歐拉函數是數論中很重要的一個函數,歐拉函數是指:對于一個正整數 n ,小于 n 且和 n 互質的正整數(包括 1)的個數,記作 φ(n) 。
完全余數集合:
定義小于 n 且和 n 互質的數構成的集合為 Zn ,稱呼這個集合為 n 的完全余數集合。 顯然 |Zn| =φ(n) 。
有關性質:
對于素數 p ,φ(p) = p -1 。
對于兩個不同素數 p, q ,它們的乘積 n = p * q 滿足 φ(n) = (p -1) * (q -1) 。
這是因為 Zn = {1, 2, 3, ... , n - 1} - {p, 2p, ... , (q - 1) * p} - {q, 2q, ... , (p - 1) * q} , 則 φ(n) = (n - 1) - (q - 1) - (p - 1) = (p -1) * (q -1) =φ(p) * φ(q) 。
歐拉定理 :
對于互質的正整數 a 和 n ,有 aφ(n) ≡ 1 mod n 。
證明:
( 1 ) 令 Zn = {x1, x2, ..., xφ(n)} , S = {a * x1 mod n, a * x2 mod n, ... , a * xφ(n) mod n} ,
則 Zn = S 。
① 因為 a 與 n 互質, xi (1 ≤ i ≤ φ(n)) 與 n 互質, 所以 a * xi 與 n 互質,所以 a * xi mod n ∈ Zn 。
② 若 i ≠ j , 那么 xi ≠ xj,且由 a, n互質可得 a * xi mod n ≠ a * xj mod n (消去律)。
( 2 ) aφ(n) * x1 * x2 *... * xφ(n) mod n
≡ (a * x1) * (a * x2) * ... * (a * xφ(n)) mod n
≡ (a * x1 mod n) * (a * x2 mod n) * ... * (a * xφ(n) mod n) mod n
≡ x1 * x2 * ... * xφ(n) mod n
對比等式的左右兩端,因為 xi (1 ≤ i ≤ φ(n)) 與 n 互質,所以 aφ(n) ≡ 1 mod n (消去律)。
注:
消去律:如果 gcd(c,p) = 1 ,則 ac ≡ bc mod p ⇒ a ≡ b mod p 。
費馬定理 :
若正整數 a 與素數 p 互質,則有 ap - 1 ≡ 1 mod p 。
證明這個定理非常簡單,由于 φ(p) = p -1,代入歐拉定理即可證明。
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補充:歐拉函數公式
( 1 ) pk 的歐拉函數
對于給定的一個素數 p , φ(p) = p -1。則對于正整數 n = pk ,
φ(n) = pk - pk -1
證明:
小于 pk 的正整數個數為 pk - 1個,其中
和 pk 不互質的正整數有{p * 1,p * 2,...,p * (pk - 1-1)} 共計 pk - 1 - 1 個
所以 φ(n) = pk - 1 - (pk - 1 - 1) = pk - pk - 1 。
( 2 ) p * q 的歐拉函數
假設 p, q是兩個互質的正整數,則 p * q 的歐拉函數為
φ(p * q) = φ(p) * φ(q) , gcd(p, q) = 1 。
證明:
令 n = p * q , gcd(p,q) = 1
根據中國余數定理,有
Zn 和 Zp × Zq 之間存在一一映射
(我的想法是: a ∈ Zp , b ∈ Zq ⇔ b * p + a * q ∈ Zn 。)
所以 n 的完全余數集合的元素個數等于集合 Zp × Zq 的元素個數。
而后者的元素個數為 φ(p) * φ(q) ,所以有
φ(p * q) = φ(p) * φ(q) 。
( 3 ) 任意正整數的歐拉函數
任意一個整數 n 都可以表示為其素因子的乘積為:
I
n = ∏ piki (I 為 n 的素因子的個數)
i=1
根據前面兩個結論,很容易得出它的歐拉函數為:
I I
Φ(n) = ∏ piki -1(pi -1) = n ∏ (1 - 1 / pi)
i=1 i=1
對于任意 n > 2,2 | Φ(n) ,因為必存在 pi -1 是偶數。