합동식

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1. 개요2. 성질3. 일차합동식
3.1. 일차합동식의 정의3.2. 일차합동식의 해법
4. 예제
4.1. 예제 14.2. 예제 24.3. 예제 34.4. 예제 4
5. 관련 문서

1. 개요[편집]

漢: 合同式 / En: Congruence

정수 a,b,ma,b,m에 대하여, [math(mmidleft(a-bright))]일 때[1], aa는 법 mm에 대하여 bb와 합동이다[2](aa is congruent to bb modulo mm)라고 한다. 이때, 기호로는 a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)라고 쓴다. mm를 합동의 법(modular)이라고 한다. 간단히 말해서, "aa를 mm으로 나눈 나머지는 bb"라는 문장을 수식으로 표현한 것. [3][4]

일반적으로 나머지는 나누는 수보다 작지만, 합동식에서는 bb값에 제한이 없다는 차이점은 존재한다. 다시 말해 a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)에서 b에 들어갈 수 있는 수 자체는 많이 있고, 그중에 가장 작은 양의 정수가 초등학교 때 배운 '나머지'이다.

나머지라는 개념 자체가 초등학교 시절 분수 전에 배우던 것이어서 보통 마치 가르치기 어려운 개념을 회피하기 위해 만들어진 것 같아 보인다. 그러나 천만의 말씀. 나머지는 수학에서 가장 신비로운 개념 중 하나로, 덧셈이나 곱셈에만 적용되는 줄 알았던 연산개념이 신기하게도 나머지에서 완전 같은 방법으로 적용된다는 점을 깨닫게 되면 정수론에 대한 관심이 꽃피게 되는 일이 많다.

대학교의 정수론 수업이나 특정 수학 과목의 정수론 파트를 듣지 않는 한 배울 일이 없지만, KMO를 비롯한 수학 경시대회를 준비한다면 반드시 알아놔야 할 것 중 하나. 2차 잉여까지는 알 필요 없지만 아래 기본적인 성질은 모두 숙지하는 것이 좋다. 사실 경시대회 준비가 아니더라도 고등학교 때 이항정리 문제 중 합동식을 쓰면 편한 문제가 나오므로 알아놔서 절대 나쁠 건 없다.

2. 성질[편집]

