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Gauss's lemma (number theory)

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7663: 7142: 7658:{\displaystyle {\begin{aligned}(\gamma a_{1})(\gamma a_{2})\dots (\gamma a_{m})&\equiv {\zeta _{n}^{b(1)}a_{\pi (1)}}{\zeta _{n}^{b(2)}a_{\pi (2)}}\dots {\zeta _{n}^{b(m)}a_{\pi (m)}}&{\pmod {\mathfrak {p}}}\\&\equiv \zeta _{n}^{b(1)+b(2)+\dots +b(m)}a_{\pi (1)}a_{\pi (2)}\dots a_{\pi (m)}&{\pmod {\mathfrak {p}}}\\&\equiv \zeta _{n}^{b(1)+b(2)+\dots +b(m)}a_{1}a_{2}\dots a_{m}&{\pmod {\mathfrak {p}}},\end{aligned}}} 8755: 7125: 8715: 8735: 8725: 8745: 4108: 6882: 4613: 7863: 2470: 2265: 1172: 808: 3936: 7120:{\displaystyle {\begin{aligned}(\gamma a_{1})(\gamma a_{2})\dots (\gamma a_{m})&=\gamma ^{\frac {\mathrm {N} {\mathfrak {p}}-1}{n}}a_{1}a_{2}\dots a_{m}\\&\equiv \left({\frac {\gamma }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}a_{1}a_{2}\dots a_{m}{\pmod {\mathfrak {p}}},\end{aligned}}} 8065: 4481: 2089: 979: 6697: 4413: 3619: 3866: 3453: 6251: 7674: 2291: 2122: 633: 1330: 3279: 6129: 4281: 5642: 5503: 5202: 5876: 1013: 2480:
Generalizations of Gauss's lemma can be used to compute higher power residue symbols. In his second monograph on biquadratic reciprocity, Gauss used a fourth-power lemma to derive the formula for the biquadratic character of
4855: 2805: 6578: 6493: 6821: 662: 5006: 518: 4103:{\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {N} {\mathfrak {p}}&=|{\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}}|\\&=\left|({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }\right|+1\\&\equiv 1{\pmod {n}}.\end{aligned}}} 4669: 1395: 5352: 5261: 1602: 3922: 4608:{\displaystyle {\begin{aligned}\left({\frac {\alpha }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}&=\zeta _{n}^{s}\\&\equiv \alpha ^{\frac {\mathrm {N} {\mathfrak {p}}-1}{n}}{\pmod {\mathfrak {p}}}.\end{aligned}}} 7942: 5815: 2607: 402: 1650: 249: 1780: 7147: 6887: 4486: 4319: 3941: 3011: 1018: 3751: 2737: 2864: 1907: 5768: 5095: 154: 4209: 8208: 4932: 4179: 4709: 2643: 1515: 287: 2928: 1939: 838: 6589: 1839: 3102: 4333: 1473: 4472: 2566: 4142: 3495: 8280:
are as in the statement of the lemma. Gauss's lemma may then be viewed as a computation that explicitly identifies this homomorphism as being the quadratic residue character.
5976: 5707: 5049: 3705: 1720: 8098: 7912: 6730: 5900: 4743: 3771: 3652: 3487: 3126: 3035: 2958: 2894: 2691: 2667: 3678: 8253: 7858:{\displaystyle \left({\frac {\gamma }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}a_{1}a_{2}\dots a_{m}\equiv \zeta _{n}^{b(1)+b(2)+\dots +b(m)}a_{1}a_{2}\dots a_{m}{\pmod {\mathfrak {p}}},} 3297: 6146: 5385: 2465:{\displaystyle \left({\frac {2}{p}}\right)=(-1)^{(p^{2}-1)/8}={\begin{cases}+1{\text{ if }}p\equiv \pm 1{\pmod {8}}\\-1{\text{ if }}p\equiv \pm 3{\pmod {8}}\end{cases}}} 426:
In this form, the integers larger than 11/2 appear as negative numbers. It is also apparent that the absolute values of the residues are a permutation of the residues
2260:{\displaystyle \left({\frac {p}{q}}\right)=\operatorname {sgn} \prod _{i=1}^{\frac {q-1}{2}}\prod _{k=1}^{\frac {p-1}{2}}\left({\frac {k}{p}}-{\frac {i}{q}}\right).} 533: 1670: 1238: 3145: 6037: 4217: 5529: 5390: 5100: 1167:{\displaystyle {\begin{aligned}|ra|&\equiv |sa|&{\pmod {p}}\\ra&\equiv \pm sa&{\pmod {p}}\\r&\equiv \pm s&{\pmod {p}}\end{aligned}}} 5820: 8738: 4760: 2742: 6504: 6422: 8438: 3707:
but under the assumption, one of the factors on the right must be zero. Therefore, the assumption that two distinct roots are congruent is false.
