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数学建模 / 英语

数论 | 二次剩余:定义与示例

Michael Penn · YouTube · 4:44

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这个时长为 150 秒的初等数论片段,定义了模正整数 n 的二次剩余与二次非剩余,前提是 gcd(a,n)=1;随后以 n=7n=7 为例进行具体演算。讲师纠正了一处短暂的口误,使定义性同余式明确为 x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n;指出后续理论将主要集中于奇素数模;计算了 1 至 6 各数模 7 的平方;观察到这些结果中存在对称匹配的模式;并得出结论:模 7 的二次剩余是 1、2 和 4。 本片段讲解在 gcd(a,n) = 条件下,模 n 的二次剩余与二次非剩余的定义。1接着计算两个具体例子。首先,当 n = 时,7主讲人对所有与 n 互质的剩余类进行平方,并得出结论:1、2、4 是二次剩余,而3、5、6 是二次非剩余。擦除该例后,他采用相同策略处理合数模 n = ,仅保留8, keeping only 1。3,5,7 因为它们与 8 的平方均为 1 模 8,因此 1 是唯一的二次剩余,而 3,5,7 是非剩余。本节最后预告了下一视频中将进一步证明的若干命题。

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章节

0:00模 n 的二次剩余的定义0:37强调奇素数模0:50例题设定:n=7n = 71:10计算 1 至 6 各数模 7 的平方1:59列表中的折叠对称性2:19列出模7的二次剩余2:30完成模 7 的示例3:01过渡到合数模3:18设置模 8 的示例3:46对模 8 的互质剩余类进行平方4:14得出模 8 的剩余与非剩余结论4:38下一视频内容预告

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

视频片段以黑板左侧书写的正式定义开始:对于整数a和正模数n,当满足gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1时,若同余式x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n有解,则称a为模n的二次剩余;否则称a为模n的二次非剩余。

讲师口误短暂地说成了“a的平方”,但立即更正为原本意图的未知变量x,与黑板上的公式x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n保持一致。

在陈述一般定义之后,讲师补充说明,接下来的理论将主要集中于一个重要特例,即n为奇素数的情形。

黑板右侧随后引入一个具体例子,取n=7n=7,因为7是一个奇素数。

为确定模7的二次剩余,讲师直接计算所有非零剩余类的平方:12≡11^2 \equiv 1、22≡42^2 \equiv 4、32=9≡23^2 = 9 \equiv 2、42=16≡24^2 = 16 \equiv 2、52=25≡45^2 = 25 \equiv 4和62=36≡16^2 = 36 \equiv 1,全部对7取模。

观察这一竖列结果,讲师指出其中存在一种镜像结构:首项与末项均得1,第二项与第五项均得4,第三项与第四项均得2。

由这些计算可得,模 7 下作为平方数出现的不同剩余类构成二次剩余 1,2,41,2,4 模 7。

本片段以黑板左侧已写好的完整定义开场:对整数 a 和正模数 n,若 gcd(a,n)=1,则称 a 是模 n 的二次剩余,当且仅当同余方程 x² ≡ a (mod n) 有解;否则称 a 是模 n 的二次非剩余。中间一栏用于演示 n=7n=7 的示例,右侧一栏记录结论。

从所展示的模 7 平方运算结果中,得到互异的平方值为 1、2 和 4。因此主讲人指出,这些就是模 7 的二次剩余。其余互质剩余类 3、5 和 6 则被标记为模 7 的二次非剩余。

在完成一个奇素数模的示例后,主讲人宣布将用一个合数开展第二个示例。他擦去黑板中部和右部,仅保留定义部分,表明接下来将在同一概念框架下应用新模数。

新示例为模 8。主讲人表示将沿用相同策略:取所有与 8 互质的数,对其平方,并检验所得剩余类。此举使方法清晰明确:先按互质性筛选,再计算平方,最后依据定义对结果分类。

对于 n=8n=8,小于 8 且与 8 互质的正剩余类为 1、3、5 和 7。数字 2、4 和 6 被排除,因为它们与 8 有公共因子。此步骤直接运用了定义中给出的前提条件 gcd(a,n)=1。

主讲人随后计算模8下的平方数:1² ≡ 1,3² = 9 ≡ 1,5² = 25 ≡ 1,以及7² = 49 ≡ 1(mod 8)。这四个互质的底数全部坍缩到同一个剩余类,即1。

