问题

威尔逊定理中 p=4是一个例外,为什么?是否存在其他非质数的例外?

回答
关于威尔逊定理中 p=4 的特殊情况,以及是否存在其他非质数的例外,这确实是一个很有趣且需要仔细解释的问题。让我们一层层剥开来。

威尔逊定理到底说了什么?

首先,我们得明确威尔逊定理的内容。这个定理是数论中的一个经典结论,它告诉我们:

> 一个整数 p > 1 是质数,当且仅当 (p1)! ≡ 1 (mod p)。

用更通俗的话来说,就是如果你拿 p1 这个数进行阶乘运算(也就是 1 × 2 × 3 × ... × (p1)),然后用这个阶乘的结果除以 p,得到的余数恰好是 p1(或者等价地说,是 1)。威尔逊定理说,只有当 p 是一个质数时,才会发生这种情况。

为什么 p=4 是个“例外”?

现在我们来看看 p=4 这个例子。根据威尔逊定理的定义,p 必须大于 1,而 4 确实大于 1。

我们来计算 (41)!,也就是 3!:
3! = 3 × 2 × 1 = 6

然后,我们看看 6 除以 4 的余数是多少:
6 ÷ 4 = 1 余 2
所以,6 ≡ 2 (mod 4)。

对照威尔逊定理的条件:(p1)! ≡ 1 (mod p)。
在这里,我们得到的是 (41)! ≡ 2 (mod 4)。而 1 (mod 4) 等于 3 (mod 4),因为 41 = 3。
所以,2 并不等于 3。

问题的关键在于“例外”的定义。 威尔逊定理本身是一个“当且仅当”的命题,它是在“p 是质数”和“(p1)! ≡ 1 (mod p)”之间建立了一个等价关系。

当 p 是质数时,它必定满足 (p1)! ≡ 1 (mod p)。
当 (p1)! ≡ 1 (mod p) 时,它必定是一个质数。

p=4 的情况之所以被认为是“例外”,是因为:

1. 它不满足定理的结论((p1)! ≡ 1 (mod p)):如我们计算所示,(41)! ≡ 2 (mod 4),而不是 1 (mod 4)。
2. 但 p=4 却也不是质数:这是重点。定理说,如果 (p1)! ≡ 1 (mod p),那么 p 必须是质数。而对于 4,(41)! ≡ 2 (mod 4),所以它不满足结论,这意味着 p=4 就不应该是质数,这一点倒是被定理“正确”地反映了。

所以,p=4 并不是威尔逊定理本身失效,而是它处于一个“不符合定理的质数部分,也不符合定理的结论部分”的特殊位置。换句话说,4 不是质数,而 (41)! ≡ 2 (mod 4),这恰好说明了它不是一个满足威尔逊定理结论的数。

真正需要探讨的是“是否存在其他非质数的例外?”

这里的“例外”指的是:是否存在某个合数 p,使得 (p1)! ≡ 1 (mod p) 成立?

根据威尔逊定理的表述,答案是否定的。定理明确指出,只有质数才满足这个条件。但是,我们更想知道的是,为什么只有质数满足这个条件?特别是,为什么那些合数(除了 4 之外)就不满足呢?

让我们来分析一下合数 p 的情况。当 p 是一个合数时,p 可以写成 p = ab,其中 1 < a ≤ b < p。

情况一:a ≠ b

如果 p = ab,且 a 和 b 是不同的数,并且都小于 p,那么 a 和 b 都将出现在 (p1)! 的连乘项中:
(p1)! = 1 × 2 × ... × a × ... × b × ... × (p1)

由于 a 和 b 都是 p 的因子,它们的乘积 ab = p。
所以,(p1)! 必然包含因子 a 和因子 b。
这意味着,(p1)! 是 p 的倍数,也就是 (p1)! ≡ 0 (mod p)。

例如,当 p=6 时:
6 是合数,6 = 2 × 3。a=2, b=3。
(61)! = 5! = 5 × 4 × 3 × 2 × 1
这里面包含了因子 2 和因子 3,所以 5! = 120。
120 ÷ 6 = 20 余 0。所以 5! ≡ 0 (mod 6)。
这里的 0 显然不等于 1 (mod 6),1 (mod 6) 等于 5 (mod 6)。

