模p運算
給定一個正整數p，任意一個整數n，一定存在等式
n = kp + r
其中k、r是整數，且 0 ≤ r < p，稱呼k爲n除以p的商，r爲n除以p的餘數。
對於正整數p和整數a,b，定義如下運算：
- 取模運算：a mod p 表示a除以p的餘數。
- 模p加法：(a + b) mod p ，其結果是a+b算術和除以p的餘數，也就是說，(a+b) = kp +r，則 (a+b) mod p = r。
- 模p減法：(a-b) mod p ，其結果是a-b算術差除以p的餘數。
- 模p乘法：(a × b) mod p，其結果是 a × b算術乘法除以p的餘數。
可以發現,模p運算和普通的四則運算有很多類似的規律，如：
| 規律 | 公式 |
|---|---|
| 結合率 | ((a+b) mod p + c)mod p = (a + (b+c) mod p) mod p ((a*b) mod p * c)mod p = (a * (b*c) mod p) mod p |
| 交換率 | (a + b) mod p = (b+a) mod p (a × b) mod p = (b × a) mod p |
| 分配率 | ((a +b)mod p × c) mod p = ((a × c) mod p + (b × c) mod p) mod p |
簡單的證明其中第一個公式：
((a+b) mod p + c) mod p = (a + (b+c) mod p) mod p
假設
a = k1 p + r1
b = k2 p + r2
c = k3 p + r3
a+b = (k1 + k2) p + (r1 + r2)
如果(r1 + r2) >= p ，則
(a+b) mod p = (r1 + r2) -p
否則
(a+b) mod p = (r1 + r2)
再和c進行模p和運算，得到
結果爲 r1 ＋ r2 + r3的算術和除以p的餘數。
對右側進行計算可以得到同樣的結果，得證。
模p相等
如果兩個數a、b滿足a mod p = b mod p，則稱他們模p相等，記做
a ≡ b mod p
可以證明，此時a、b滿足 a = kp + b，其中k是某個整數。
對於模p相等和模p乘法來說，有一個和四則運算中迥然不同得規則。在四則運算中，如果c是一個非0整數，則
ac = bc 可以得出 a =b
但是在模p運算中，這種關係不存在，例如：
(3 x 3) mod 9 = 0
(6 x 3) mod 9 = 0
但是
3 mod 9 = 3
6 mod 9 =6
定理（消去律）：如果gcd(c,p) ＝ 1 ，則 ac ≡ bc mod p 可以推出 a ≡ b mod p
證明：
因爲ac ≡ bc mod p
所以ac = bc + kp，也就是c(a-b) = kp
因爲c和p沒有除1以外的公因子，因此上式要成立必須滿足下面兩個條件中的一個
1) c能整除k
2) a = b
如果2不成立，則c|kp
因爲c和p沒有公因子，因此顯然c|k，所以k = ck'
因此c(a-b)kp可以表示爲c(a-b) =ck'p
因此a-b = k'p，得出a ≡ b mod p
如果a = b，則a ≡ b mod p 顯然成立
得證
歐拉函數
歐拉函數是數論中很重要的一個函數，歐拉函數是指：對於一個正整數n，小於n且和n互質的正整數的個數，記做：φ(n)，其中φ(1)被定義爲1，但是並沒有任何實質的意義。
定義小於n且和n互質的數構成的集合爲Zn，稱呼這個集合爲n的完全餘數集合。
顯然，對於素數p，φ(p)= p -1.對於兩個素數p、q，他們的乘積n = pq 滿足φ(n) =(p-1)(q-1)
證明：對於質數p,q，滿足φ(n) =(p-1)(q-1)
考慮n的完全餘數集Zn = { 1,2,....,pq -1}
而不和n互質的集合由下面三個集合的並構成：
1) 能夠被p整除的集合{p,2p,3p,....,(q-1)p} 共計q-1個
2) 能夠被q整除的集合{q,2q,3q,....,(p-1)q} 共計p-1個
3) {0}
很顯然，1、2集合中沒有共同的元素，因此Zn中元素個數 ＝ pq - (p-1 + q- 1 + 1) = (p-1)(q-1)
歐拉定理
對於互質的整數a和n，有aφ(n) ≡ 1 mod n
證明：
首先證明下面這個命題：
對於集合Zn={x1,x2,...,xφ(n)}，考慮集合
S = {ax1 mod n,ax2mod n,...,axφ(n)mod n}
則S = Zn
1) 由於a,n互質，xi也與n互質，則axi也一定於p互質，因此
任意xi，axi mod n 必然是Zn的一個元素
2) 對於Zn中兩個元素xi和xj，如果xi ≠ xj
則axi mod n ≠ axi mod n，這個由a、p互質和消去律可以得出。
所以，很明顯，S=Zn
既然這樣，那麼
（ax1 × ax2×...×axφ(n)）mod n
= （ax1 mod n × ax2mod n × ... × axφ(n)mod n）mod n
= （x1 × x2 × ... × xφ(n)）mod n
考慮上面等式左邊和右邊
左邊等於(aφ(n) × （x1 × x2 × ... × xφ(n)）mod n) mod n
右邊等於x1 × x2 × ... × xφ(n)）mod n
而x1 × x2 × ... × xφ(n)）mod n和p互質
根據消去律，可以從等式兩邊約去，就得到：
aφ(n) ≡ 1 mod n
推論：對於互質的數a、n，滿足aφ(n)+1 ≡ a mod n
費馬定理
a是不能被質數p整除的正整數，則有ap-1 ≡ 1 mod p
證明這個定理非常簡單，由於φ(p) = p-1，代入歐拉定理即可證明。
同樣有推論：對於不能被質數p整除的正整數a，有ap ≡ a mod p