由于唯一得到的不同平方值是1,黑板上写出的结论是:1是模8下唯一的二次剩余。根据定义的互补部分,其余互质剩余类3、5和7均为模8下的二次非剩余。

本段以简短的过渡说明结束:本视频到此为止,下一视频将证明若干关于二次剩余的命题。本片段内未给出任何额外的定理陈述。

知识卡片

01

模n的二次剩余

对于整数a和n,若n>0n>0且gcd(a,n)=1,则当同余式x2x^2 ≡ a (mod n)有解时,a称为模n的二次剩余;若不存在这样的x,则a称为模n的二次非剩余。

x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n
02

定义中的互质假设

该定义明确假设gcd(a,n)=1,因此a与n互质。这一条件是判定a是否为二次剩余之前所给定的前提条件。

gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1
03

后续重点讨论奇素数模

尽管定义适用于一般的正整数 n,但讲者指出,后续结论主要针对 n 为奇素数的情形。

04

示例:模 7 的平方数

取 n=7n = 7,讲者计算了从 1 到 6 各数模 7 的平方,得到余数 1、4、2、2、4、1。

12≡1, 22≡4, 32≡2, 42≡2, 52≡4, 62≡1(mod7)1^2 \equiv 1,\ 2^2 \equiv 4,\ 3^2 \equiv 2,\ 4^2 \equiv 2,\ 5^2 \equiv 4,\ 6^2 \equiv 1 \pmod 7
05

模 7 的平方数列表中呈现对称模式

所计算的六个同余式展现出一种折叠对称性:当从列表两端向中间读取时,1 与 1 配对,4 与 4 配对,2 与 2 配对。

06

模 7 的二次剩余

汇总示例中所有不同的输出结果可知,模 7 的二次剩余恰好是 1、2 和 4。

{1,2,4}\{1,2,4\}
07

模n的二次剩余

视频在受限情形下定义了二次剩余:设a为整数,n为正整数,且gcd(a,n)=1。则当同余式x² ≡ a (mod n)有解时,a恰为模n的二次剩余。该定义始终显示在黑板左侧,并作为两个例题演算的基础。

x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n
08

模n的二次非剩余

在相同假设下,视频定义了其互补情形:若gcd(a,n)=1,但同余式x² ≡ a (mod n)无解,则称a为模n的二次非剩余。在例题中,这一定义通过识别那些未出现在已计算平方值中的互质剩余类来应用。

09

例题中寻找二次剩余的方法

例题采用直接计算的步骤:首先列出所有小于n且与n互质的正剩余;然后对每个代表元求平方,并对n取模;所得不同结果即为二次剩余;其余互质剩余类则为二次非剩余。主讲人在从n=7n=7过渡到n=8n=8时,明确指出这是同一策略。

10

例题:模7的二次剩余

当n=7n=7时,黑板列出了六个互质剩余类1至6,并计算它们模7的平方:1²≡1,2²≡4,3²≡2,4²≡2,5²≡4,6²≡1。不同的平方值为1、2和4,因此它们就是模7的二次剩余。剩下的互质剩余类3、5和6则为模7的二次非剩余。

11

例题:模8的二次剩余

当 n=8n=8 时,主讲人首先仅保留与 8 互素的剩余类,即 1、3、5 和 7,而排除 2、4 和 6。接着他计算:1²≡1,3²=9≡1,5²=25≡1,以及 7²=49≡1(mod 8)。由于所有平方运算结果均为 1,因此模 8 的唯一二次剩余是 1,而二次非剩余为 3、5 和 7。

12

为何在这些例子中互素性至关重要

黑板上的定义包含假设 gcd(a,n)=1,而 n=8n=8 的例子使该假设得以具体应用。主讲人明确排除了 2、4 和 6,因为它们与 8 不互素。因此,本片段中的分类并非针对模 n 的所有剩余类,而仅针对那些与 n 互素的剩余类。

13

不同的平方值与多个底数

模 8 的例子说明,若干不同的底数在平方后可能得到相同的剩余类。底数 1、3、5 和 7 彼此不同,但均满足 x² ≡ 1(mod 8)。二次剩余由所有不同平方值构成的集合决定,而非由得到每个值的底数个数决定。

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 15

a

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板在定义中写下 `a∈Za \in \mathbb{Z}`。

  2. 声音
    观察依据

    说话人说:“若 a 和 n 是整数。”

符号

a

含义

其关于模 n 的二次剩余性质正在被讨论的整数。

适用范围

整数集

n

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板写下 `n>0n > 0`,随后使用 `(modn)\pmod n` 和 `(mod7)\pmod 7`。

  2. 声音
    观察依据

    说话人说:“n 还大于零,因此它是一个自然数。”

符号

n

含义

正模数;在该例中特化为 7。

适用范围

整数集,n 大于0

gcd⁡(a,n)\gcd(a,n)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板写下 `gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1`。

  2. 声音
    观察依据

    说话人说:“a 与 n 的最大公约数为一,因此它们互素。”

符号

gcd⁡(a,n)\gcd(a,n)

含义

a 与 n 的最大公约数;定义要求它等于 1。

适用范围

定义在整数对上的整数值函数

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写下 `x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n`。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“若 x 的平方对模 n 与 a 同余有解。”

符号

x

含义

待检验其平方是否对模 n 与 a 同余的未知整数。

适用范围

整数(由同余方程隐含)

≡(modn)\equiv \pmod n

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板反复使用 `≡\equiv ... (modn)\pmod n` 和 `(mod7)\pmod 7`。