803:{\displaystyle |x|={\begin{cases}x&{\mbox{if }}1\leq x\leq {\frac {p-1}{2}},\\p-x&{\mbox{if }}{\frac {p+1}{2}}\leq x\leq p-1.\end{cases}}} 6744: 4937: 449: 8339: 440: 4624: 1341: 5298: 5207: 1553: 8794: 8390: 8323: 3871: 20: 8382: 8060:{\displaystyle \left({\frac {\gamma }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}\equiv \zeta _{n}^{b(1)+b(2)+\dots +b(m)}{\pmod {\mathfrak {p}}},} 8779: 5779: 2571: 341: 38: 8469: 1607: 194: 1728: 4289: 2966: 8728: 8515: 3713: 2699: 2822: 1847: 8784: 8510: 8495: 8431: 5729: 5056: 91: 4184: 8151: 4866: 8789: 4147: 8528: 2084:{\displaystyle \left({\frac {a}{p}}\right)=\prod _{n=1}^{(p-1)/2}{\frac {\sin {(2\pi an/p)}}{\sin {(2\pi n/p)}}},} 8690: 8649: 4677: 2619: 1485: 974:{\displaystyle Z=(-1)^{n}\left(|a|\cdot |2a|\cdot |3a|\cdot \cdots \cdots \left|{\frac {p-1}{2}}a\right|\right).} 257: 6692:{\displaystyle \zeta _{n}^{s-r}\gamma a_{i}\equiv \zeta _{n}^{s}a_{p}\equiv \gamma a_{j}{\pmod {\mathfrak {p}}}} 8754: 8534: 2903: 8477: 4408:{\displaystyle \alpha ^{\frac {\mathrm {N} {\mathfrak {p}}-1}{n}}\equiv \zeta _{n}^{s}{\pmod {\mathfrak {p}}}} 1785: 8461: 8214: 3069: 2099: 1406: 8718: 8538: 8487: 8424: 3614:{\displaystyle n\equiv (1-\zeta _{n})(1-\zeta _{n}^{2})\dots (1-\zeta _{n}^{n-1}){\pmod {\mathfrak {p}}}.} 2528: 4443: 2537: 8695: 8624: 4116: 3861:{\displaystyle ({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }={\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}}-\{0\}.} 49: 8316:
Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithmeticae & other papers on number theory)
5954: 5685: 5027: 3683: 3448:{\displaystyle x^{n-1}+x^{n-2}+\dots +x+1=(x-\zeta _{n})(x-\zeta _{n}^{2})\dots (x-\zeta _{n}^{n-1}).} 1675: 8685: 8520: 8289: 8079: 7893: 6711: 6246:{\displaystyle \left({\frac {\gamma }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}=\zeta _{n}^{b(1)+b(2)+\dots +b(m)}.} 5881: 4724: 3633: 3468: 3107: 3016: 2939: 2875: 2672: 2648: 2518: 1479: 45: 37:. Although it is not useful computationally, it has theoretical significance, being involved in some 3657: 2370: 687: 8744: 8654: 8563: 8558: 8552: 8544: 8505: 8223: 2503: 2107: 1924: 1920:
Gauss's lemma is used in many, but by no means all, of the known proofs of quadratic reciprocity.
8700: 8644: 8548: 8465: 5357: 8758: 8614: 8386: 8319: 2499: 2495: 2113: 2103: 2095: 34: 8619: 8604: 2532: 1538: 628:{\displaystyle Z=a^{(p-1)/2}\left(1\cdot 2\cdot 3\cdot \cdots \cdot {\frac {p-1}{2}}\right)} 73: 2285:
It is also used in what are probably the simplest proofs of the "second supplementary law"
8748: 8633: 8609: 8524: 1325:{\displaystyle Z=(-1)^{n}\left(1\cdot 2\cdot 3\cdot \cdots \cdot {\frac {p-1}{2}}\right).} 290: 3274:{\displaystyle x^{n}-1=(x-1)(x-\zeta _{n})(x-\zeta _{n}^{2})\dots (x-\zeta _{n}^{n-1}),} 8670: 8589: 8473: 6342:
th-power lemma uses the same ideas that were used in the proof of the quadratic lemma.