  1. (반사성) a≡a(mod m)a\equiv a\left(\text{mod}\,m\right)이다.
    증명
    a−a=0a-a=0이고, m⋅0=0m\cdot0=0이므로 m∣0m\mid0이다. 따라서, a≡a(mod m)a\equiv a\left(\text{mod}\,m\right)이다.
2. (대칭성) a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 b≡a(mod m)b\equiv a\left(\text{mod}\,m\right)이다. (교환법칙)
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이다. 또, m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이므로 m∣(b−a)m\mid\left(b-a\right)이다. 따라서, b≡a(mod m)b\equiv a\left(\text{mod}\,m\right)이다.
3. (추이성) a≡b(mod m),b≡c(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right), b\equiv c\left(\text{mod}\,m\right)이면 a≡c(mod m)a\equiv c\left(\text{mod}\,m\right)이다.
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이고, b≡c(mod m)b\equiv c\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(b−c)m\mid\left(b-c\right)이다. 그러므로 m∣(a−b)+(b−c)m\mid{\left(a-b\right)+\left(b-c\right)}이다. 즉, m∣(a−c)m\mid\left(a-c\right)이다. 따라서, a≡c(mod m)a\equiv c\left(\text{mod}\,m\right)이다.
4. a≡b(mod m),c≡d(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right), c\equiv d\left(\text{mod}\,m\right)이면, a±c≡b±d(mod m)a\pm c\equiv b\pm d\left(\text{mod}\,m\right)이다. (복부호동순)
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이고, c≡d(mod m)c\equiv d\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(c−d)m\mid\left(c-d\right)이다. 그러므로 m∣(a−b)±(c−d)m\mid{\left(a-b\right)\pm\left(c-d\right)}이다. 즉, m∣(a±c)−(b±d)m\mid{\left(a\pm c\right)-\left(b\pm d\right)}이다. 따라서, a±c≡b±d(mod m)a\pm c\equiv b\pm d\left(\text{mod}\,m\right)이다.
5. a≡b(mod m),c≡d(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right), c\equiv d\left(\text{mod}\,m\right)이면, ac≡bd(mod m)ac\equiv bd\left(\text{mod}\,m\right)이다.
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이고, c≡d(mod m)c\equiv d\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(c−d)m\mid\left(c-d\right)이다. 그러므로 m∣(a−b)c+(c−d)bm\mid{\left(a-b\right)c+\left(c-d\right)b}이다. 즉, m∣(ac−bd)m\mid\left(ac-bd\right)이다. 따라서, ac≡bd(mod m)ac\equiv bd\left(\text{mod}\,m\right)이다.
6. a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면, ak≡bk(mod m)a^k\equiv b^k\left(\text{mod}\,m\right)이다.
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이다. 또, k≥2k\geq2일 때, ak−bk=(a−b)(ak−1+ak−2b+⋯+abk−2+bk−1)a^k-b^k =\left(a-b\right)\left(a^{k-1} + a^{k-2}b+\cdots +ab^{k-2}+b^{k-1}\right)이므로, m∣(ak−bk)m\mid\left(a^k-b^k\right)이다. 따라서, ak≡bk(mod m)a^k\equiv b^k\left(\text{mod}\,m\right)이다.[5][6]
7. ab≡ac(mod m)ab\equiv ac\left(\text{mod}\,m\right)이고, d=gcd⁡(a,m)d=\gcd\left(a,m\right)이면, b≡c(mod md)b\equiv c\left(\text{mod}\,\frac{m}{d}\right)이다.
증명
ab≡ac(mod m)ab\equiv ac\left(\text{mod}\,m\right)이면, m∣a(b−c)m\mid a\left(b-c\right)이다. d=gcd⁡(a,m)d=\gcd\left(a,m\right)이므로, a=dx1,m=dx2a=dx_1,m=dx_2를 만족하는 정수 x1,x2x_1,x_2가 존재한다. 또한, dx2∣dx1(b−c)dx_2\mid dx_1\left(b-c\right)이다. 또, x1x_1과 x2x_2가 서로소이므로 x2∣(b−c)x_2\mid\left(b-c\right)이다. 그런데, x2=mdx_2=\frac{m}{d}이므로, md∣(b−c)\frac{m}{d}\mid\left(b-c\right)이다. 따라서, b≡c(mod md)b\equiv c\left(\text{mod}\,\frac{m}{d}\right)이다.
8. a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이고, nn이 mm의 약수이면, a≡b(mod n)a\equiv b\left(\text{mod}\,n\right)이다.
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이다. 또 n∣mn\mid m이면, n∣(a−b)n\mid\left(a-b\right)이다. 따라서, a≡b(mod n)a\equiv b\left(\text{mod}\,n\right)이다.
9. a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이고, d>0d>0이 a,b,ma,b,m의 공약수이면, ad≡bd(mod md)\frac{a}{d}\equiv\frac{b}{d}\left(\text{mod}\,\frac{m}{d}\right)이다.
증명
a≡b(mod m)a\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)이면 m∣(a−b)m\mid\left(a-b\right)이다. 또, dd가 a,b,ma,b,m의 공약수이므로 a=dx1,b=dx2,m=dx3a=dx_1,b=dx_2,m=dx_3를 만족하는 정수 x1,x2,x3x_1,x_2,x_3가 존재한다. 또한, dx3∣d(x1−x2)dx_3\mid d\left(x_1-x_2\right)이다. 그러므로, x3∣(x1−x2)x_3\mid\left(x_1-x_2\right)이다. 그런데, x1=ad,x2=bd,x3=mdx_1=\frac{a}{d},x_2=\frac{b}{d},x_3=\frac{m}{d}이므로, md∣(ad−bd)\frac{m}{d}\mid\left(\frac{a}{d}-\frac{b}{d}\right)이다. 따라서, ad≡bd(mod md)\frac{a}{d}\equiv\frac{b}{d}\left(\text{mod}\,\frac{m}{d}\right)이다.

