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February25 ,2021 WILSON’STHEOREM&THECHINESEREMAINDERTHEOREM ConceptsinAbstractMathematics

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

WILSON’S THEOREM & THE CHINESE REMAINDER THEOREM

(2)

Wilson’s theorem – 1

Lemma

Let𝑝be a prime number. Then

∀𝑎 ∈ ℤ, 𝑎2≡ 1 (mod𝑝) ⟹ (𝑎 ≡ −1 (mod𝑝)or𝑎 ≡ 1 (mod𝑝)) Proof.

Let𝑝be a prime number and𝑎 ∈ ℤsatisfying𝑎2≡ 1 (mod𝑝).

Then𝑝|𝑎2− 1 = (𝑎 − 1)(𝑎 + 1).

By Euclid’s lemma, either𝑝|𝑎 − 1or𝑝|𝑎 + 1, i.e. 𝑎 ≡ 1 (mod𝑝)or𝑎 ≡ −1 (mod𝑝).

Jean-Baptiste Campesato MAT246H1-S – LEC0201/9201 – Feb 25, 2021 2 / 5

(3)

Wilson’s theorem

Let𝑛 ∈ ℕ ⧵ {0, 1}. Then𝑛is prime if and only if(𝑛 − 1)! ≡ −1 (mod𝑛).

Proof.Let𝑛 ∈ ℕ ⧵ {0, 1}.

Assume that𝑛is a composite number.

Then there exists𝑘 ∈ ℕsuch that𝑘|𝑛and1 < 𝑘 < 𝑛.

Assume by contradiction that(𝑛 − 1)! ≡ −1 (mod𝑛)then𝑛|(𝑛 − 1)! + 1and hence𝑘|(𝑛 − 1)! + 1.

But𝑘|(𝑛 − 1)!, thus𝑘|((𝑛 − 1)! + 1 − (𝑛 − 1)!), i.e.𝑘|1. So𝑘 = 1which leads to a contradiction.

Assume that𝑛is prime.

Let𝑎 ∈ {1, 2, … , 𝑛 − 1}thengcd(𝑎, 𝑛) = 1.

Hence𝑎admits a multiplicative inverse modulo𝑛:

∃𝑏 ∈ {1, 2, … , 𝑛 − 1}such that𝑎𝑏 ≡ 1 (mod𝑛).

Note that this𝑏is unique.

By the above lemma,𝑎 = 1and𝑎 = 𝑛 − 1are the only𝑎as above being their self-multiplicative inverse:

otherwise𝑏 ≠ 𝑎.

Thus(𝑛 − 1)! = 1 × 2 × ⋯ × (𝑛 − 1) ≡ 1 × (𝑛 − 1) (mod𝑛) ≡ −1 (mod𝑛).

(4)

Wilson’s theorem – 3

Wilson’s theorem

Let𝑛 ∈ ℕ ⧵ {0, 1}. Then𝑛is prime if and only if(𝑛 − 1)! ≡ −1 (mod𝑛).

Examples

• Take𝑝 = 17then(17 − 1)! + 1 = 20922789888001 = 17 × 1230752346353.

• Take𝑝 = 15then(15 − 1)! + 1 = 87178291201 = 15 × 5811886080 + 1.

Remark

Wilson’s theorem is a very inefficient way to check whether a number is prime or not.

Jean-Baptiste Campesato MAT246H1-S – LEC0201/9201 – Feb 25, 2021 4 / 5

(5)

The Chinese remainder theorem

Let𝑛1, 𝑛2∈ ℕ ⧵ {0, 1}be such thatgcd(𝑛1, 𝑛2) = 1and let𝑎1, 𝑎2∈ ℤ.

Then there exists𝑥 ∈ ℤsatisfying {

𝑥 ≡ 𝑎1(mod𝑛1) 𝑥 ≡ 𝑎2(mod𝑛2)

Besides, if𝑥1, 𝑥2∈ ℤare two solutions of the above system then𝑥1≡ 𝑥2(mod𝑛1𝑛2).

Proof.

Existence. By Bézout’s identity, there exist𝑚1, 𝑚2∈ ℤsuch that𝑛1𝑚1+ 𝑛2𝑚2= 1.

Note that𝑛1𝑚1≡ 0 (mod𝑛1)and that𝑛1𝑚1≡ 𝑛1𝑚1+ 𝑛2𝑚2(mod𝑛2) ≡ 1 (mod𝑛2).

Similarly𝑛2𝑚2≡ 0 (mod𝑛2)and𝑛2𝑚2≡ 1 (mod𝑛1).

Thus, if we set𝑥 = 𝑎2𝑛1𝑚1+ 𝑎1𝑛2𝑚2then

• 𝑥 ≡ 𝑎2× 0 + 𝑎1× 1 (mod𝑛1) ≡ 𝑎1(mod𝑛1),

• 𝑥 ≡ 𝑎2× 1 + 𝑎1× 0 (mod𝑛2) ≡ 𝑎2(mod𝑛2).

Uniqueness modulo𝑛1𝑛2.Let𝑥1, 𝑥2∈ ℤbe two solutions.

Then𝑥1− 𝑥2≡ 0 (mod𝑛1)so𝑥1− 𝑥2= 𝑘𝑛1for some𝑘 ∈ ℤ.

Similarly𝑛2|𝑥1− 𝑥2= 𝑘𝑛1.

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