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合同式と余りの基本md 8112335
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合同式ごうどうしきcongruenceあまりの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_e7cda9e64d8efca326f7c766e752e825description整数を余りで分類する合同式の基本を、定義・加法乗法の保存・有限状態としての見方まで証明つきで整理する講義である。prerequisites整数の性質の基本 / 約数と倍数 / 文字式の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md / data/reference/math/algebra/congruence-remainder-techniques.reference.n.md / data/exercise/math/abstract-algebra/equivalence-relations-and-congruences.exercise.n.md / data/exercise/math/algebra/congruences-and-remainders.exercise.n.md
mathalgebranumber-theorycongruencelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、合同式ごうどうしきcongruenceを「等号とうごう代用品だいようひん」としてざつ使つかうのではなく、おなあまりを整数せいすうおな状態じょうたいとしてあつか記法きほうとして理解りかいする。

整数せいすう問題もんだいでは、あたいそのものを全部ぜんぶうより、あるかずったあまりだけをうほうが自然しぜん場面ばめんおおい。たとえば「3 でったあまり」だけをれば、整数全体せいすうぜんたいは 0, 1, 2 の 3 つの状態じょうたい圧縮あっしゅくされる。この圧縮あっしゅくただしく使つかえる理由りゆうは、ざんざんあまりをたもって定義ていぎできるからである。

data/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md

2用語ようご定義ていぎ

2.1合同式ごうどうしきcongruence

mまさ整数せいすうとする。整数せいすう a,b について、

ab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

とは、a-bm倍数ばいすうであること、すなわち

m(a-b)

意味いみする。

これは「abmったあまりがおなじである」という意味いみである。たとえば

172[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]5

である。なぜなら 17-2=15 は 5 の倍数ばいすうだからである。

2.2ほうmodulus

ab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]mmほうmodulusという。どの mあまりをているかによって、おな整数せいすうかたわる。

2.3剰余じょうよremainder

整数せいすう aまさ整数せいすう mったあまりを剰余じょうよremainderという。通常つうじょうあまりは

0,1,,m-1

のいずれかに代表だいひょうさせる。

3方針ほうしん

合同ごうどうしき使つかうときは、つぎじゅんかんがえる。

  1. どのほう mあまりをるかをめる。
  2. 問題もんだい必要ひつよう操作そうさが、あまりだけでまるかを確認かくにんする。
  3. あたい全体ぜんたいではなく、有限個ゆうげんこあまりの状態じょうたいう。

この方針ほうしん成立せいりつする根拠こんきょは、つぎ命題めいだいである。

4命題めいだい 1:合同ごうどうしきざんざんたれる

4.1主張しゅちょう

aa[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]mbb[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m なら、

a+ba+b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

かつ

abab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。

4.2証明しょうめい

aa[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m より、ある整数せいすう s存在そんざいして

a-a=ms

ける。同様どうように、bb[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m より、ある整数せいすう t存在そんざいして

b-b=mt

ける。

まずなごについて、

(a+b)-(a+b)=(a-a)+(b-b)=ms+mt=m(s+t)

である。したがって m(a+b)-(a+b)るので、

a+ba+b[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。

つぎについて、

ab-ab=a(b-b)+b(a-a)

変形へんけいする。右辺うへんうえ表示ひょうじ代入だいにゅうすると

ab-ab=a(mt)+b(ms)=m(at+bs)

である。したがって mab-abるので、

abab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。

4.3意味いみ

この命題めいだいにより、整数せいすうあまりにえてからざんざんをしても、最後さいごあまりはわらない。したがって多項式たこうしきかたしき線型せんけい漸化式ぜんかしきを、あまりだけでうことができる。

5命題めいだい 2:整数せいすう多項式たこうしきあまりだけであたいあまりがまる

5.1主張しゅちょう

F(x)整数せいすう係数けいすう多項式たこうしきとする。ar[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m なら、

F(a)F(r)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。

5.2証明しょうめい

まず ar[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m から、すべての自然数しぜんすう j について

ajrj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

しめす。j=0 では a0=r0=1 なので成立せいりつする。j成立せいりつすると仮定かていすると、命題めいだい 1 の乗法じょうほうにより

aj+1=ajarjr=rj+1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。したがって数学的帰納法すうがくてききのうほうにより、すべての jajrj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m である。

つぎに、整数せいすう係数けいすう多項式たこうしき

F(x)=c0+c1x++cdxd

く。かく j について ajrj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m であり、整数せいすう cjけても合同性ごうどうせいたもたれる。つまり

cjajcjrj[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。これらを j=0,,d についてわせると、命題めいだい 1 の加法かほうにより

c0+c1a++cdadc0+c1r++cdrd[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

である。したがって

F(a)F(r)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

成立せいりつする。

6れい漸化式ぜんかしきあまりだけを

an+1=3an+2

で、an5ったあまりだけを調しらべたいとする。このとき命題めいだい 2 より、anr[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]5 なら

an+13r+2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]5

である。つまり、整数列せいすうれつ全体ぜんたい必要ひつようはなく、あま0,1,2,3,4遷移せんいだけをえばよい。

7互除法ごじょほうとの関係かんけい

合同ごうどうしきざんのような操作そうさ使つかうには、逆元ぎゃくげんinverse必要ひつようである。ax1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]mかい条件じょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,m)=1

である。この条件じょうけん計算方法けいさんほうほうは、ユークリッドの互除法ごじょほうEuclidean algorithmあつかう。

data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md

8抽象代数ちゅうしょうだいすうへの接続せつぞく

ここでは合同ごうどうしきを「あまりを計算けいさん道具どうぐ」としてあつかった。より一般いっぱんには、おなあまりを整数せいすうを 1 つの剰余類じょうよるいresidue classとしてまとめ、Z/mZ という代数構造だいすうこうぞうとしてあつかう。この見方みかた抽象ちゅうしょう代数だいすうがわ講義こうぎあつかう。

data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md

9定石じょうせきリンク

data/reference/math/algebra/congruence-remainder-techniques.reference.n.md

10どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎでは、整数せいすうあまりと、ざんざんつくられるしきあつかった。ざんふくしきでは、分母ぶんぼにあたるかずほう m のもとで逆元ぎゃくげんつかを確認かくにんしなければならない。とくに、mたがいにもとでないかずでは、ざん一般いっぱん正当化せいとうかできない。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]mm(a-b)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]aa,bb[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]ma+ba+b,abab[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ar[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]mF(a)F(r)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"pmod\")")]m

12一言ひとことでいうと

合同式ごうどうしきcongruenceは、整数せいすうあまりという有限個ゆうげんこ状態じょうたい圧縮あっしゅくしても、ざんざん結果けっかただしくえるようにする記法きほうである。

13演習えんしゅうリンク

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14関連かんれんリンク

data/lecture/math/algebra/integer-properties.lecture.n.md data/lecture/math/algebra/euclidean-algorithm-and-linear-diophantine-equations.lecture.n.md data/lecture/math/abstract-algebra/congruences-and-modular-arithmetic.lecture.n.md
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