  2. 声音
    观察依据

    说话人朗读示例,例如“与1模7同余”。

符号

≡(modn)\equiv \pmod n

含义

模 n 的同余关系。

适用范围

定义在整数集上

a

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左板定义写道:“设 a ∈ ℤ,满足 n>0n > 0 且 gcd(a,n) = 1。若同余方程 x² ≡ a (mod n) 有解,则称 a 是模 n 的二次剩余。”

符号

a

含义

二次剩余/非剩余定义中出现的整数;在例题中,这些整数具体指被平方的底数,或被分类的剩余类。

适用范围

整数,例题中使用的是小于模数的正剩余。

n

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义行包含“n>0n > 0”,且同余式写作模 n 形式。

符号

n

含义

二次剩余模 n 的一般定义中的模数。

适用范围

正整数。

gcd(a,n)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义行包含“gcd(a,n) = 1”。

符号

gcd(a,n)

含义

a 与 n 的最大公约数;定义要求该值等于 1。

适用范围

定义在整数对上的取整数值函数。

x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义行包含“x² ≡ a (mod n) 是可解的”。

符号

x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n

含义

一个同余条件,其是否可解决定了 a 是否为模 n 的二次剩余。

适用范围

整数模 n 上的同余关系。

n=7n=7

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间列标题为“例:n=7n = 7”。

符号

n=7n=7

含义

第一个例题中所用的模数。

适用范围

某个具体的正整数模数。

n=8n=8

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    擦除第一个例题后,中间列标题重写为“例:n=8n = 8”。

符号

n=8n=8

含义

第二个例题中所用的模数。

适用范围

某个具体的正整数模数。

1,2,4

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    右列结论为:“因此,1、2、4是模7的二次剩余。”

符号

1,2,4

含义

从所列平方数中识别出的模7的二次剩余。

适用范围

模7的剩余类。

知识点 · 5

模 n 的二次剩余与二次非剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板文字:“定义:设 a∈Za \in \mathbb{Z},n>0n > 0,且 gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n) = 1。若同余式 x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n 有解,则称 a 是模 n 的二次剩余;否则称 a 是模 n 的二次非剩余。”

  2. 声音
    观察依据

    主讲人出声陈述同一定义,并特别更正“a 的平方”为“x 的平方”。

定义
解释

对整数 a 和正模数 n(满足 gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n) = 1),当同余式 x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n 有解时,a 称为模 n 的二次剩余;若该同余式无解,则 a 称为模 n 的二次非剩余。

公式
a∈Z, n>0, gcd⁡(a,n)=1;a is a quadratic residue mod n  ⟺  ∃x (x2≡a(modn))a \in \mathbb{Z},\ n>0,\ \gcd(a,n)=1;\quad a \text{ is a quadratic residue mod } n \iff \exists x\ (x^2 \equiv a \pmod n)
适用条件
  1. a 是一个整数

  2. n 大于0

  3. a 与 n 的最大公约数等于1

  4. 可解性是指存在一个整数 x 满足该同余式

通常聚焦于奇素数模

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“我们主要关注 n 为奇素数的情形。”

方法
解释

尽管定义适用于任意与 a 互素的正模 n,但讲者指出后续理论将主要集中于 n 为奇素数的情形。

公式
适用条件
  1. 一般定义允许任意满足 n>0n > 0 且 gcd(a, n) = 1 的 n

  2. 后续重点放在奇素数 n 上

先修条目
  1. 模 n 的二次剩余与二次非剩余

模 n 的二次剩余的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧黑板写有:“定义:设 a ∈ ℤ,n>0n > 0,且 gcd(a,n) = 1。若同余式 x² ≡ a (mod n) 可解,则称 a 是模 n 的二次剩余。”

  2. 声音
    观察依据

    说话人继续该定义,指出:否则,a 称为模 n 的二次非剩余。

定义
解释

视频给出了关于整数 a 相对于正模数 n 的定义,并明确要求满足互素条件 gcd(a,n) = 1;该定义指出:当且仅当同余式 x² ≡ a (mod n) 有解时,a 是模 n 的二次剩余。同一设定下也定义了互补情形:若该同余式无解,则 a 称为模 n 的二次非剩余。

公式
x2≡a(modn)x^2 \equiv a \pmod n
适用条件
  1. a 是整数

  2. n 大于0

  3. a 与 n 的最大公约数等于1

  4. 分类取决于同余式 x² ≡ a (mod n) 是否有解

模 n 的二次非剩余的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧黑板上写着:“否则,它就是一个模 n 的二次非剩余。”

  2. 声音
    观察依据

    在两个例子中,主讲人都将剩余的与 n 互质的剩余类标记为二次非剩余。

定义
解释

在同一定义段落中,视频陈述了否定情形:若 a 满足 gcd(a,n)=1,但同余式 x² ≡ a (mod n) 无解,则 a 是模 n 的二次非剩余。例子通过选取那些未出现在已计算平方值中的互质剩余类来应用该定义。

