어진 연립 합동식의 해임을 증명한다.
k가 아닌 정수 i(1≤i≤r)를 생각해보자. Ni=n/ni이고 ni=nk이므로 nk∣Ni고, 따라서 Ni≡0(modnk)다. 이를 위의 xˉ에 적용하면,
xˉ=a1N1x1+...+arNrxr≡akNkxk(modnk)
임을 알 수 있다.
이때 Nkx≡1mod(nk)이므로,
xˉ≡ak⋅1≡ak(modnk)
다. 이 결과는 1≤i≤r인 모든 정수 i에 대해 적용되므로, xˉ는 주어진 연립 합동식 모두의 해가 된다.
(2) 해의 유일성 증명
x′가 위 연립 합동식을 만족하는 또 다른 해라고 가정하자. 그러면
xˉ≡ak≡x′(modnk)k=1,2,...,r
이다. 각 k에 대해 nk∣xˉ−x′이고 gcd(ni,nj)=1이다.
Theorem3.3에 따라 n1n2...nr∣xˉ−x′다. 즉 xˉ≡x′(modn)이므로 해는 유일하다( ax≡b(modn)의 해의 개수는 이 합동식을 만족하는, 법 n에 대해 서로 합동이 아닌 해의 개수를 말하므로).
Burton, D.M. (2010) Elementary Number Theory. 7th Edition
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