הלמה של גאוס (תורת המספרים)

הלמה של גאוס היא למה בתורת המספרים, המספקת תנאי למספר טבעי להיות שארית ריבועית. הלמה נקראת על שם קרל פרידריך גאוס שהוכיח אותה לראשונה בדרכו להוכחת משפט ההדדיות הריבועית.

על אף שהלמה אינה יעילה ככלי חישוב, יש לה חשיבות תאורטית, כטענת עזר בהוכחות רבות של משפט ההדדיות הריבועית.

הלמה של גאוס. יהי p מספר ראשוני אי זוגי, ונניח ש- a זר ל- p. אם n הוא מספר המספרים בקבוצה עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ S = \{a,2a,3a,\dots,\frac{p-1}{2} a\}} המשאירים שארית גדולה מ- p/2 כשמחלקים אותם ב-p, אז: עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \ \left({\frac {a}{p}}\right)=(-1)^{n}} , כאשר עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (\tfrac {\cdot}{\cdot})} הוא סימן לז'נדר.

הוכחה. מכיוון ש- a זר ל- p, כל עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ (p-1)/2} המספרים בקבוצה S שונים זה מזה מודולו p. נסמן ב- עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ r_1,\dots,r_m} את שאריות החילוק הקטנות מ- p/2, וב- עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ s_1,\dots,s_n} את שאריות החילוק הגדולות מ- p/2. המספרים ${\displaystyle \ r_{1},\dots ,r_{m},p-s_{1},\dots ,p-s_{n}}$ כולם חיוביים וקטנים מ- p/2. יתרה מזו, אלו מספרים שונים, מפני שאם עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \ p-s_{i}=r_{j}} , כאשר עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ r_j \equiv u a \pmod{p}} ו-עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ s_i \equiv v a \pmod{p}} , אז עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ u+v \equiv 0 \pmod{p}} , והרי המכפלות בקבוצה S הן תמיד בגורמים קטנים מ- p/2.

אם כך, המספרים ברשימה הנ"ל שווים למספרים עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \ 1,2,\dots ,(p-1)/2} בסדר מתאים, ומכפלתם שווה ל- ${\displaystyle \ (p-1/2)!}$; לכן ${\displaystyle \ r_{1}\dots r_{m}(p-s_{1})\dots (p-s_{n})=(-1)^{n}r_{1}\dots r_{m}\cdot s_{1}\dots s_{n}\equiv ((p-1)/2)!{\pmod {p}}}$. מצד שני, המספרים ${\displaystyle \ r_{1},\dots ,r_{m},s_{1},\dots ,s_{n}}$ מהווים סידור מחדש של הקבוצה S, ומכאן ש- עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://en.wikipedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \ ((p-1)/2)!\equiv (-1)^{n}\cdot a^{(p-1)/2}\cdot ((p-1)/2)!{\pmod {p}}} . לכן עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ (-1)^n \equiv a^{(p-1)/2} \pmod{p}} . אבל לפי מבחן אוילר, עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \left(\frac{a}{p}\right) = a^{(p-1)/2}} .

ראו גם

• משפט ההדדיות הריבועית