윌슨의 정리

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분류
1. 개요2. 증명
2.1. 도움정리2.2. 증명
3. 예시4. 관련 문서


Wilson's Theorem.

1. 개요[편집]

대부분의 정수론 교재에 등장하는 정리. 이름은 수학자 존 윌슨의 이름을 땄다. 1770년에 수학자 에드워드 웨어링(Edward Waring)이 이 정리를 발표했으나, 자기 자신이나 제자 윌슨도 증명을 하지 못했다. 일단 공식적인 첫 증명은 1771년에 라그랑주에 의해 발표되었다. 자세한 정리는 아래와 같다.
pp가 소수일 때, (p−1)!≡−1(mod p)\left(p-1\right)!\equiv-1\left(\text{mod}\,p\right)가 성립한다. 또한, 그 역도 성립한다.
이 방법은 소수 판정법에 이용할 수 있으나 팩토리얼을 구하는 시간에 1부터 제곱근까지 하나씩 나눠보는 게 빠르다.

2. 증명[편집]

증명에 앞서 합동식에 관한 내용과 잉여계, 잉여역수에 관한 내용을 꼭 알아야 한다. 먼저 도움정리부터 증명하자.

2.1. 도움정리[편집]

pp가 소수이고, kk는 0<k<p0<k<p인 정수라고 할 때, k2≡1(mod p)k^2\equiv1\left(\text{mod}\,p\right)이면 k=1k=1 또는 k=p−1k=p-1이다. 그 역도 성립한다.
증명
k=1k=1이면 k2≡1(mod p)k^2\equiv1\left(\text{mod}\,p\right)이다.
또한, k=p−1k=p-1이면, k2=p2−2p+1≡1(mod p)k^2=p^2-2p+1\equiv1\left(\text{mod}\,p\right)이다.
역으로, k2≡1(mod p)k^2\equiv1\left(\text{mod}\,p\right)라고 가정하자. 그러면 p∣(k2−1)=(k−1)(k+1)p\mid\left(k^2-1\right)=\left(k-1\right)\left(k+1\right)이다. pp가 소수이므로, p∣(k−1)p\mid\left(k-1\right)또는 p∣(k+1)p\mid\left(k+1\right)이다.
p∣(k−1)p\mid\left(k-1\right)를 만족하는 pp이하의 양의 정수 kk는 오직 1뿐이고, p∣(k+1)p\mid\left(k+1\right)을 만족하는 pp이하의 양의 정수 kk는 오직 p−1p-1뿐이다.

2.2. 증명[편집]

pp가 소수라고 가정하자. 그럼 임의의 k∈{1,2,⋯ ,p−1}k\in\left\{1,2,\cdots,p-1\right\}에 대하여 kk와 pp는 서로소이다. 그러므로 적당한 정수 a,ba,b에 대해 ak+bp=1ak+bp=1이 성립하고,[1] 곧 ak≡1(mod p)ak\equiv1\left(\text{mod}\,p\right)이다. 법 pp에 대하여 a∈{1,2,⋯ ,p−1}a\in\left\{1,2,\cdots,p-1\right\}이므로 {1,2,⋯ ,p−1}\left\{1,2,\cdots,p-1\right\}의 모든 원소의 법 pp에 대한 잉여역수는 같은 집합의 원소이다. 특히, 도움정리에 의해 11과 p−1p-1은 자기 자신이 잉여역수이다. 나머지 2,3,⋯ ,p−22,3,\cdots,p-2는 두 원소씩 쌍으로 법 pp에 대해 잉여역수 관계이고, 따라서 (p−1)!≡1⋅2⋯(p−2)⋅(p−1)≡1⋅1⋅(p−1)≡p−1≡−1(mod p)\left(p-1\right)!\equiv1\cdot2\cdots\left(p-2\right)\cdot\left(p-1\right)\equiv1\cdot1\cdot\left(p-1\right)\equiv p-1\equiv -1\left(\text{mod}\,p\right)이다.

역으로 (p−1)!≡−1(mod p)\left(p-1\right)!\equiv-1\left(\text{mod}\,p\right)라고 가정하자. 그러면 (p−1)!+1=kp\left(p-1\right)!+1=kp를 만족하는 정수 kk가 존재한다. p=ab, (1≤a,b≤p)p=ab,\,\left(1\leq a,b\leq p\right)라 가정하자. 만약 a=pa=p이면 b=1b=1이고 이는 곧 pp가 소수임을 의미한다. a<pa<p라고 가정하면, a∈{1,2,⋯ ,p−1}a\in\left\{1,2,\cdots,p-1\right\}이므로 a∣(p−1)!a\mid\left(p-1\right)!이다. 그리고 a∣pa\mid p이고, (p−1)!+1=kp\left(p-1\right)!+1=kp이므로 a∣1a\mid1이다. 이를 모두 만족하는 값은 a=1a=1밖에 없고, 따라서 b=pb=p이다. 곧 pp는 소수이다.

3. 예시[편집]

17!을 19로 나눈 나머지를 구해보자. 먼저 정리를 쓰면, 18!≡−1(mod 19)18!\equiv-1\left(\text{mod}\,19\right)이다. 또한, 18≡−1(mod 19)18\equiv-1\left(\text{mod}\,19\right)이므로, −1≡18!≡18×17!≡(−1)×17!(mod 19)-1\equiv18!\equiv18\times17!\equiv\left(-1\right)\times17!\left(\text{mod}\,19\right)이다. 따라서 17!≡1(mod 19)17!\equiv1\left(\text{mod}\,19\right)이다.

4. 관련 문서[편집]

[1] 최대공약수 문서 참조.