이차잉여의 상호법칙

개요

정수 \(a\)를 소수 \(p\)로 나눈 나머지가 어떤 완전제곱수를 \(p\)로 나눈 나머지와 같으면 \(p\)에 대한 이차잉여라 한다
소수 \(p\)에 대하여, 이차합동식 \(x^2\equiv a \pmod p\) 의 해의 개수에 관련된 문제로 볼 수 있다
두 홀수인 소수 \(p,q\)가 서로의 법에 대한 이차잉여가 될 조건은 긴밀히 연관되어 있으며, 이를 이차잉여의 상호법칙이라 한다
정수론의 중심적인 주제인 정수론에서의 상호법칙 (reciprocity laws)의 시작

이차잉여

예

합동식 (모듈로 modulo 연산)
소수 3에 대한 이차잉여
- 3으로 나눈 나머지가 1인수
소수 5에 대한 이차잉여
- 5로 나눈 나머지가 1 또는 4
이차잉여를 판정하는 하나의 방법은 가우스의 보조정리(Gauss's lemma)를 사용하는 것이다

테이블

처음 몇개의 소수에 대한 이차잉여와 비이차잉여

\[ \begin{array}{c|c|c} \text{} & \text{quadratic residue} & \text{quadratic nonresidue} \\ \hline 2 & \{1\} & \{\} \\ 3 & \{1\} & \{2\} \\ 5 & \{1,4\} & \{2,3\} \\ 7 & \{1,2,4\} & \{3,5,6\} \\ 11 & \{1,3,4,5,9\} & \{2,6,7,8,10\} \\ 13 & \{1,3,4,9,10,12\} & \{2,5,6,7,8,11\} \\ 17 & \{1,2,4,8,9,13,15,16\} & \{3,5,6,7,10,11,12,14\} \\ 19 & \{1,4,5,6,7,9,11,16,17\} & \{2,3,8,10,12,13,14,15,18\} \\ 23 & \{1,2,3,4,6,8,9,12,13,16,18\} & \{5,7,10,11,14,15,17,19,20,21,22\} \\ 29 & \{1,4,5,6,7,9,13,16,20,22,23,24,25,28\} & \{2,3,8,10,11,12,14,15,17,18,19,21,26,27\} \end{array} \]

이차잉여 항목 참조

르장드르 부호

정수 \(a\)와 홀수인 소수 \(p\) 에 대하여, 르장드르 부호를 다음과 같이 정의한다

\[\left(\frac{a}{p}\right) = \begin{cases} \;\;\,0\mbox{ if } a \equiv 0 \pmod{p} \\+1\mbox{ if }a \not\equiv 0\pmod{p} \mbox{ and for some integer }x, \;a\equiv x^2\pmod{p} \\-1\mbox{ if there is no such } x. \end{cases}\]

르장드르 부호와 자코비 부호 항목 참조

테이블

처음 몇 개의 소수들에 대한 르장드르 부호 \(\left(\frac{y}{x}\right)\)의 계산

\[ \begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} x\ddots y & 3 & 5 & 7 & 11 & 13 & 17 & 19 & 23 & 29 & 31 & 37 & 41 & 43 & 47 & 53 \\ \hline 3 & & -1 & -1 & 1 & 1 & -1 & -1 & 1 & -1 & -1 & 1 & -1 & -1 & 1 & -1 \\ \hline 5 & -1 & & -1 & 1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & -1 & 1 & -1 & -1 & -1 \\ \hline 7 & 1 & -1 & & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & 1 & -1 & -1 & 1 & 1 \\ \hline 11 & -1 & 1 & 1 & & -1 & -1 & 1 & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & -1 & 1 \\ \hline 13 & 1 & -1 & -1 & -1 & & 1 & -1 & 1 & 1 & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 \\ \hline 17 & -1 & -1 & -1 & -1 & 1 & & 1 & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 & 1 & 1 & 1 \\ \hline 19 & 1 & 1 & -1 & -1 & -1 & 1 & & -1 & -1 & 1 & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 \\ \hline 23 & -1 & -1 & 1 & 1 & 1 & -1 & 1 & & 1 & -1 & -1 & 1 & 1 & -1 & -1 \\ \hline 29 & -1 & 1 & 1 & -1 & 1 & -1 & -1 & 1 & & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 & 1 \\ \hline 31 & 1 & 1 & -1 & 1 & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & & -1 & 1 & 1 & -1 & -1 \\ \hline 37 & 1 & -1 & 1 & 1 & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 & & 1 & -1 & 1 & 1 \\ \hline 41 & -1 & 1 & -1 & -1 & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & & 1 & -1 & -1 \\ \hline 43 & 1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & 1 & -1 & -1 & -1 & -1 & 1 & & -1 & 1 \\ \hline 47 & -1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & 1 & -1 & 1 & 1 & -1 & 1 & & 1 \\ \hline 53 & -1 & -1 & 1 & 1 & 1 & 1 & -1 & -1 & 1 & -1 & 1 & -1 & 1 & 1 & \end{array} \]