数ならぬ

理学系のこと、特に数学について書きます。雑学的な知識もまとめていく所存。

x²≡1 (mod pᵉ)を解く

 pは奇素数と仮定する。またeを正の整数と仮定する。

合同式の解
x^2\equiv 1\hspace{2mm}(mod\hspace{2mm}p^e)\Longleftrightarrow x\equiv\pm 1\hspace{2mm}(mod\hspace{2mm}p^e)
Proof

\Longleftarrowはほとんど自明である。よって\Longrightarrowを示す。k\in\mathbb{Z}に対してx^2=1+kp^eが成り立っている。これを因数分解の形に持っていくと、(x-1)(x+1)=kp^eという式が導ける。x-1pの指数をfx+1pの指数をgとする。このとき、s,t\in\mathbb{Z}とするとf+g\ge e,f\ge 0,g\ge 0の下で

x-1=sp^f\cdots①かつx+1=tp^g\cdots

が成り立っていることがわかる。

ここで、f+g=eと仮定しても、これは条件を強めただけなので、よい。

f=eg=eが成り立っていれば、命題は満たされている。よってそれ以外の時について吟味する。

0<f<eの時を考える。

-①を行うと、

2=tp^g-sp^f

が成り立っていることがわかる。

この時、0<g<eも成り立っているので、右辺はpの倍数となっている。しかし、左辺は2であり、これはpが奇素数であることに矛盾する。◽︎