公式
适用条件
  1. a 是整数

  2. n 大于0

  3. a 与 n 的最大公约数等于1

  4. x² ≡ a (mod n) 无解

先修条目
  1. 模 n 的二次剩余的定义

示例方法:通过对与模数互质的同余类进行平方来分类二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“我们将采用相同的策略。因此,我们会取所有与 8 互质的数,对它们分别平方,再观察结果。”

  2. 公式
    观察依据

    当 n=8n=8 时,他列出了 1、3、5、7,并计算了它们模 8 的平方值。

方法
解释

所给例题采用直接计算法。首先列出所有小于 n 且与 n 互质的正剩余;然后对每个剩余求平方,并对 n 取模;所得的不同结果即为二次剩余;其余与 n 互质的剩余则为二次非剩余。该方法在 n=7n=7 和 n=8n=8 两种情形下分别明确展示。

公式
适用条件
  1. 使用定义,其中 gcd(a,n)=1

  2. 对与 n 互质的代表元 x 计算 x² mod n

  3. 将不同的平方值汇总为二次剩余

先修条目
  1. 模 n 的二次剩余的定义
  2. 模 n 的二次非剩余的定义
定理与条件 · 4

模 7 的二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间一列列出:1²≡1,2²≡4,3²≡2,4²≡2,5²≡4,6²≡1 (mod 7)。

  2. 公式
    观察依据

    右列写明:“因此 1、2、4 是模 7 的二次剩余。”

命题
命题

对于模数 7,其互质剩余中的二次剩余是 1、2 和 4。

前提
  1. n 等于7

  2. 考虑与 7 互质的剩余

  3. 利用二次剩余的定义:即方程 x² ≡ a (mod 7) 是否有解

量词

对于模7的所列剩余类。

模7的二次非剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“剩下的那些,即3、5和6,是模7的二次非剩余。”

  2. 公式
    观察依据

    右栏写有:“3、5、6是模7的二次非剩余。”

命题
命题

对于模数7,在与之互素的剩余中,二次非剩余为3、5和6。

前提
  1. n 等于7

  2. 剩余3、5、6均与7互素

  3. 它们不出现在平方值中1,2,4模7

量词

对于模7的所列剩余类。

模8下的唯一二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间栏列出:1²≡1,3²≡1,5²≡1,7²≡1(mod8)

  2. 公式
    观察依据

    右栏写有:“1是模8下唯一的二次剩余。”

命题
命题

对于模8,1是所有与模互质的剩余类中唯一的二次剩余。

前提
  1. n 等于8

  2. 考虑所有与8互质的剩余类。

  3. 利用二次剩余的定义:即同余方程 x² ≡ a (mod 8) 是否有解。

量词

在模8的所有与模互质的剩余类中。

模8下的二次非剩余。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“因此1是一个二次剩余,这意味着3、5和7都是二次非剩余。”

命题
命题

对于模8,所有与模互质的剩余类中的二次非剩余是3、5和7。

前提
  1. n 等于 8

  2. 剩余3、5、7均与8互质。

  3. 它们不等于唯一的平方值1模8

量词

针对所列出的模8剩余类。

推导与证明 · 4

计算模 7 下的平方

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“我们将对模 7 下的所有数直接平方,并观察结果。”

  2. 公式
    观察依据

    黑板上列出 `121^2 ≡ 1`、`222^2 ≡ 4`、`32=93^2 = 9 ≡ 2`、`42=164^2 = 16 ≡ 2`、`52=255^2 = 25 ≡ 4`、`62=366^2 = 36 ≡ 1`,全部对模 7 成立。

数值验证
步骤
  1. 公式
    12≡1(mod7)1^2 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    对1进行平方运算,再对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  2. 公式
    22≡4(mod7)2^2 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    对2进行平方运算,再对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    对3进行平方运算得到9,再对9进行7取模。

    步骤依据

    直接计算,并对7取模。

    视频直接表达
  4. 公式
    42=16≡2(mod7)4^2 = 16 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    对4进行平方运算得到16,再对16进行7取模。

    步骤依据

    直接计算,并对7取模。

    视频直接表达
  5. 公式
    52=25≡4(mod7)5^2 = 25 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    对5进行平方运算得到25,再对25进行7取模。

    步骤依据

    直接计算,并对7取模。

    视频直接表达
  6. 公式
    62=36≡1(mod7)6^2 = 36 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    对6进行平方运算得到36,再对36进行7取模。

    步骤依据

    直接计算,并对7取模。

    视频直接表达
结论

对1至6的每个数模7求平方,所得余数依次为1、4、2、2、4、1。

在模7的平方数列表中观察到的对称性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人说:“如果我们沿着这条线将这个列表对折,它们就能一一对应:二对应二,四对应四,一对应一。”

