关于同余方程$ax^2+by^2 \equiv c \pmod{p}$剩余类推导的疑问
关于同余方程$ax2+by2 \equiv c \pmod{p}$剩余类推导的疑问
你理解的方向是对的,但咱们可以把这个逻辑补得更严谨、更通用一点,帮你彻底搞明白这个结论的来龙去脉~
首先明确前提:这里的$p$默认是奇素数(这是这类二次同余问题的常见讨论场景),且$a,b$都不被$p$整除,所以$a,b$在模$p$的乘法群里都是可逆元(存在模$p$的逆元)。
我们来拆解原文里的结论:每个非零模$p$剩余类(即$1,2,...,p-1 \pmod{p}$)中,形如$ax^2$的元素最多有2个,背后的核心是二次同余方程的解的数量规律:
- 对于任意非零剩余类$r \pmod{p}$,我们考虑方程$ax^2 \equiv r \pmod{p}$。因为$a$不被$p$整除,我们可以给方程两边同时乘以$a$的模$p$逆元$a^{-1}$,把方程转化为:
$$x^2 \equiv a^{-1}r \pmod{p}$$ - 现在问题变成了:二次同余方程$x^2 \equiv s \pmod{p}$(其中$s = a^{-1}r \neq 0 \pmod{p}$)有多少个解?
- 如果$s$是模$p$的二次剩余(即存在某个整数$k$使得$k^2 \equiv s \pmod{p}$),那么这个方程恰好有两个不同的解:$k$和$p-k$(因为$p$是奇素数,$k \neq p-k$,且$(p-k)^2 = k^2 \equiv s \pmod{p}$)。
- 如果$s$是模$p$的二次非剩余(即不存在这样的$k$),那么这个方程无解。
- 再回到原方程$ax^2 \equiv r \pmod{p}$:
- 当$s=a{-1}r$是二次剩余时,方程有两个解$x_1$和$x_2=p-x_1$,对应的$ax_12$和$ax_2^2$都等于$r \pmod{p}$——这时候剩余类$r$里就有2个形如$ax^2$的元素。
- 当$s=a{-1}r$是二次非剩余时,方程无解,剩余类$r$里就没有形如$ax2$的元素。
所以不管是哪种情况,每个非零剩余类中,形如$ax^2$的元素最多2个(要么0个,要么2个)。
你举的例子其实是$a \equiv 1 \pmod{p}$且$r=1 \pmod{p}$的特殊情况,这个例子本身是对的,但要注意这只是其中一种场景。比如如果$a=2$,$p=5$,剩余类$2 \pmod{5}$中,$212=2$和$2*42=216=32 \equiv 2 \pmod{5}$,这就是两个属于该剩余类的$ax^2$型元素,逻辑和你的例子一致,但$a$不是1 mod p。
同理,对于形如$c-by^2$的元素,因为$b$不被$p$整除,推导逻辑完全一样:每个非零剩余类中这类元素最多2个。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者user1206497




