[정수론] 중국인의 나머지 정리

Park Yeongseo·2024년 11월 22일
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1. 선형 합동식(Linear Congruence)

선형 합동식
미지수 xx에 대한 선형 합동식은 axb(modn)ax \equiv b (\mod{n})의 꼴로 나타나는 방정식이다.

위 방정식의 해 x0x_0ax0b(modn)ax_0 \equiv b(\mod{n})을 만족하는 정수다.

합동의 정의에 따라

ax0b(modn) nax0by0,s.t. ax0b=ny0\begin{aligned} ax_0 \equiv b(\mod {n})\ &\Leftrightarrow n|ax_0 - b\\ &\Leftrightarrow \exists y_0, \text{s.t.}\ ax_0-b = ny_0 \end{aligned}

이므로, axb(modn)ax \equiv b(\mod{n})의 모든 해를 구하는 것은 Diophantine equation axny=bax-ny = b의 모든 해를 구하는 것과 같다.

선형 합동식의 해의 개수는 조금 다르게 센다는 점에 주의하자. axb(modn)ax \equiv b (\mod{n})의 해의 개수는 이 합동식을 만족하는, 법 nn에 대해 서로 합동이 아닌 해의 개수를 말한다.

예를 들어 x=3x = 3x=9x = -9는 모두 3x9(mod12)3x \equiv 9(\mod{12})라는 합동식을 만족하지만, 39(mod12)3 \equiv -9 (\mod{12})이므로 이 두 해는 서로 다른 해로 세지 않는다.

Thm 1.

선형 합동식 axb(modn)ax \equiv b (\mod {n})d=gcd(a,n)d = gcd(a, n)에 대해, dbd | b일 때, 오직 그럴 때만 해를 가진다. 또한 dbd| b일 때 이 합동식은 법 nn에 대해 서로 합동이 아닌 dd개의 해를 가진다.

pfpf
정수론 기초의 정리들을 보자.

Theorem 1.4
(i) ab(modn)a≡b(\mod{n})이고 cd(modn)c ≡ d(\mod{n})이면 (a±c)(b±d)(modn)(a±c)≡(b±d)(\mod{n})이다.
(ii) ab(modn),cd(modn)a≡b(\mod{n}),c≡d(\mod{n})이면 acbd(modn)ac≡bd(\mod{n})이다.
(iii) k>0Zk>0∈ \mathbb{Z}에 대해, ab(modn)a≡b(\mod{n})이면, akbk(modn)ak≡bk(\mod{n})이다.​

Theorem 3.3(Euclid's Lemma)
정수 a,b,ca,b,c에 대해, 만약 abca∣bc이고, aabb가 서로소이면 aca∣c이다.

Theorem 3.4
a,b,na,b,n이 정수라 하자. an,bn,(a,b)=1a∣n,b∣n,(a,b)=1이면 abnab∣n이다.

Theorem 3.7
a,ba,b00이 아닌 정수고, cc가 정수이면 다음을 만족하는 정수 x,yx,y가 존재한다. ax+by=c(a,b)cax+by=c⟺(a,b)∣c

Theorem 3.8
a,b,c,x0,y0a,b,c,x_0​,y_0​이 ax0+by0=cax_0​+by_0​=c를 만족하는 정수들이라 하자. x=x0+b/(a,b),y=y0​−a/(a,b)x=x_0​+b/(a,b),y=y_0​−a/(a,b)인 정수 x,yx,y 또한 ax+by=cax+by=c를 만족한다.

Theorem 3.9
ax0+by0=cax_0​+by_0​=c라면, 임의의 정수 kk에 대해, 정수 x=x0+kb/(a,b),y=y0​−ka/(a,b)x=x_0​+kb/(a,b),y=y_0​−ka/(a,b)또한 ax+by=cax+by=c를 만족한다. 또한, ax+by=cax+by=c의 모든 해들은 위와 같은 형태로 나타난다.