  2. 图示
    观察依据

    屏幕上竖直排列着六个同余式,说话人用手势指向该列表的中部。

直观解释
步骤
  1. 公式
    12↔621^2 \leftrightarrow 6^2
    解释

    比较该列表的第一个和最后一个条目。

    步骤依据

    两者均约化为1模7。

    视频直接表达
  2. 公式
    22↔522^2 \leftrightarrow 5^2
    解释

    比较该列表的第二个和第五个条目。

    步骤依据

    两者均约化为4模7。

    视频直接表达
  3. 公式
    32↔423^2 \leftrightarrow 4^2
    解释

    比较该列表的第三个和第四个条目。

    步骤依据

    两者均约化为2模7。

    视频直接表达
结论

模7的平方数列表具有镜像结构:成对对称的位置给出相同的余数。

模7下二次剩余与非剩余的推导过程。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间一列展示了模7下的六个平方运算。

  2. 公式
    观察依据

    右侧一列列出了所得的二次剩余集与非剩余集。

数值验证
步骤
  1. 公式
    12≡1(mod7)1^2 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    将第一个互素代表元平方,再对7取模。

    步骤依据

    直接进行模运算。

    视频直接表达
  2. 公式
    22≡4(mod7)2^2 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    对下一个代表元进行平方,并对7取模。

    步骤依据

    直接进行模运算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    计算9,并对7取模。

    步骤依据

    整数对7取模的约化。

    视频直接表达
  4. 公式
    42=16≡2(mod7)4^2 = 16 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    计算16,并对7取模。

    步骤依据

    整数对7取模的约化。

    视频直接表达
  5. 公式
    52=25≡4(mod7)5^2 = 25 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    计算25,并对7取模。

    步骤依据

    整数对7取模的约化。

    视频直接表达
  6. 公式
    62=36≡1(mod7)6^2 = 36 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    计算36,然后对7取模约化。

    步骤依据

    整数对7取模的约化。

    视频直接表达
  7. 公式
    {1,2,4}\{1,2,4\}
    解释

    收集对7取模所得的不同平方值。

    步骤依据

    根据定义,这些就是模7的二次剩余。

    视频直接表达
  8. 公式
    {3,5,6}\{3,5,6\}
    解释

    选取未出现在平方值集合中的其余互素剩余类。

    步骤依据

    根据定义,这些就是模7的二次非剩余。

    视频直接表达
结论

模7下,二次剩余为1、2、4,二次非剩余为3、5、6。

模8的剩余与非剩余的推导。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间一列列出1、3、5、7,然后依次列出它们对8取模的平方。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说明哪些数与8互素,然后计算它们的平方。

  3. 公式
    观察依据

    右列得出结论:1是模8下的唯一二次剩余。

数值验证
步骤
  1. 公式
    gcd⁡(1,8)=1, gcd⁡(3,8)=1, gcd⁡(5,8)=1, gcd⁡(7,8)=1\gcd(1,8)=1,\ \gcd(3,8)=1,\ \gcd(5,8)=1,\ \gcd(7,8)=1
    解释

    找出小于8且与8互质的正剩余。

    步骤依据

    直接检验与8的互质性。

    视频直接表达
  2. 公式
    12≡1(mod8)1^2 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    对第一个互质代表元进行平方。

    步骤依据

    直接进行模运算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡1(mod8)3^2 = 9 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    计算9,并对8取模。

    步骤依据

    对一个整数模8取余。

    视频直接表达
  4. 公式
    52=25≡1(mod8)5^2 = 25 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    计算25,并对8取模。

    步骤依据

    对一个整数模8取余。

    视频直接表达
  5. 公式
    72=49≡1(mod8)7^2 = 49 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    计算49,并对8取模。

    步骤依据

    对一个整数模8取余。

    视频直接表达
  6. 公式
    {1}\{1\}
    解释

    收集模8所得的不同平方值。

    步骤依据

    根据定义,这些即为模8的二次剩余。

    视频直接表达
  7. 公式
    {3,5,7}\{3,5,7\}
    解释

    取剩余未在平方值中出现的互质剩余类。

    步骤依据

    根据定义,这些是模8的二次非剩余。

    视频直接表达
结论

模8时,互质剩余类中唯一的二次剩余是1,而二次非剩余是3、5、7。

例题详解 · 3

以7为模的示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上写下“例:n=7n=7”,随后列出六个平方同余式。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“我们取 n 等于7”,然后对所有模7的数进行平方运算。

题目

确定哪些剩余类可表示为模7的平方,并从中识别出二次剩余。

已知条件
  1. n 等于7

  2. 考虑整数1、2、3、4、5、6模7的值

目标

对这些 x 值计算 x 的2次方模7,并从中读出二次剩余。

步骤
  1. 公式
    12≡1(mod7)1^2 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    计算1模7的平方。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  2. 公式
    22≡4(mod7)2^2 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    计算2模7的平方。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    计算3的平方并约化。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  4. 公式
    42=16≡2(mod7)4^2 = 16 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    计算4的平方并化简。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  5. 公式
    52=25≡4(mod7)5^2 = 25 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    计算5的平方并化简。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  6. 公式
    62=36≡1(mod7)6^2 = 36 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    计算6的平方并化简。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  7. 公式
    {1,2,4}\{1,2,4\}
    解释

