Question

【題目】對(duì)于素?cái)?shù)p，定義集合 .

及 .試求所有的素?cái)?shù)p，使得

.

Answer 1

【答案】滿足條件的所有素?cái)?shù)p為2、3、5、13、17.

【解析】

1.首先驗(yàn)算當(dāng)p＝2，3，5，13，17時(shí)，滿足題意.

i.當(dāng)p＝2時(shí)，對(duì)任意，a、b、c均為奇數(shù)或兩奇一偶，此時(shí)，

.

故.

ii.當(dāng)p＝3時(shí)，由平方數(shù)模3余0或1得

或.

因此，

iii.當(dāng)p＝5時(shí)，若

.

由模5余0或±1，得不能模5同為1或-1，此時(shí)必有

.

因此，.

iv.當(dāng)p=13時(shí)，若

.

由模13余0或±1或±3或±4，經(jīng)驗(yàn)算得中有一個(gè)模13為0或-1，此時(shí)必有

或

或

因此,

v.當(dāng)=p=17時(shí),若

.

由模17余0或±1或±2或±4或±8，經(jīng)驗(yàn)算得中有一個(gè)模17為0或-1，此時(shí)必有

或

或

因此,.

2.證明:當(dāng),且p>3時(shí),不滿足題意.

只需證明存在,而即可.

事實(shí)上,由p>3,知存在整數(shù)c,使得

.

由無(wú)解.

在模p意義下,定義函數(shù),

.

若,則

.

于是,f為單射(在模p意義下).

因此,f的值域中共有個(gè)值.

由抽屜原理,知存在整數(shù)b,使得

.

注意到,b≠0(否則,與,矛盾),且a≠0(否則,與,矛盾).

若,則由

.

而,,,于是,

.

故當(dāng)且p>3時(shí),不滿足題意.

3.證明:當(dāng),且p>17時(shí),不滿足題意.

先證明兩個(gè)引理.

引理1 若p為奇素?cái)?shù),kt≠0,則

,

其中,Z為模p的完系,表示勒讓德符號(hào).

引理1的證明 設(shè)模p的二次非零剩余構(gòu)成集合A,非二次剩余構(gòu)成集合B.

若,則.

而遍歷0一次,遍歷集合A中每個(gè)元素恰兩次,故

.

若,則.

而遍歷0一次,遍歷集合B中每個(gè)元素恰兩次,故

=

=.

因此, .

引理2 設(shè).則方程

①

至少有p-1組解.

引理2的證明 方程①等價(jià)于

至少有p-1組解.

固定有組解.

于是,共有組解.

由引理1及,得

.

回到原題.

令c=a+b,其中,S為的解集,則

=

=.

于是, .

若,則有下列四種情形:

ⅰ.至多有兩個(gè)值(a,b).

ⅱ.至多有兩個(gè)值(a,b).

ⅲ.且至多有兩個(gè)值(a,b).

ⅳ.,此時(shí),

.

而,故

至多6個(gè)b的解.

又一個(gè)b至多可確定兩個(gè)a,于是,至多有12個(gè)值(a,b).

綜上,至多有18個(gè)值,使得

.

又p>17時(shí),p+1>18,則必存在一組,而.

故.

因此,滿足條件的所有素?cái)?shù)p為2、2、5、13、17.