内容
升幂(Lift the Exponent,LTE)引理是初等数论中比较常用的一个定理.
定义 νp(n) 为整数 n 的标准分解中素因子 p 的幂次,即 νp(n) 满足 pνp(n)∣n 且 pνp(n)+1∤n.
由于升幂引理内容较长,我们将其分为三部分介绍:
以下内容设 p 为素数,x,y 为满足 p∤x 且 p∤y 的整数,n 为正整数.
第一部分
对所有的素数 p 和满足 (n,p)=1 的整数 n,
-
若 p∣x−y,则:
νp(xn−yn)=νp(x−y)
-
若 p∣x+y,则对奇数 n 有:
νp(xn+yn)=νp(x+y)
证明
若 p∣x−y,则不难发现 p∣x−y⟺x≡y(modp),则显然有:
i=0∑n−1xiyn−1−i≡nxn−1≡0(modp)
进而由 xn−yn=(x−y)∑i=0n−1xiyn−1−i 可知命题得证.
对 p∣x+y 的情况证明方法类似.
第二部分
若 p 是奇素数,
-
若 p∣x−y,则:
νp(xn−yn)=νp(x−y)+νp(n)
-
若 p∣x+y,则对奇数 n 有:
νp(xn+yn)=νp(x+y)+νp(n)
证明
若 p∣x−y,令 y=x+kp,我们只需证明 p∣n 的情况.
-
若 n=p,则由二项式定理:
i=0∑p−1xp−1−iyi=i=0∑p−1xp−1−ij=0∑i(ji)xj(kp)i−j≡pxp−1(modp2)
从而
νp(xn−yn)=νp(x−y)+1
-
若 n=pa,则由数学归纳法可得
νp(xn−yn)=νp(x−y)+a
因此命题得证.
对 p∣x+y 的情况证明方法类似.
第三部分
若 p=2 且 p∣x−y,
-
对奇数 n 有(与第一部分的 1 相同):
νp(xn−yn)=νp(x−y)
-
对偶数 n 有:
νp(xn−yn)=νp(x−y)+νp(x+y)+νp(n)−1
另外对上述的 x,y,n,我们有:
若 4∣x−y,则:
- ν2(x+y)=1
- ν2(xn−yn)=ν2(x−y)+ν2(n)
证明
我们只需证明 n 为偶数的情况.由于此时 p∤(2p),故我们不能用第二部分的方法证明.
令 n=2ab,其中 a=νp(n),2∤b,从而
νp(xn−yn)=νp(x2a−y2a)=νp((x−y)(x+y)i=1∏a−1(x2i+y2i))
注意到 2∣x−y⟹4∣x2−y2,从而 (∀i≥1), x2i+y2i≡2(mod4),进而上式可变为:
νp(xn−yn)=νp(x−y)+νp(x+y)+νp(n)−1
因此命题得证.
参考资料
- Lifting-the-exponent lemma - Wikipedia