    汇总六次计算所得的不同结果。

    步骤依据

    这些恰好是模7下某个平方数所代表的剩余类。

    依据视频推导
结果

模7的二次剩余为1、2和4。

检验

所列每个剩余类均出现在计算所得的模7平方数中,且列表中不包含其他非零剩余类。

例题:模7的二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间列标题为“例:n=7n = 7”,并列出六个平方同余式。

  2. 公式
    观察依据

    右列陈述了关于剩余与非剩余的结论。

题目

依据定义,对模7的二次剩余与二次非剩余进行分类。

已知条件
  1. n 等于 7

  2. 需考虑的互质剩余类:1、2、3、4、5、6

  3. 计算所得的模7平方值显示在黑板上

目标

确定模7的哪些剩余类是二次剩余,哪些是二次非剩余。

步骤
  1. 公式
    12≡1(mod7)1^2 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    从第一个代表元开始,计算并化简其平方。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  2. 公式
    22≡4(mod7)2^2 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    依次遍历所有代表元。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡2(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    将9对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  4. 公式
    42=16≡2(mod7)4^2 = 16 \equiv 2 \pmod 7
    解释

    将16对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  5. 公式
    52=25≡4(mod7)5^2 = 25 \equiv 4 \pmod 7
    解释

    将25对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  6. 公式
    62=36≡1(mod7)6^2 = 36 \equiv 1 \pmod 7
    解释

    将36对7取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  7. 公式
    1,2,41,2,4
    解释

    从剩余类中读出互不相同的平方值。

    步骤依据

    二次剩余的定义:通过同余方程 x² ≡ a (mod n) 是否有解来定义。

    视频直接表达
  8. 公式
    3,5,63,5,6
    解释

    其余与模数互质的同余类即为非剩余。

    步骤依据

    二次非剩余的定义:即上述同余方程无解的情形。

    视频直接表达
结果

模 7 的二次剩余:1,2,4。模 7 的二次非剩余:3,5,6。

检验

所列出的模 7 的平方值恰好是 1、2 和 4,其余与模数互质的同余类是 3、5 和 6。

演算示例:模 8 的二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    中间列标题为“例:n=8n = 8”,并列出 1、3、5、7 各自对模 8 的平方值。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者指出这是一个合数的例子,并采用相同的策略。

  3. 公式
    观察依据

    右列内容为:“1 是模 8 下唯一的二次剩余。”

题目

使用此前相同的策略,对模 8 的二次剩余与二次非剩余进行分类。

已知条件
  1. n 等于8

  2. 仅考虑与 8 互质的剩余:1、3、5、7。

  3. 模8的平方数在黑板上计算

目标

判断模8的哪些互质剩余类是二次剩余,哪些是二次非剩余。

步骤
  1. 公式
    1,3,5,71,3,5,7
    解释

    选出小于8且与8互质的正剩余。

    步骤依据

    定义要求gcd(a,n)=1,而说话者明确排除了2、4、6。

    视频直接表达
  2. 公式
    12≡1(mod8)1^2 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    对第一个选定的代表元进行平方。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  3. 公式
    32=9≡1(mod8)3^2 = 9 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    将9对8取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  4. 公式
    52=25≡1(mod8)5^2 = 25 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    将25对8取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  5. 公式
    72=49≡1(mod8)7^2 = 49 \equiv 1 \pmod 8
    解释

    将49对8取模。

    步骤依据

    直接计算。

    视频直接表达
  6. 公式
    11
    解释

    所有平方运算都得到相同的剩余类。

    步骤依据

    不同的平方值确定了二次剩余。

    视频直接表达
  7. 公式
    3,5,73,5,7
    解释

    因此,其余与模数互质的剩余类都是非剩余。

    步骤依据

    二次非剩余的定义即为不可解的情形。

    视频直接表达
结果

模8的唯一二次剩余是1;二次非剩余是3、5、7。

检验

每个互质的底数1,3,5,7 的平方等于 1 模 8,因此没有其他与之互质的同余类会作为平方值出现。

图示与动画 · 3

黑板布局:定义与例题演示

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    黑板被分为左侧定义区与右侧示例区。

  2. 动画
    观察依据

    讲师先指向定义部分,随后在右侧写下示例标题及六个同余式。

图中对象
  1. 左侧面板展示形式化定义

  2. 右侧面板标题为“例:n=7n=7”

  3. 垂直列出关于模7的六个同余式

变化过程
  1. 右侧面板初始为空白

  2. 随后写下“例:n=7n=7”

