Uma solução explícita para $a^2+b^2=p$

Oct 03 2020

$\def \op {\operatorname*} \def \C#1#2 {\begin{pmatrix} #1\\#2 \end{pmatrix}}$ Peguei a seguinte teoria na internet e procuro uma prova:

Deixei $p=4k+1 (k \in \Bbb{Z}^+)$ser um dado primo. Assuma isso$$2^{-1} \C{2k}{k} \equiv a \pmod{p},\quad -2k \le a \le 2k$$ então $\sqrt{p-a^2}$é um número inteiro. ($2^{-1}$ É visto como $\frac{p+1}{2}$, o inverso de $2$ dentro $\Bbb{Z}_p$)

Eu verifiquei a declaração de todos $p<50000$por programação. A questão é que embora$a,b$parecem ter o mesmo status, este cálculo só pode descobrir um dos dois números. Além disso, o cálculo não garante que$a^2 \lt p$mas todos os resultados atendem a essa condição, então suspeito que o número combinatório seja uma aproximação de alguma função transcendental. Também espero estudar mais se alguém souber o que está por trás do método.

Bônus : um resultado semelhante é dado quando$p=6k+1 (k \in \Bbb{Z}^+)$é um primo. Deixei$$2^{-1} \C{3k}{k} \equiv a \pmod{p},\quad -3k \le a \le 3k$$ então $\sqrt{\frac{p-a^2}{3}}$é um número inteiro. Eu acho que eles deveriam derivar da mesma parte em algum lugar na teoria dos números.

Respostas

3 metamorphy Oct 13 2020 at 19:22

Conforme observado nos comentários, isso pode ser demonstrado usando as somas de Jacobi. Deixei$\newcommand{\ffield}{\mathbb{F}_p}\ffield:=\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}$; nós computamos\begin{align*} A_p&:=\#\{(x,y)\in\ffield^2:x^4+y^2=1\}&(p&=4k+1) \\ B_p&:=\#\{(x,y)\in\ffield^2:x^3+y^2=1\}&(p&=6k+1) \end{align*}de duas maneiras diferentes. Primeiro, para$a\in\ffield$ temos $\#\{y\in\ffield:y^2=a\}=1+\chi_2(a)$, Onde $$\chi_2(a):=\Big(\frac{a}{p}\Big)\equiv a^{(p-1)/2}\pmod{p}$$é o símbolo de Legendre . Então,$A_p=\sum_{x\in\ffield}\big(1+\chi_2(1-x^4)\big)=p+\sum_{x\in\ffield}\chi_2(1-x^4)$, mas $$\sum_{x\in\ffield}(1-x^4)^{2k}=\sum_{j=0}^{2k}\binom{2k}{j}(-1)^j\sum_{x\in\ffield}x^{4j}=(-1)^{k+1}\binom{2k}{k}-1$$ Porque $\sum_{x\in\ffield}x^n=0$ E se $n$não é um múltiplo diferente de zero de$p-1[=4k]$ (caso contrário, a soma é $-1$; nós presumimos$0^0=1$ em todos os lugares), de modo que apenas os termos com $j=k$ e $j=2k$da soma externa "sobreviver". Portanto,$A_p\equiv(-1)^{k+1}\binom{2k}{k}-1\pmod{p}$. Da mesma forma, para$B_p$ obtemos uma soma com o único termo diferente de zero em $j=2k$, terminando em $B_p\equiv-\binom{3k}{2k}=-\binom{3k}{k}\pmod{p}$.

Em segundo lugar, o Jacobi faz as contas . Aqui lembramos que, por$a\in\ffield$ e $d\mid p-1$, temos $$\#\{x\in\ffield:x^d=a\}=\sum_{\chi^d=1}\chi(a),$$ com $\chi$ atropelando o módulo de personagens $p$ cuja ordem divide $d$ (isso generaliza o caso $d=2$usado acima). Então, para$p=4k+1$ e $\chi$ um módulo de personagem $p$ de ordem $4$ (portanto $\chi^2=\chi_2$), $$A_p=\sum_{\substack{a,b\in\ffield\\a+b=1}}\#\{x:x^4=a\}\cdot\#\{y:y^2=b\}=\sum_{\substack{0\leqslant r\leqslant 3\\0\leqslant s\leqslant 1}}J(\chi^r,\chi_2^s).$$

Calculando termos diferentes de zero usando as propriedades de somas de Jacobi, temos $$A_p=p+J(\chi,\chi_2)+J(\chi_2,\chi_2)+J(\chi^3,\chi_2)=p-1+2\Re J(\chi,\chi_2)$$ Desde a $J(\chi_2,\chi_2)=-\chi_2(-1)=-1$ e $\chi^3=\bar\chi\implies J(\chi^3,\chi_2)=\overline{J(\chi,\chi_2)}$.

Mas $J(\chi,\chi_2)\in\mathbb{Z}[i]$ (Porque $\chi$ assume valores a partir daí) e $|J(\chi,\chi_2)|=p^{1/2}$(conhecido, segue da propriedade análoga da soma de Gauss ). Ou seja, existem inteiros$a_p,b_p$ de tal modo que $J(\chi,\chi_2)=a_p+b_p i$ e $a_p^2+b_p^2=p$; o acima dá$A_p=p-1+2a_p$. Combinado com a expressão "binomial" obtida anteriormente, e observando que$|a_p|=|a|$ para o "$a$"na questão, terminamos.

Da mesma forma, para $p=6k+1$ e $\chi$ um módulo de personagem $p$ de ordem $3$, Nós temos $$B_p=p+J(\chi,\chi_2)+J(\chi^2,\chi_2)=p+2\Re J(\chi,\chi_2),$$ e desta vez $J(\chi,\chi_2)\in\mathbb{Z}[\omega]$ com $\omega=e^{2\pi i/3}$. Então, para alguns inteiros$a_p,b_p$, $$J(\chi,\chi_2)=a_p+b_p\omega,\qquad B_p=p+2a_p-b_p,\\4p=4|J(\chi,\chi_2)|^2=4(a_p^2-a_p b_p+b_p^2)=(2a_p-b_p)^2+3b_p^2,$$e obtemos o pedido de bônus (fixme: exclui a possibilidade de meio-inteiro ...).