선형 합동식 axb(modn)ax \equiv b (\mod {n})가 해를 가짐이 dbd|b와 동치임을 증명

주어진 선형 합동식은 Diophantine equation axny=bax - ny = b와 동치고, Theorem 3.7에 따라 이 방정식이 해를 가지는 것은 gcd(a,n)bgcd(a, n) | b와 동치다.

dbd|b일 때, 합동식의 해가 정확히 dd개임을 증명.

axny=bax-ny=b의 어떤 해를 x0,y0x_0, y_0이라 하자. Theorem 3.9에 따라 axnyax - ny의 모든 해는 다음과 같은 형식으로 나타난다.

x=x0+ndt, y=y0adtx = x_0 + \frac{n}{d}t,\ y= y_0-\frac{a}{d}t

정수 tt에 대해, xt=x0+(n/d)tx _ t = x_0 + (n/d)t라고 하자.

(1) 합동식의 해가 적어도 dd개임을 증명.

0td10 \leq t \leq d-1일 때의 xtx_t들 중, 법 nn에 대해 합동인 것은 없음을 증명하면 된다.

0t1<t2d10 \leq t_1 < t_2 \leq d-1인 정수 t1,t2t_1, t_2에 대해

x0+ndt1x0+ndt2(modn)x_0 + \frac{n}{d}t_1 \equiv x_0 + \frac{n}{d}t_2(\mod{n})

이라고 가정해보자. Therem 1.4 (i)에 따라

ndt1ndt2(modn)\frac{n}{d}t_1 \equiv \frac{n}{d}t_2(\mod{n})

이다.


Lemma
cacb(modn)ca \equiv cb (\mod{n})이면 ab(modn/d)a \equiv b (\mod{n/d})다. (d=gcd(c,n)d = gcd(c, n))

cacb(modn)ca \equiv cb (\mod {n})이므로 어떤 정수 kk에 대해 cacb=c(ab)=knca - cb = c(a- b) = kn이라 쓸 수 있다. gcd(c,n)=dgcd(c, n) = d이므로 c=dr,n=dsc= dr, n = ds가 되는 서로소인 정수 r,sr, s가 있고, 따라서 다음과 같이 쓸 수 있다.

dr(ab)=k(ds)r(ab)=ks\begin{aligned} dr(a- b) &= k(ds)\\ r(a-b) &= ks \end{aligned}

Theorem 3.3. 유클리드의 보조정리에 따라 sr(ab)s | r(a-b)이고 r,sr, s가 서로소이므로 sabs|a-b이고다. 따라서 ab(mods)a \equiv b (\mod {s})이고, 즉 ab(modn/d)a \equiv b (\mod {n/d})다.


다시 증명으로 돌아가서, gcd(n/d,n)=n/dgcd(n/d, n) = n/d이므로 Lemma로부터 다음을 얻을 수 있다.

t1t2(modd)d(t1t2)t_1 \equiv t_2(\mod{d}) \Leftrightarrow d|(t_1 - t_2)

하지만 0t1<t2d10 \leq t_1 < t_2 \leq d - 1이므로 0<t2t1<d0 < t_2 - t_1 < d이기에 d(t1t2)d|(t_1 - t_2)를 만족하는 t1,t2t_1, t_2는 존재할 수 없다. 즉 0td10 \leq t \leq d-1일 때의 xtx_t들 중 법 nn에 대해 합동인 것은 없다. 즉 주어진 합동식의 해는 적어도 dd개다.

(2) 합동식의 해가 정확히 dd개임을 증명

x0,x1,...,xd1x_0, x_1, ..., x_{d-1} 중 어떤 것과도 합동이 아닌 해 x0+(n/d)tx_0 + (n/d)t가 있을 수 없음을 보인다.

t=qd+r, (0rd1)t = qd + r,\ (0 \leq r \leq d-1)이라 둘 수 있고, 다음과 같이 쓸 수 있다.

x0+ndt=x0+nd(qd+r)=x0+nq+ndrx0+ndr(modn)\begin{aligned} x_0 + \frac{n}{d}t &= x_0 + \frac{n}{d}(qd + r)\\ &=x_0 + nq + \frac{n}{d}r\\ &\equiv x_0 + \frac{n}{d}r(\mod{n}) \end{aligned}

따라서 임의의 정수 tt에 대해, xtx_tx0,...,xd1x_0, ..., x_{d-1} 중 하나와 합동이고, 주어진 합동식은 dd개보다 많은 해를 가질 수 없다.

