【定理・公式・証明】高校数学定理・公式 – 数学A – 合同式

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合同式

$a,b$ は整数, $m$ は正の整数とする。 $a-b$ が $m$ の倍数であるとき, $a \equiv b ( \mathrm{ mod } \ m)$ と表す。このとき,次が成り立つ。

[Ⅰ] $a \equiv a( \mathrm{ mod } \ m)$ 

[Ⅱ] $a \equiv b ( \mathrm{ mod } \ m) $ ならば, $b \equiv a( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅲ] $a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m)$ , $b \equiv c( \mathrm{ mod } \ m)$ ならば, $a \equiv c( \mathrm{ mod } \ m)$

証明

[Ⅰ] $a-a=0=(m の倍数)$

 であるから,

 $a \equiv a( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅱ] $a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m)$ より,

 $a-b=mk$ ( $k$ は整数)

 このとき,

 $b-a=m \cdot (-k) =(mの倍数)$

 であるから,

 $b \equiv a ( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅲ] $a \equiv b ( \mathrm{ mod } \ m),b \equiv c ( \mathrm{ mod } \ m)$ より,

 $\begin{eqnarray} \left \{ \begin{array}{l} a-b=mk \\ b-c=ml \end{array} \right. \end{eqnarray}$ ( $k,l$ は整数)

 2式の和をとり,

 $a-c=m(k+l)=(m の倍数)$

 よって,

 $a \equiv c ( \mathrm{ mod } \ m)$

 

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合同式の性質

$a,b,c,d$ は整数, $m$ は正の整数とする。 $a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m)$ , $c \equiv d ( \mathrm{ mod } \ m)$ のとき,

[Ⅰ] $a+c \equiv b+d( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅱ] $a-c \equiv b-d( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅲ] $ac \equiv bd ( \mathrm{ mod } \ m)$

[Ⅳ] $a^n \equiv b^n ( \mathrm{ mod } \ m)$ ( $n$ は正の整数)

証明

$a \equiv b ( \mathrm{ mod } \ m)$ , $c \equiv d( \mathrm{ mod } \ m)$ より, $a-b=mk$ , $c-d=ml$ であるから,

$a=ml+b$ , $c=ml+d$ ( $k,l$ は整数)

[Ⅰ] $(a-c)-(b-d)=(mk+b+ml+d)-(b+d)=m(k+l)=(m の倍数)$ であるから, $a+c \equiv b+d( \mathrm{ mod } \ m)$ である。

[Ⅱ] $(a-c)-(b-d)= \{ mk+b-(ml+d) \} -(b-d)=m(k-l)= (m の倍数)$ であるから, $a-c \equiv b-d( \mathrm{ mod } \ m)$ である。

[Ⅲ] $ac-bd=(mk+b)(ml+d)-bd=m(mkl+dk+bl)=(m の倍数)$ であるから, $ac \equiv bd( \mathrm{ mod } \ m)$ である。

[Ⅳ] $a^n \equiv b^n ( \mathrm{ mod } \ m)$ ( $n$ は正の整数)

が成り立つことを,数学的帰納法で証明する。

(i) $n=1$ のとき, $a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m)$ より,(※)は成立。

(ii) $n=k$ のとき,(※)が成り立つこと,すなわち $a^k \equiv b^k( \mathrm{ mod } \ m)$ を仮定する。

これと $a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m$ より,[Ⅲ]から,

$a^k \cdot a \equiv b^k \cdot b( \mathrm{ mod } \ m)$ すなわち $a^{k+1} \equiv b^{k+1}( \mathrm{ mod } \ m)$

したがって, $n=k+1$ のときも(※)は成り立つ。

以上,(i),(ii)より,すべての正の整数 $n$ において,(※)は成り立つ。

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