  3. 接着逐个添加六个平方同余式

  4. 最后,主讲人用手势示意各行之间的对称性

不变量
  1. 左侧面板的定义始终可见

  2. 模数7在该例题中保持不变

数学含义

视觉布局将一般性定义与具体的计算例题分隔开来,使抽象判据到显式剩余检验的过渡清晰易懂。

三栏式黑板布局

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    黑板被划分为三个垂直区域:左侧为定义,中间为演算示例,右侧为结论。

图中对象
  1. 左侧定义栏

  2. 中间演算示例栏

  3. 右侧结论栏

  4. 主讲人用粉笔书写

变化过程
  1. 中间和右侧面板首先填入 n=7n=7 的示例。

  2. 大约在 42 秒时,主讲人擦去中间和右侧面板的内容,而左侧定义保持不变。

  3. 随后,中间和右侧面板重新填入 n=8n=8 的示例。

不变量
  1. 左侧定义在整个片段中始终可见。

  2. 数学任务保持不变:对选定的模数分类二次剩余与非剩余。

数学含义

视觉布局将理论、计算与结论分离开来,使示例呈现为对左侧固定定义的应用。

从奇素数示例过渡到合数示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    主讲人在重写新标题前,先擦除中间和右侧列中先前的示例内容。

图中对象
  1. 黑板擦/手部动作

  2. 旧的 n=7n=7 计算过程

  3. 新的空白中间/右侧区域

变化过程
  1. n=7n=7 的计算过程与结论消失。

  2. 当 n=8n=8 时,一个新的标题写在中间一列。

不变量
  1. 左侧的定义保持不变。

  2. 对互质代表元进行平方的方法被沿用到新的模数上。

数学含义

这一视觉上的重置标志着模数从奇素数转变为合数,同时保持相同的定义框架。

易错点 · 3

混淆了待求的未知变量与待检验的剩余类

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“若x的平方关于模n同余于a有解。”

误区

有人可能误以为定义方程是 a2a^2 ≡ a (mod n),因为主讲人最初口误说错了。

说明

修正后并写在黑板上的条件是 x2x^2 ≡ a (mod n):x 是待求的未知量,而 a 是其剩余类性质正被讨论的整数。

在此基于定义的分类中,不得包含非互质的剩余类。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    当 n=8n=8 时,讲解者明确指出:“2 不与模数互质,因此不能使用;4 也不互质,因此不能使用;6 同样不互质”,最终只保留 1、3、5、7。

误区

有人可能试图将模 n 的每个剩余类都归类为二次剩余或非二次剩余,而不先验证 gcd(a,n)=1。

说明

本视频中的定义仅适用于 gcd(a,n)=1 的情形。在 n=8n=8 的例子中,2、4 和 6 在平方前即被排除,因为它们与 8 不互质。

多个底数可能产生相同的剩余类。

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    当 n=8n = 8 时,四个不同的底数 1,3,5,7 均产生相同的平方值 1 模 8。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者根据重复出现的输出结果得出结论:1 是模 8 下唯一的二次剩余。

误区

人们可能预期每个互质的底数都会生成不同的二次剩余。

说明

这些例子表明,多个不同的底数可以平方后得到相同的剩余类。关键在于模 n 下不同平方值的集合,而不在于得到这些平方值所用底数的个数。

概念关系 · 8

模 n 的二次剩余与二次非剩余 → 以7为模的示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧面板给出一般定义;右侧面板将该定义应用于 n=7n=7 的情形。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人从定义直接过渡到“我们来看一个例子”。

应用
解释

n=7n=7 的例子通过显式计算模 7 意义下哪些剩余类可表示为平方数,来应用该一般定义。

模 n 的二次剩余与二次非剩余 → 通常聚焦于奇素数模

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    在陈述一般定义之后,主讲人指出后续结果主要关注奇素数 n。

特例
解释

奇素数模数是一般定义下的一个特例,讲师特别标出以便后续理论展开。

在模7的平方数列表中观察到的对称性 → 以7为模的示例

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人在列出剩余类之前,先指出了折叠匹配的规律。

  2. 公式
    观察依据

    重复出现的剩余类 1、4、2 在六行列表中对称分布。

证明依赖
解释

所观察到的镜像结构有助于说明:为何仅将三个不同的剩余类 1、2 和 4 收集为模 7 的二次剩余。

模 n 的二次剩余的定义 → 示例方法:通过对与模数互质的同余类进行平方来分类二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧定义引入了同余式 x² ≡ a (mod n) 的可解性。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人针对 n=8n=8说:“我们将采用相同的策略”,然后对与 n 互质的代表元进行平方。

应用
解释

该计算方法是定义的直接应用:通过对候选底数进行平方并模 n 约化,可直接检验哪些与 n 互质的剩余类会作为平方值出现。

模 n 的二次剩余的定义 → 模 n 的二次非剩余的定义

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义先说明剩余情形,再指出“否则,它就是一个二次非剩余”。

