Cho là một số nguyên lẻ, ta viết trong đó và là số nguyên dương lẻ. Với mỗi số nguyên thỏa mãn , ta nói có liên hệ với nếu hoặc trong dãy có đúng một số hạng đồng dư với theo modulo . Chứng minh rằng là số nguyên tố khi và chỉ khi với mọi số nguyên thỏa mãn đều có liên hệ với .
Cho là một số nguyên lẻ, ta viết trong đó và là số nguyên dương lẻ. Với mỗi số nguyên thỏa mãn , ta nói có liên hệ với nếu hoặc trong dãy có đúng một số hạng đồng dư với theo modulo . Chứng minh rằng là số nguyên tố khi và chỉ khi với mọi số nguyên thỏa mãn đều có liên hệ với .
Đáp án chính thức: Tự luận
Hướng dẫn giải chi tiết
Trước hết, giả sử là số nguyên tố. Theo định lý Fermat nhỏ, ta có
Nếu thì xong, còn nếu không, gọi là số nhỏ nhất trong sao cho . Khi đó là số duy nhất thoả mãn do , do đó có liên hệ với .
Ngược lại, giả sử là hợp số. Ta sẽ chứng minh tồn tại không liên hệ với .
Nếu có ít nhất hai ước nguyên tố phân biệt, viết , trong đó và .
Theo CRT, tồn tại số nguyên dương sao cho
Khi đó . Vì lẻ, , nên . Mặt khác, mọi số đều đồng dư với modulo , nên không số nào trong chúng có thể đồng dư với modulo .
Vậy không có liên hệ với .
Nếu với là số nguyên tố lẻ và . Chọn .
Ta có vì là ước của . Với mọi , khai triển nhị thức cho
Vế phải không đồng dư với modulo , đồng thời lại đồng dư với modulo , nên cũng không thể đồng dư với modulo . Do đó không có liên hệ với .
Trong các trường hợp, là hợp số thì điều kiện của đề bài không thể đúng nên có điều phải chứng minh.
Nếu thì xong, còn nếu không, gọi là số nhỏ nhất trong sao cho . Khi đó là số duy nhất thoả mãn do , do đó có liên hệ với .
Ngược lại, giả sử là hợp số. Ta sẽ chứng minh tồn tại không liên hệ với .
Nếu có ít nhất hai ước nguyên tố phân biệt, viết , trong đó và .
Theo CRT, tồn tại số nguyên dương sao cho
Khi đó . Vì lẻ, , nên . Mặt khác, mọi số đều đồng dư với modulo , nên không số nào trong chúng có thể đồng dư với modulo .
Vậy không có liên hệ với .
Nếu với là số nguyên tố lẻ và . Chọn .
Ta có vì là ước của . Với mọi , khai triển nhị thức cho
Vế phải không đồng dư với modulo , đồng thời lại đồng dư với modulo , nên cũng không thể đồng dư với modulo . Do đó không có liên hệ với .
Trong các trường hợp, là hợp số thì điều kiện của đề bài không thể đúng nên có điều phải chứng minh.