Corollary

gcd(a,n)=1gcd(a, n) = 1이면, 선형 합동식 axb(modn)ax \equiv b (\mod{n})은 법 nn에 대해 유일한 해를 가진다.

2. 중국인의 나머지 정리

Thm2. Chinese Remainder Theorem

gcd(ni,nj)=1,(ij)gcd(n_i, n_j) = 1,(i \not= j)인 양의 정수 n1,n2,...,nrn_1, n_2, ... , n_r에 대해, 다음의 연립 합동식

xa1(modn1)xa2(modn2)...xar(modnr)\begin{aligned} x &\equiv a_1(\mod{n_1})\\ x &\equiv a_2(\mod{n_2})\\ &...\\ x &\equiv a_r(\mod{n_r})\\ \end{aligned}

은 법 n1,...,nrn1, ..., n_r에 대해 유일한 해를 가진다.

pfpf

(1) 해의 존재성 증명

n=n1n2...nrn = n_1n_2...n_r이라 하고, 각 k=1,2,...,rk = 1, 2, ..., r에 대해

Nk=nnk=n1...nk1nk+1...nrN_k = \frac{n}{n_k} = n_1...n_{k-1}n_{k+1}...n_r

이라 하자.

nin_i가 모두 서로 서로소이므로, gcd(Nk,nk)gcd(N_k, n_k)11이다. Thm1의 Corollary에 따라 Nkx1(modnk)N_kx \equiv 1(\mod{n_k})는 유일한 해를 가지는데, 이 해를 xkx_k라 하자. 다음의 정수

xˉ=a1N1x1+a2N2x2+...+arNrxr\bar{x} = a_1N_1x_1 + a_2N_2x_2 + ...+ a_rN_rx_r

이 주어진 연립 합동식의 해임을 증명한다.

kk가 아닌 정수 ii(1ir)1 \leq i \leq r)를 생각해보자. Ni=n/niN_i = n/n_i이고 ninkn_i \not= n_k이므로 nkNin_k|N_i고, 따라서 Ni0(modnk)N_i \equiv 0 (\mod{n_k})다. 이를 위의 xˉ\bar{x}에 적용하면,

xˉ=a1N1x1+...+arNrxrakNkxk(modnk)\bar{x} = a_1N_1x_1 + ...+ a_rN_rx_r \equiv a_kN_kx_k(\mod{n_k})

임을 알 수 있다.

이때 Nkx1mod(nk)N_kx \equiv 1 \mod(n_k)이므로,

xˉak1ak(modnk)\bar{x} \equiv a_k \cdot 1 \equiv a_k(\mod{n_k})

다. 이 결과는 1ir1 \leq i \leq r인 모든 정수 ii에 대해 적용되므로, xˉ\bar{x}는 주어진 연립 합동식 모두의 해가 된다.

(2) 해의 유일성 증명

xx'가 위 연립 합동식을 만족하는 또 다른 해라고 가정하자. 그러면

xˉakx(modnk)k=1,2,...,r\bar{x} \equiv a_k \equiv x'(\mod{n_k}) \quad k = 1, 2, ..., r

이다. 각 kk에 대해 nkxˉxn_k | \bar{x} - x'이고 gcd(ni,nj)=1gcd(n_i, n_j) = 1이다.

Theorem3.3에 따라 n1n2...nrxˉxn_1n_2...n_r|\bar{x} - x'다. 즉 xˉx(modn)\bar{x} \equiv x' (\mod{n})이므로 해는 유일하다( axb(modn)ax \equiv b (\mod{n})의 해의 개수는 이 합동식을 만족하는, 법 nn에 대해 서로 합동이 아닌 해의 개수를 말하므로).

Burton, D.M. (2010) Elementary Number Theory. 7th Edition

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2024년 11월 25일

二十三

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