「原根」与「阶」

定义:
p>1,gcd(a,p)==1,那么使得a^r≡1\ (mod\ \ \ p)成立的最小正整数r就称为ap的阶.记作ord_p(a)

并且ord_p(a)总是可以整除φ(p)φ(p)ord_p(a)

\because a^{φ(p)}≡1\ (mod\ \ \ p)且a^{ord_p(a)}≡1\ (mod\ \ \ p)

设φ(p)=k*ord_p(a)+w \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ w\in[0,ord_p(a)\ )

\therefore 1≡a^{φ(p)}≡(a^{ord_p(a)})^k*a^w≡1^k*a^w≡a^w\ (mod\ \ \ p)
由定义,ord_p(a)是满足a^r≡1\ (mod\ \ \ p)的最小正指数,而w<ord_p(a),故有w==0因此φ(p)=k*ord_p(a)
\therefore ord_p(a)整除φ(p)

原根

定义:
一个数a是一个p是原根,则a^i(\ mod\ \ p)的结果两两不相同,其中,i∈[1,φ(p)],a∈[1,φ(p)]。
如果 ap 是互质的整数且 p>0,那么当 a\%p的阶ord_p(a)=φ(p)时,称 a 为模 p 的原根。
就是在多个a都可以满足a^{φ(p)}≡1\ (mod\ \ \ p)其中{φ(p)}是使得ap等于1的最小正整数就称
eg: p=5,φ(5)=4
1^4\%5=1;2^4\%5=1;3^4\%5=1;4^4\%5=1
但是其中只有23是模5的原根.

\because 满足1^r\%5=1的最小正整数是1,
满足4^r\%5=1的最小正整数是2,满足a^r≡1\ (mod\ \ \ p)的最小正整数不是φ(p)

\therefore 1和4不是模5的原根

质数p原根求法:
给出一个质数p,φ(p)=p-1
φ(p)通过唯一分解定理可以得到:φ(p)=P_1^{k_1}*P_2^{k_2}*...*P_n^{k_n}其中(P_1,P_2,..,P_n)都是质数
然后枚举a,若a^{\frac{φ(p)}{p_i}}\neq 1(mod\ \ \ p) \ \ \ i \in(1,2,...,n)
a是模p的一个原根

原根性质:

  1. 所有的质数m都可以找到原根,且个数是φ(m-1)
  2. 不是所有的整数都有原根
  3. 若模m可以找到原根,那么m一定可以表示成\{2,4,p^n,2·p^n\}这些形式的一种,其中p是奇质数
  4. 若模m可以找到原根,那么它能找到原根的个数一定是φ(φ(m))
  5. m的最小原根大小是O_{m_{0.25}}的。所以有些东西你枚举就够了

51nod-1135 求最小原根

#include<bits/stdc++.h>
#define ll long long
using namespace std;
const int M=1e5+10;
int p[M],cnt;
void ol(ll n)//将φ(m)唯一定理分解
{
    for(int i=2;i*i<=n;i++)
    {
        if(n%i==0)
        {
            p[cnt++]=i;
        }
        while(n%i==0)
        {
            n/=i;
        }
    }
    if(n>1)
    {
        p[cnt++]=n;
    }
    return ;
}
ll qpow(ll a,ll n,ll mod)
{
    ll ans=1;
    ll base=a;
    while(n)
    {
        if(n&1)
        {
            ans=ans*base%mod;
        }
        base=base*base%mod;
        n>>=1;
    }
    return ans%mod;
}
ll query(ll n)
{
    if(n==2||n==4)
    {
        return n-1;
    }
    cnt=0,ol(n-1);
    for(int i=2;i<n;i++)//从小到大遍历a
    {
        int flag=1;
        for(int j=0;j<cnt;j++)
        {
            if(qpow(i,(n-1)/p[j],n)==1)//根据原根求法
            {
                flag=0;
                break;
            }
        }
        if(flag==1)//输出最小的原根
        {
            return i;
        }
    }
}
int main( )
{
    ll n;
    while(~scanf("%lld",&n))
    {
        printf("%lld\n",query(n));
    }
    return 0;
}
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