Alioth_ 的博客

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二次剩余

posted on 2019-07-13 18:03:58 | under 知识点 |

二次剩余

定义

对于任意正整数$n$,若对于一个质数$p$,存在$x$满足$x^2\equiv n(mod \ p)$则称$n$是模$p$的二次剩余

用途

求模意义下开根

解法

首先必须满足$p$是奇素数

引理一:

对于同余方程$x^2\equiv n(mod \ p)$,总共有$\frac{p-1}{2}+1$个解

引理二:

定义勒让德记号

$$ \lgroup \frac{n}{p} \rgroup=\left\{\begin{aligned}1,n\ is\ the\ Quadradic\ residue\\-1, n\ is\ not\ the\ Quadradic\ residue\\0, n\equiv0(mod\ p)\end{aligned}\right.$$

则$\lgroup \frac{n}{p} \rgroup\equiv n^{\frac{p-1}{2}}(mod\ p)$

证明:

若$n$是$p$ 的二次剩余 则令$x^2\equiv n(mod \ p)$则${x^2}^{\frac{p-1}{2}}$=$x^{p-1}\equiv1(mod\ p)$ 由费马小定理得$x$存在

若$n$不是$p$的二次剩余 则令$x^2\equiv n(mod \ p)$则${x^2}^{\frac{p-1}{2}}$=$x^{p-1}\equiv-1(mod\ p)$ 显然$x$不存在

若$n\equiv0(mod\ p)$则显然满足

定理:

设$a$满足 $\omega=a^2-n$不是$p$的二次剩余 即$\lgroup \frac{\omega}{p} \rgroup=-1$ 即$x^2\equiv \omega(mod \ p)$无解,则$x=(a+\sqrt\omega)^{\frac{p+1}{2}}$是$x^2\equiv n(mod \ p)$的解

注意 这里的$a+\sqrt\omega$为数域扩张 类似于模意义下的虚数 要重定义运算法则

证明 :

$(a+\sqrt{\omega})^p$在模$p$意义下由二项式展开和卢卡斯定理得$(a+\sqrt{\omega})^p\equiv a^p+{\sqrt{\omega}}^p(mod\ p)$

由引理二可知${\omega}^{\frac{p-1}{2}}\equiv\sqrt{\omega}^{p-1}\equiv-1(mod\ p)$

$\Rightarrow$ ${\sqrt{\omega}}^p\equiv-\sqrt{\omega}(mod\ p)$

由费马小定理可知 $a^p\equiv a(mod\ p)$

所以 $x^2\equiv a^{p+1}+\sqrt{\omega}^{p+1}$

$\equiv (a+\sqrt{\omega})^p(a+\sqrt{\omega})$

$\equiv (a-\sqrt{\omega})(a+\sqrt{\omega})$

$\equiv a^2-\omega(mod\ p)$

所以 $x=(a+\sqrt\omega)^{\frac{p+1}{2}}$是$x^2\equiv n(mod \ p)$的解

因此 由引理一 我们每次在$p$的范围内随机一个$a$就可以找到答案

P5491 【模板】二次剩余

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
typedef long long ll;
ll w;
struct num{
    ll x,y;
};

num mul(num a,num b,ll p)
{
    num ans={0,0};
    ans.x=((a.x*b.x%p+a.y*b.y%p*w%p)%p+p)%p;
    ans.y=((a.x*b.y%p+a.y*b.x%p)%p+p)%p;
    return ans;
}

ll powwR(ll a,ll b,ll p){
    ll ans=1;
    while(b){
        if(b&1)ans=1ll*ans%p*a%p;
        a=a%p*a%p;
        b>>=1;
    }
    return ans%p;
}
ll powwi(num a,ll b,ll p){
    num ans={1,0};
    while(b){
        if(b&1)ans=mul(ans,a,p);
        a=mul(a,a,p);
        b>>=1;
    }
    return ans.x%p;
}

ll solve(ll n,ll p)
{
    n%=p;
    if(p==2)return n;
    if(powwR(n,(p-1)/2,p)==p-1)return -1;//不存在
    ll a;
    while(1)
    {
        a=rand()%p;
        w=((a*a%p-n)%p+p)%p;
        if(powwR(w,(p-1)/2,p)==p-1)break;
    }
    num x={a,1};
    return powwi(x,(p+1)/2,p);
}

int main()
{
    srand(time(0));
    int t;
    scanf("%d",&t);
    while(t--)
    {
        ll n,p;
        scanf("%lld%lld",&n,&p);
        if(!n){
            printf("0\n");continue;
        }
        ll ans1=solve(n,p),ans2;
        if(ans1==-1)printf("Hola!\n");
        else
        {
            ans2=p-ans1;
            if(ans1>ans2)swap(ans1,ans2);
            if(ans1==ans2)printf("%lld\n",ans1);
            else printf("%lld %lld\n",ans1,ans2);
        }
    }
}