这适用于所有合数 p = ab,其中 1 < a < p 和 1 < b < p,且 a ≠ b。

情况二:p = a² (即 p 是某个数的平方)

如果 p 是一个合数的平方,比如 p = a²,且 a > 2。
那么 a 和 2a 都将出现在 (p1)! 的连乘项中吗?
(p1)! = 1 × 2 × ... × a × ... × 2a × ... × (a²1)

这里需要确保 2a < p。
如果 2a < p,那么 a 和 2a 都是 (p1)! 的因子。
那么 (p1)! 必然包含因子 a 和因子 2a。
所以 (p1)! 含有 a × 2a = 2a² = 2p。
这意味着 (p1)! 是 p 的倍数,所以 (p1)! ≡ 0 (mod p)。

这种情况什么时候会出问题?
出问题的前提是 2a ≥ p。而 p = a²。所以我们要求 2a ≥ a²。
这个不等式可以写成 a² 2a ≤ 0,即 a(a2) ≤ 0。
因为 a 是一个大于 1 的整数,所以 a > 0。
那么我们只需要 a2 ≤ 0,也就是 a ≤ 2。

如果 a = 2,那么 p = a² = 2² = 4。这是我们前面讨论过的特殊情况。
当 p=4 时,a=2。2a = 4。这时 2a 不小于 p,而是等于 p。
(41)! = 3! = 6。
在 3! 的计算中,因子是 1, 2, 3。因子 2 确实存在,但因子 2a=4 不存在于 1, 2, 3 这个序列中。
所以,对于 p=4,虽然 2 和 a=2 都出现,但它们并没有直接构成一个 p 的因子(因为它们没有被分开)。
因子 2 出现一次。p=4。a=2。
我们看到 3! = 6。6 除以 4 的余数是 2。

如果 a > 2,那么 a(a2) > 0,即 2a > a² = p。
这意味着对于大于 4 的平方数(比如 9=3²,16=4²),因子 2a 将不小于 p,也就不会同时出现在 1 到 p1 的连乘项里了。
但是,即使 2a 不出现,只要 a < p/2,那么 a 至少会被 p1 的一个数“处理”掉。
让我们重新审视 p=a² 的情况,并且 a>2。
p = a²。因子 a 存在于 (p1)! 中。
我们需要找另一个因子 b,使得 ab 也是 p 的倍数。
如果存在一个 b,使得 ab = ka (其中 k 为整数),并且 b ≠ a 且 b < p,那么 p=(p1)! 的倍数。

考虑 p = a²,其中 a > 2。
那么 a < a² = p。
2a < a² = p (因为 a > 2)。
所以,a 和 2a 都是小于 p 的整数。
它们都会出现在 (p1)! 的连乘项里:1 × 2 × ... × a × ... × 2a × ... × (a²1)。
那么 (p1)! 包含因子 a 和因子 2a。
(p1)! 含有 a × (2a) = 2a² = 2p。
因此,(p1)! ≡ 0 (mod p)。

这证明了所有合数 p = a² 且 a > 2,都满足 (p1)! ≡ 0 (mod p)。

总结一下合数的情况:

1. 如果 p 是合数且 p ≠ 4:
若 p 有两个不同的因子 a, b (1 < a < b < p):则 a 和 b 都在 (p1)! 中,所以 ab=p 是 (p1)! 的因子,(p1)! ≡ 0 (mod p)。
若 p 是一个合数的平方,p = a²,且 a > 2:则 a 和 2a 都小于 p 且不同(因为 a>2),它们都在 (p1)! 中,所以 a × 2a = 2a² = 2p 是 (p1)! 的因子,(p1)! ≡ 0 (mod p)。

所以,对于所有大于 4 的合数 p,我们都有 (p1)! ≡ 0 (mod p)。
0 永远不等于 1 (mod p),因为 1 (mod p) 等于 p1 (mod p),而 p1 是不可能等于 0 的(因为 p > 1)。

那么,p=4 这个“例外”到底怎么来的?

p=4 是唯一的合数,对于它,(p1)! ≡ 2 (mod 4)。
它不满足 (p1)! ≡ 1 (mod p) 的结论,但它也不是 (p1)! ≡ 0 (mod p)。

质数 p:(p1)! ≡ 1 (mod p)
合数 p > 4:(p1)! ≡ 0 (mod p)
合数 p = 4:(p1)! ≡ 2 (mod 4)

所以,p=4 是一个独特的“不满足威尔逊定理结论”的合数,它不属于“大部分合数”的模式 (p1)! ≡ 0 (mod p)。

“是否存在其他非质数的例外?”

