數學學院

首頁 › 大學 › 大三

費馬小定理

大三 · 數論

觀念

k1234563ᵏ mod 7326451

費馬小定理 (Fermat's little theorem):pp 是質數、p∤ap\nmid a,則 ap−1≡1(modp)a^{p-1}\equiv1\pmod p(另一種形式 ap≡a(modp)a^p\equiv a\pmod p 是它的推論,而且連 p∣ap\mid a 也成立,所以對所有整數 aa 都對)。證明的一種方式:a,2a,…,(p−1)aa, 2a, \dots, (p-1)a 在模 pp 下是 1,…,p−11,\dots,p-1 的重排,相乘後約掉 (p−1)!(p-1)!。

兩大用途:(1) 算大冪——指數先對 p−1p-1 取餘:3100 mod 73^{100}\bmod7,100=6⋅16+4100 = 6\cdot16 + 4,所以 ≡34=81≡4\equiv3^4 = 81\equiv4;(2) 求模反元素 a−1≡ap−2a^{-1}\equiv a^{p-2}。

它是 Lagrange 定理在群 U(p)U(p) 的特例(元素的階整除群的階 p−1p-1),推廣到合數就是歐拉定理。反過來用它可以快速「幾乎」判斷質數(Fermat 質數測試,Miller–Rabin 的前身),RSA 的正確性證明也直接依賴它。

例題

用費馬小定理 (Fermat's little theorem) 求 11311 mod 1311^{311} \bmod 13。

看解法與答案

1313 是質數且 13∤1113\nmid11,所以 1112≡1(mod13)11^{12}\equiv1\pmod{13}。

311=12⋅25+11311 = 12\cdot25 + 11,11311=(1112)25⋅1111≡1111≡6(mod13)11^{311} = (11^{12})^{25}\cdot11^{11} \equiv 11^{11} \equiv 6 \pmod{13}。

算 111111^{11} 用反覆平方:111≡1111^{1} \equiv 11、112≡411^{2} \equiv 4、114≡311^{4} \equiv 3、118≡911^{8} \equiv 9;11=1+2+811 = 1 + 2 + 8。11×4×9=396≡6(mod13)11\times4\times9 = 396 \equiv 6 \pmod{13}。

答案: 66

用在哪裡

插畫

費馬小定理:情境插畫費馬小定理:例題插畫

學習路徑

先學會

學完可以接著學

互動練習在本機版

這個網站是觀念與例題的閱讀版。互動練習(每次出不同數字的新題、自動判對錯、錯題本、熟練度與複習排程)在「數學學院」本機版,目前還沒對外開放。