在同余理论中,模 n 的互质同余类组成一个
乘法群,称为整数模 n 乘法群,也称为模 n 既约剩余类。在环理论中,一个
抽象代数的分支,也称这个群为整数模 n 的环的单位群(单位是指乘法可逆元)。
群公理
容易验证模n互质同余类在乘法运算下满足
阿贝尔群的公理。
恒同: 1 是恒同;
闭:如果a和b都与n互质,那么ab也是;
逆:找x满足ax≡ 1 (modn) 等价于解ax+ny= 1,可用
欧几里得算法求出;
结合性和交换性:由整数的相应事实以及模n运算是一个环
同态推出。
记法
整数模n环记作 或(即整数环模去
理想nZ= (n) ,由n的倍数组成)或因作者所喜,它的单位群可能记为或类似的记号。
结构
2 的幂次
模 2 只有一个互质同余类 1,所以 平凡。
模 4 有两个互质同余类,1 和 3,所以两元循环群。
模 8 有四个互质同余类,1, 3, 5 和 7,每个平方都是 1,所以Klein 四元群。
模 16 有八个互质同余类,1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 和 15。为 2-扭子群(即每个元素的平方为 1),所以不是循环群。3的幂次:1,3,9,11 是一个 4 阶子群,5 的幂次也是,1,5,9,13。所以。
奇质数的幂
对奇质数的幂p,此群是循环群:
一般合数
中国剩余定理说明如果那么环 每个质数幂因子相应的环的
直积:
类似地,的单位群是每个质数幂因子相应群的直积:
阶数
群的阶数由
欧拉函数给出:(
OEIS中的数列A000010) 这是直积中各循环阶数的乘积。
指数
指数为
卡迈克尔函数,(
OEIS中的数列A002322),即这些循环群的阶数的
最小公倍数。这意味着如果a和n互质,。
生成元
是
循环群当且仅当。这在n为奇质数的幂次、奇质数幂次 2 倍、2 和 4 成立,此时也称一个生成元为模 n 的原根。
因为所有n= 1, 2, ..., 7 是循环群,上述结论的另一种说法是:如果n< 8 那么 有原根;如果n≥ 8,且不能被 4 或者两个不同的奇质数整除,有原根。( A033948= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 17, 18, 19, 22, 23, 25, 26, 27, 29, 31, 34, 37, 38, 41, 43, 46, 47, 49, 50, ... )
一般情形每个直积因子循环有一个生成元。