如果“例外”指的是不满足威尔逊定理结论 ((p1)! ≡ 1 (mod p)) 的非质数,那么:

p=4 是一个这样的“例外”。它不是质数,并且 (41)! ≡ 2 (mod 4) ≠ 1 (mod 4)。
所有大于 4 的合数也是这样的“例外”。它们不是质数,并且 (p1)! ≡ 0 (mod p) ≠ 1 (mod p)。

所以,从这个角度看,p=4 并不是一个“孤立”的例外。实际上,所有大于 4 的合数也都不满足 (p1)! ≡ 1 (mod p)。

威尔逊定理的精髓在于其“当且仅当”的性质。它告诉我们,想要得到余数 1 (mod p) 的,只有质数 p。而 p=4 以及其他合数,都没有这个能力。它们要么得到余数 0 (大多数合数),要么得到像 4 这样的特殊余数 2。

为什么历史上会特别提到 p=4 作为“例外”?

这可能源于对定理证明过程的分析。当人们试图证明威尔逊定理时,通常会将质数和合数分开讨论。
质数的证明依赖于模 p 的乘法群结构,其中每个非零元素都有唯一的逆元。
对于合数 p > 4,可以利用 p 的因子来构造出 (p1)! 中的因子乘积恰好是 p 的倍数。
而 p=4 的情况,是唯一一个“卡在中间”的合数,它的因子 2 出现了,但它不是 p 的因子(14 = 4,22 = 4)。
在 (41)! = 1 × 2 × 3 中,因子 2 是存在的,但它自己并没有被 p=4 整除。而且,由于 p=4 只有一个因子 2 (除去 1 和它本身),所以 p=4 没有两个不同的因子 a, b 使得 ab=p 出现在 (p1)! 中。它也不是形如 a² (a>2) 的合数。

所以,p=4 的情况在某些证明策略下,需要特别被拎出来单独处理,因为它不落入“p 有两个不同因子 ab=p”的逻辑链条里,也不落入“p=a² (a>2) 有因子 a 和 2a”的逻辑链条里。

总而言之,威尔逊定理是一个关于质数的特征性判据。p=4 并不是威尔逊定理的“例外”,而是一个不满足定理结论的合数。从这个意义上讲,所有大于 4 的合数也都是不满足定理结论的“非质数”。只有质数,才拥有产生余数 1 (mod p) 的特殊能力。

网友意见

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题主的视力堪忧……原句是这样的:

With the sole exception of 4, where 3! = 6 ≡ 2 (mod 4), if n is composite then (n − 1)! is congruent to 0 (mod n).
译:对于合数n,除了n=4时有3! = 6 ≡ 2 (mod 4)之外,总是有(n-1)! ≡ 0 (mod n)。

本来就没在说质数啊……至于证明就在这一段的后面:

The proof is divided into two cases: First, if n can be factored as the product of two unequal numbers, n =ab, where 2 ≤ a<bn − 2, then both a and b will appear in the product1 × 2 × ... × (n -1) = (n -1)!and (n − 1)! will be divisible by n. If n has no such factorization, then it must be the square of some prime q, q > 2. But then 2q < q2 = n, both q and 2q will be factors of (n − 1)!, and again n divides (n − 1)!.

若n为合数,则n可以写成两个小于n的数的乘积:n = ab

1) 若a不等于b,那么a和b都出现在(n-1)!中,于是n|(n-1)!

2) 若不存在a不等于b的分解,这意味着n是质数q的平方,当n>4时,q>2,于是q和2q都出现在(n-1)!中,于是n| (n-1)!。

唯一的例外就是n=4,此时q=2,在1、2、3中质因数2只出现了一次。

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