3. 일차합동식[편집]

3.1. 일차합동식의 정의[편집]

일차합동식이란, 일차방정식과 비슷하게 미지수의 차수가 1인 합동식을 의미한다. 수식으로 간단하게 표현하면 ax≡b(mod m)ax\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)인 형태인 모든 합동식이 일차합동식이다. 일차방정식에 해가 존재할 조건이 있듯이, 일차합동식에도 해가 존재할 조건이 있다. d=gcd⁡(a,m)d=\gcd\left(a,m\right)[7]라 했을 때, d∤bd\nmid b이면[8] 합동식은 정수해를 갖지 않고, d∣bd\mid b[9]이면 법 mm에 대해 정확히 dd개의 서로 다른 해를 갖게된다. 해의 존재성에 대한 증명은 다음과 같다.
1. d∤bd\nmid b인데 해가 존재한다고 가정하자. 그럼 적당한 정수 yy에 대하여 ax+my=bax+my=b가 성립한다. 그런데 d∣ax+my=bd\mid ax+my=b이므로 d∣bd\mid b이다. 이는 가정에 모순되므로 주어진 합동식의 해는 존재하지 않는다.
  1. ax+my=bax+my=b의 한 해를 x0,y0x_0,y_0라 하면, 일반해는 xk=x0+mkd,yk=y0−akdx_k=x_0+\frac{mk}{d},y_k=y_0-\frac{ak}{d}의 꼴이다 (단 kk는 임의의 정수).[10] 여기서 xkx_k가 합동식 ax≡b(mod m)ax\equiv b\left(\text{mod}\,m\right)을 만족시키는 모든 해이다. 나눗셈 정리에 의해 k=qd+r, (0≤r<d)k=qd+r,\,\left(0\leq r<d\right)이고, 이를 xkx_k에 대입하면, xk≡x0+m(qd+r)d≡x0+mrd≡xr(mod m)x_k\equiv x_0+\frac{m\left(qd+r\right)}{d}\equiv x_0+\frac{mr}{d}\equiv x_r\left(\text{mod}\,m\right)이다. 이것은 곧 모든 xkx_k가 x0,x1,⋯ ,xd−1x_0,x_1,\cdots,x_{d-1} 중 하나와 법 mm에 대해 합동임을 의미한다. 이제 xi≡xj(mod m)x_i\equiv x_j\left(\text{mod}\,m\right), (0≤i,j≤d−10\leq i,j\leq d-1)라 가정하면, imd≡jmd(mod m)\frac{im}{d}\equiv\frac{jm}{d}\left(\text{mod}\,m\right)이다. 그런데 gcd⁡(md,m)=md\gcd\left(\frac{m}{d},m\right)=\frac{m}{d}이므로 위 성질 7번에 의해 i≡j(mod d)i\equiv j\left(\text{mod}\,d\right)이다. 이는 곧 x0,x1,⋯ ,xd−1x_0,x_1,\cdots,x_{d-1}가 법 mm에 대해 서로 합동이 아님을 의미한다.

3.2. 일차합동식의 해법[편집]

크게 디오판토스 방정식, 유클리드 호제법, 잉여역수를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 여기서는 다음 예제의 해법을 소개한다.
일차합동식 3x≡7(mod 4)3x\equiv7\left(\text{mod}\,4\right)의 해를 구하시오.