  2. 公式
    观察依据

    两个例子都将与 n 互质的剩余类划分为平方值类和剩余类。

对比
解释

二次非剩余是在相同互质性假设下,相对于二次剩余所定义的补集情形。

例题:模7的二次剩余 → 演算示例:模 8 的二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说:“我们已考察了一个模为奇素数的例子;因此,现在我再举一个模为合数的例子,以作补充。”

  2. 公式
    观察依据

    两个例子均采用相同的三步模式:列出与 n 互质的剩余类,对其平方,再对结果分类。

对比
解释

这两个例子在使用同一定义驱动流程的前提下,对比了模为奇素数与模为合数的情形。

示例方法:通过对与模数互质的同余类进行平方来分类二次剩余 → 模 7 的二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    n=7n=7下的平方运算直接导出了所述的剩余集与非剩余集。

证明依赖
解释

关于模 7 的剩余断言,依赖于从与 n 互质的代表元出发、计算其不同平方值的方法。

示例方法:通过对与模数互质的同余类进行平方来分类二次剩余 → 模8下的唯一二次剩余

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    当 n=8n = 8 时,平方运算直接得出结论:1 是模 8 的唯一二次剩余。

证明依赖
解释

模 8 下的唯一性断言,源于对所有与模数互质的底数进行显式计算——它们的平方都等于 1。

问题定位 · 14

整数 a 对模 n 是二次剩余意味着什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    定义写在黑板左侧。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人用语言解释该定义。

涉及知识点
  1. 模 n 的二次剩余与二次非剩余

为什么该定义要求 gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上在假设条件中写有“gcd⁡(a,n)=1\gcd(a,n)=1”。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说:“因此它们互素。”

涉及知识点
  1. 模 n 的二次剩余与二次非剩余

如何通过直接计算找出模7的二次剩余?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板上列出了六个关于模7的显式同余式。

  2. 声音
    观察依据

    主讲人说,他将对所有模7的数进行平方,并观察结果。

涉及知识点
  1. 以7为模的示例
  2. 计算模 7 下的平方

模7的平方数列表中这种对应模式有何意义?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说,这个列表可以对折,各项恰好一一对应。

  2. 图示
    观察依据

    这六个同余式以竖直方式排列,使配对关系一目了然。

涉及知识点
  1. 在模7的平方数列表中观察到的对称性
  2. 以7为模的示例

为什么讲师在给出一般定义后特别强调奇素数?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人说,后续结论大多针对奇素数 n。

涉及知识点
  1. 通常聚焦于奇素数模

视频中给出的模 n 的二次剩余定义是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧黑板上的定义始终可见。

涉及知识点
  1. 模 n 的二次剩余的定义

当一个整数被称为模 n 的二次非剩余时,它满足什么条件?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    左侧黑板包含了“否则”条款。

涉及知识点
  1. 模 n 的二次非剩余的定义

为什么视频中的例子只检验与模数互质的数?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    主讲人将 2、4、6 排除在 n=8n = 8 的讨论之外,因为它们与 8 不互质。

涉及知识点
  1. 模 n 的二次剩余的定义
  2. 在此基于定义的分类中,不得包含非互质的剩余类。

在该例题中,哪些数是模 7 的二次剩余?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    右侧栏陈述了 n=7n = 7 时的结论。

涉及知识点
  1. 例题:模7的二次剩余
  2. 模 7 的二次剩余

哪些数是模 7 的二次非剩余?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    右侧栏陈述了 n=7n = 7 时的二次非剩余结论。

涉及知识点
  1. 例题:模7的二次剩余
  2. 模7的二次非剩余

根据示例,模8的二次剩余有哪些?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    右栏指出,1是模8的唯一二次剩余。

涉及知识点
  1. 演算示例:模 8 的二次剩余
  2. 模8下的唯一二次剩余

为什么3、5和7被称为模8的二次非剩余?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    说话人指出,3、5和7是二次非剩余。

涉及知识点
  1. 演算示例:模 8 的二次剩余
  2. 模8下的二次非剩余。
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 模 n 的二次剩余与二次非剩余的一般定义,包括互质性假设,以及讲师口头自我更正:从 a2a^2 改为 x2x^2。

已覆盖 · 讲师指出,后续结论将主要聚焦于 n 为奇素数的情形。

已覆盖 · 以 n=7n=7 为例:计算 1 至 6 各数模 7 的平方,并记录所得的剩余类。

已覆盖 · 观察所列出的六个同余式之间呈现的镜像式或折叠式结构。

已覆盖 · 该例的结论:模 7 的二次剩余为 1、2 和 4。

已覆盖 · 开场部分完成 n=7n=7 的例子,并给出剩余类与非剩余类的分类结论。

已覆盖 · 说话人通过口头过渡,从奇素数例子转向合数例子,并擦除黑板中部及右侧内容。

已覆盖 · 完整的 n=8n=8 演算示例:先找出所有互质剩余,再将它们平方,最终得出唯一二次剩余1,以及二次非剩余3、5、7。

已覆盖 · 结束语宣布下一视频将证明有关二次剩余的若干命题;本视频未引入任何新的数学内容。

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