二次剩余和 Cipolla 算法

首先是素数模同余方程的相关理论。

下设 $p\in $ 是质数，\(f(x)=\sum_{i=0}^n a_ix^i\)，\(x\in \Z_p,p\not\mid a_n\)。

引理 1

如果 \(f(x)\equiv 0\pmod p\) 具有解 \(x_1\sim x_k\)，且 \(k\le n\)。则

\[f(x)\equiv g(x)\prod (x-x_i)\pmod p
\]

其中 \(\deg g=n-k,[x^{n-k}]g(x)=a_n\)。

归纳法不难证明此命题。

可以推出威尔逊定理。

定理 1 Lagrange 定理

\[f(x)\equiv 0\pmod p
\]

至多具有 \(n\) 个不同解。

证明：

设其具有解 \(x_1\sim x_{n+1}\)，则有

\[f(x)\equiv a_n\prod_{i=1}^n (x-x_i)\pmod p
\]

取 \(x=x_{n+1}\)，右侧任何数都不整除 \(p\)。

推论：如果有超过 \(n\) 个解，那么所有系数整除 \(p\)。

定理 2

设 \(n\le p\)，则首一多项式 \(f(x)\equiv 0\pmod p\) 有 \(n\) 个解，当且仅当：

存在整系数多项式 \(q(x),r(x)\)，且 \(\deg r<n\)，满足：

\[x^p-x=f(x)q(x)+pr(x)
\]

证明：

首先证明必要性。若 \(f(x)\equiv 0\pmod p\) 有 \(n\) 个解，那么考虑 \(r_1(x)=x^p-x-f(x)q(x)\)，应该有 \(n\) 个解。而 \(n>\deg r_1\)，故 \(r_1\) 的系数整除 \(p\)。那么 \(r_1(x)=pr(x)\)。

充分性：首先 \(x^p-x=f(x)q(x)+pr(x)\equiv 0\pmod p\) 有 \(p\) 个解，根据费马小定理。设 \(f(x)\equiv 0\pmod p\) 有 \(s\) 个解，显然 \(s\le n\)。

而 \(q(x)\equiv 0\) 有至多 \(p-n\) 个解，又因为 \(\{x\mid f(x)q(x)\equiv 0\}=\{x\mid f(x)\equiv 0\}\cup \{x\mid q(x)\equiv 0\}\)，\(p\le (p-n)+s\)，即 \(s\ge n\)。则 \(s=n\)，证毕。

接下来依托定理 \(2\)，二（\(k\)）次剩余存在的条件可以被证明。

定理 3

设 \(n\not\mid p-1,p\not\in a\)。

\[x^n\equiv a\pmod p
\]

则此方程有解当且仅当

\[a^{\frac{p-1}n}\equiv 1\pmod p
\]

若有解，有 \(n\) 个解。

证明：

必要性显然。

充分性是某个 WF 选手不会的：

\[x^p-x=x(x^{p-1}-a^{\frac{p-1}n})+x(a^{\frac{p-1}n}-1)\\
=xP(x)(x^n-a)+(a^{\frac{p-1}n}-1)x\\
=xP(x)(x^n-a)+0\\
\]

其中 \(P(x)\) 是整系数多项式。\(xP(x)\) 当然也是。根据以上定理，存在 \(n\) 个解。

对于二次剩余：

\[a^p-1=(a^{\frac{p-1}2}+1)(a^{\frac{p-1}2}-1)\equiv0\pmod p\\
\]

所以 \(a\) 是非二次剩余当且仅当 \(a^{\frac{p-1}2}\equiv -1\pmod p\)。

Cipolla

不难发现 \(\dfrac{p-1}2\) 个数有二次剩余，同样多的数没有。

考虑求解

\[x^2\equiv c\pmod p
\]

所以，可以随机出 \(a\) 使得 \(a^2-c\) 不是二次剩余。此时有 \((a^2-c)^{\frac{p-1}2}\equiv -1\pmod p\)。

对 \(\Z_p\) 环进行代数扩张，变为 \(\C_p\)，虚根 \(\omega\) 认为是 \(\omega^2\equiv a^2-c\pmod p\)。

不难发现 \(\omega^p=-\omega\)。

下面证明：\(c=(a+\omega)^{p+1}\)。

根据升幂引理，\((a+\omega)^{p+1}=(a^p+\omega^p)(a+\omega)=(a-\omega)(a+\omega)=c\)。

证毕！