3.2.1. 디오판토스 방정식 이용[편집]

적당한 정수 yy에 대하여 3x+4y=73x+4y=7이다. 여기서 x0=1,y0=1x_0=1,y_0=1은 한 해(특이해)임을 쉽게 알 수 있다. gcd⁡(3,4)=1\gcd\left(3,4\right)=1이므로 일반해는 x=1+4t,y=1−3tx=1+4t,\quad y=1-3t이다. 우리가 구하는 것은 xx와 관련된 것이므로 x≡1(mod 4)x\equiv1\left(\text{mod}\,4\right)가 해이다.

3.2.2. 유클리드 호제법 이용[편집]

gcd⁡(3,4)=1\gcd\left(3,4\right)=1이므로, 적당한 정수 a,ba,b에 대해 3a+4b=13a+4b=1이다.[11] 실제로, (−1)⋅3+1⋅4=1\left(-1\right)\cdot3+1\cdot4=1이다. 이 사실은 우리에게 1⋅x1\cdot x를 얻기 위하여 xx의 계수를 바꿀 수 있음을 암시한다. 즉, 아래와 같이 된다.
4x≡0(mod 4)⋯(1)4x\equiv0\left(\text{mod}\,4\right)\quad\cdots\left(1\right)
3x≡7(mod 4)⋯(2)3x\equiv7\left(\text{mod}\,4\right)\quad\cdots\left(2\right)

그리고, (1) 식에서 (2)식을 빼면, x ≡ -7 (mod 4) 가 된다. -7 + 2*4 = 1 이므로 -7 ≡ 1 (mod 4) 이기에, 위 식을 x ≡ 1 (mod 4) 로 써도 된다.

그래서 답은 x≡1(mod 4)x\equiv1\left(\text{mod}\,4\right)이다.

3.2.3. 잉여역수 이용[편집]

법 4에 대한 곱셈표는 아래와 같다.[12]
×
0
1
2
3
0
0
0
0
0
1
0
1
2
3
2
0
2
0
2
3
0
3
2
1
위 표에서 보듯이 3⋅3≡1(mod 4)3\cdot3\equiv1\left(\text{mod}\,4\right)이다.

원래 식 3x≡7(mod 4)3x\equiv7\left(\text{mod}\,4\right) 의 양변에 3을 곱하면 3⋅3x≡3⋅7(mod 4)3 \cdot 3x\equiv 3 \cdot 7\left(\text{mod}\,4\right) 이 되는데, 3⋅3≡1(mod 4)3\cdot3\equiv1\left(\text{mod}\,4\right)이고, 21≡1(mod 4) 21\equiv1\left(\text{mod}\,4\right) 이므로 이를 정리하면

x≡1(mod 4)x\equiv 1\left(\text{mod}\,4\right) 이 나온다.

4. 예제[편집]

합동식을 다룰줄 안다면 여러 경이로운 문제들의 답을 생각보다 쉽게 찾을 수 있다. 연습해보자!

4.1. 예제 1[편집]

72427^{242}의 10과 1의 자리수를 합동식을 이용하여 구하시오.

[힌트]
747^4

[풀이]
74=2401≡1 (mod 100)→(74)60≡160 (mod 100)→7240≡1 (mod 100)7^4 = 2401 \equiv 1 \, (\text{mod} \, 100) \rightarrow (7^4)^{60} \equiv 1^{60} \,(\text{mod} \, 100) \rightarrow 7^{240} \equiv 1 \, (\text{mod} \, 100)
7242=7240×727^{242} = 7^{240} \times 7^2이니, 7242≡72 (mod 100)7^{242} \equiv 7^2 \, (\text{mod} \, 100).
그러므로 답은 4949이다.

4.2. 예제 2[편집]

777777^{7^{777}}의 1의 자리수를 합동식을 이용하여 구하시오.

