Докажите, что для любого простого p верно следующее утверждение: для любого натурального m существует такое натуральное a, что a в степени a по модулю p равно m.

Математика 9 класс Остатки и делимость доказательство простые числа натуральные числа степень по модулю теорема о простых числах Новый

Давайте рассмотрим утверждение, которое нам нужно доказать: для любого простого числа p и любого натурального числа m существует такое натуральное число a, что a в степени a по модулю p равно m.

Для начала, определим, что значит "a в степени a по модулю p". Это означает, что мы берем число a, возводим его в степень a и затем находим остаток от деления на p. Мы должны показать, что для любого натурального m существует такое a, что:

a^a ≡ m (mod p)

Теперь рассмотрим следующие шаги:

1. Количество возможных значений a^a по модулю p:

   Поскольку p - простое число, возможные значения a по модулю p могут принимать значения от 1 до p-1. Таким образом, a может принимать p-1 различных значений.

2. Рассмотрим функцию f(a) = a^a (mod p):

   Для каждого a от 1 до p-1 мы можем вычислить f(a). Поскольку a^a - это функция, которая зависит от a, и она принимает значения в конечном множестве (от 0 до p-1), мы можем ожидать, что некоторые значения будут повторяться.

3. Применим принцип Дирихле:

   Принцип Дирихле утверждает, что если у нас есть n объектов (в нашем случае значения a^a) и m ящиков (в нашем случае возможные остатки по модулю p), то если n > m, то хотя бы один ящик должен содержать более одного объекта. Здесь n = p-1, а m = p. Таким образом, для p-1 значений a мы можем получить p различных остатков.

4. Заключение:

   Поскольку у нас есть p-1 значений a, а возможные остатки по модулю p - от 0 до p-1, то по принципу Дирихле, будет по крайней мере одно значение a, для которого a^a ≡ m (mod p) для любого m от 0 до p-1.

Таким образом, мы доказали, что для любого простого p и любого натурального m существует такое натуральное число a, что a^a по модулю p равно m. Это завершает наше доказательство.