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

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

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

証明

[Ⅰ] a−a=0=(mの倍数)a-a=0=(m の倍数)

であるから,

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

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

a−b=mka-b=mk ( kk は整数)

このとき,

b−a=m⋅(−k)=(mの倍数)b-a=m \cdot (-k) =(mの倍数)

であるから,

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

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

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

2式の和をとり,

a−c=m(k+l)=(mの倍数)a-c=m(k+l)=(m の倍数)

よって,

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

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≡b+d(mod m)a+c \equiv b+d( \mathrm{ mod } \ m)

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

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

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

証明

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

a=ml+ba=ml+b , c=ml+dc=ml+d ( k,lk,l は整数)

[Ⅰ] (a−c)−(b−d)=(mk+b+ml+d)−(b+d)=m(k+l)=(mの倍数)(a-c)-(b-d)=(mk+b+ml+d)-(b+d)=m(k+l)=(m の倍数) であるから, a+c≡b+d(mod m)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)(a-c)-(b-d)= \{ mk+b-(ml+d) \} -(b-d)=m(k-l)= (m の倍数) であるから, a−c≡b−d(mod m)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)ac-bd=(mk+b)(ml+d)-bd=m(mkl+dk+bl)=(m の倍数) であるから, ac≡bd(mod m)ac \equiv bd( \mathrm{ mod } \ m) である。

[Ⅳ] an≡bn(mod m)a^n \equiv b^n ( \mathrm{ mod } \ m) ( nn 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=1n=1 のとき, a≡b(mod m)a \equiv b( \mathrm{ mod } \ m) より,(※)は成立。

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

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

ak⋅a≡bk⋅b(mod m)a^k \cdot a \equiv b^k \cdot b( \mathrm{ mod } \ m) すなわち ak+1≡bk+1(mod m)a^{k+1} \equiv b^{k+1}( \mathrm{ mod } \ m)

したがって, n=k+1n=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 nn において,(※)は成り立つ。