[풀이]
7≡−1 (mod 4) → 7777≡(−1)777 (mod 4)→7777≡−1 (mod 4)7 \equiv -1 \, (\text{mod} \, 4) \, \rightarrow \, 7^{777} \equiv (-1)^{777} \, (\text{mod} \, 4) \rightarrow 7^{777} \equiv -1 \,(\text{mod} \, 4).
그렇다면, 77777=74n+(4−1)=74n+37^{7^{777}}=7^{4n+(4-1)}=7^{4n+3}을 만족하는 자연수 nn이 존재한다.
74≡1 (mod 10)7^4 \equiv 1 \, (\text{mod} \, 10)이므로 74n≡1 (mod 10)7^{4n} \equiv 1 \, (\text{mod} \, 10)다. 따라서 74n+3≡73≡3 (mod 10)7^{4n+3} \equiv 7^3 \equiv 3 \, (\text{mod} \, 10)이다.
답은 33이다.

4.3. 예제 3[편집]

12+22+... \displaystyle 1^2 + 2^2 + ... 982+992 98^2 + 99^2 의 1의 자리수를 합동식을 이용하여 구하시오.

[풀이]
12+22+... \displaystyle 1^2 + 2^2 + ... 982+992≡n (mod 10) 98^2 + 99^2 \equiv n\, (\text{mod} \, 10)이라 하자.
12≡112≡ ... ≡912 (mod 10) 1^2 \equiv 11^2 \equiv \, ... \, \equiv 91^2 \,(\text{mod}\,10)이며, 22≡122≡ ... ≡922 (mod 10) 2^2 \equiv 12^2 \equiv \, ... \, \equiv 92^2 \,(\text{mod}\,10)등등 이니까
12+22+... 92≡112+122+... 192≡...≡912+922+... 992≡n10 (mod 10)1^2+2^2+...\,9^2\equiv 11^2+12^2+...\,19^2\equiv...\equiv 91^2+92^2+...\,99^2\equiv \frac{n}{10}\,(\text{mod}\,10)다.
따라서 nn은 1010의 배수가 되는것이니, 답은 00이다.

4.4. 예제 4[편집]

합동식 a≡b (mod m)a \equiv b \, (\text{mod} \, m)에 대하여 aa와 mm이 서로소일 때, bb와 mm이 서로소임을 보이시오.

[풀이]
먼저 bb와 mm이 서로소가 아니라고 가정해보자. 그렇다면 a≡cd (mod cn)a \equiv cd \, (\text{mod} \, cn)이 성립한다 (단, c>1c > 1). 그렇다면 cn ∣ (a−cd) →cn ∣ c(ac−d) → n ∣ (ac−d)cn\,|\,(a - cd) \, \rightarrow cn\,|\,c(\frac{a}{c}-d) \, \rightarrow \, n \, | \, (\frac{a}{c}-d) 다. 이게 성립하려면 aa는 cc의 배수여야하니, aa와 mm도 서로소가 아니다.
여기까지 우리가 증명한 건 "bb와 mm이 서로소가 아니라면, aa와 mm도 서로소가 아니다"인데, 이건 예제에 나오는 명제의 대우다. 따라서 예제의 명제 "aa와 mm이 서로소라면, bb와 mm역시 서로소다"도 참이다.

5. 관련 문서[편집]

[1] a−ba-b가 mm으로 나누어 떨어질 때(mm divides a−ba-b). 즉, 적당한 정수 kk에 대하여 a−b=kma-b=km[2] 기하학의 합동과는 다르다.[3] 0≤b<m0 \leq b < m일 때에[4] 혹은 a−b=nma-b=nm, nn은 자연수.[5] k=1k=1일 때에는 자명하다.[6] 사실 5의 증명을 반복 적용하면 된다.[7] d가 a와 m의 최대공약수[8] d가 b로 나누어 떨어지지 않으면[9] d가 b로 나누어 떨어지면[10] 디오판토스 방정식 참조[11] 최대공약수 참조[12] 직접 구해야 한다.