6124:{\displaystyle \gamma a_{i}\equiv \zeta _{n}^{b(i)}a_{\pi (i)}{\pmod {\mathfrak {p}}},} 4276:{\displaystyle \alpha ^{\mathrm {N} {\mathfrak {p}}-1}\equiv 1{\pmod {\mathfrak {p}}},} 1655: 5637:{\displaystyle a_{2},a_{2}\zeta _{n},a_{2}\zeta _{n}^{2},\dots ,a_{2}\zeta _{n}^{n-1}} 5498:{\displaystyle a_{1},a_{1}\zeta _{n},a_{1}\zeta _{n}^{2},\dots ,a_{1}\zeta _{n}^{n-1}} 5197:{\displaystyle A\mu =\{a_{i}\zeta _{n}^{j}\;:\;1\leq i\leq m,\;\;\;0\leq j\leq n-1\},} 8773: 8629: 8481: 8447: 2817: 30: 8675: 8599: 8499: 5871:{\displaystyle \gamma \in {\mathcal {O}}_{k},\;\;n\gamma \not \in {\mathfrak {p}},} 2694: 2610: 8217:
to this collection of coset representatives, we obtain the transfer homomorphism
8133:
be the subgroup {+1, −1}. Consider the following coset representatives of
4850:{\displaystyle \mu _{n}=\{1,\zeta _{n},\zeta _{n}^{2},\dots ,\zeta _{n}^{n-1}\}} 2800:{\displaystyle \mathrm {N} {\mathfrak {p}}=|{\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}}|} 8680: 8639: 8491: 6573:{\displaystyle \gamma a_{j}\equiv \zeta _{n}^{s}a_{p}{\pmod {\mathfrak {p}}}.} 2614: 6488:{\displaystyle \gamma a_{i}\equiv \zeta _{n}^{r}a_{p}{\pmod {\mathfrak {p}}}} 1482:
the left hand side is just an alternative expression for the Legendre symbol
6256:
The classical lemma for the quadratic Legendre symbol is the special case
2498:. Subsequently, Eisenstein used third- and fourth-power versions to prove 1335:
Comparing with our first evaluation, we may cancel out the nonzero factor
19:
This article is about Gauss's lemma in number theory. For other uses, see
6816:{\displaystyle \zeta _{n}^{s-r}a_{i}\equiv a_{j}{\pmod {\mathfrak {p}}},} 5001:{\displaystyle ({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }/\mu _{n}.} 407:
This is indeed correct, because 7 is not a quadratic residue modulo 11.
8318:(in German), translated by H. Maser (2nd ed.), New York: Chelsea, 2897: 513:{\displaystyle Z=a\cdot 2a\cdot 3a\cdot \cdots \cdot {\frac {p-1}{2}}a} 329:
Three of these integers are larger than 11/2 (namely 6, 7 and 10), so
8579: 6876:
Then on the one hand, by the definition of the power residue symbol,
5273:, used in the original version of the lemma, are a 1/2 system (mod 4664:{\displaystyle \left({\frac {\alpha }{\mathfrak {p}}}\right)_{n}=1} 1390:{\displaystyle 1\cdot 2\cdot 3\cdot \cdots \cdot {\frac {p-1}{2}}} 8416: 2963:
This can be proved by contradiction, beginning by assuming that
8420: 5347:{\displaystyle ({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }.} 5256:{\displaystyle ({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }.} 2669:
is defined as the cardinality of the residue class ring. Since
2094:
and used this formula to prove quadratic reciprocity. By using
1597:{\displaystyle I\subset (\mathbb {Z} /p\mathbb {Z} )^{\times }} 3917:{\displaystyle ({\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}})^{\times }} 825:
which are in the latter range, and since for those multiples,
1224:
of them, so their values are a rearrangement of the integers
5833: 5796: 5749: 5308: 5217: 4947: 4690: 4450: 4160: 4123: 4020: 3971: 3881: 3820: 3781: 3720: 2842: 2769: 2706: 2588: 2544: 8070:
and the theorem follows from the fact that no two distinct
2458: 796: 8114:
be the multiplicative group of nonzero residue classes in
439:
A fairly simple proof, reminiscent of one of the simplest
8594: 8584: 5810:{\displaystyle {\mathfrak {p}}\subset {\mathcal {O}}_{k}} 2602:{\displaystyle {\mathfrak {p}}\subset {\mathcal {O}}_{k}} 397:{\displaystyle \left({\frac {7}{11}}\right)=(-1)^{3}=-1.} 8407:
Theoria residuorum biquadraticorum, Commentatio secunda
16:
Condition under which an integer is a quadratic residue
1645:{\displaystyle (\mathbb {Z} /p\mathbb {Z} )^{\times }} 751: 696: 181:
be the number of these residues that are greater than
8226: 8154: 8082: 7945: 7896: 7677: 7145: 6885: 6747: 6714: 6592: 6507: 6425: 6149: 6040: 5957: 5884: 5823: 5782: 5732: 5688: 5532: 5393: 5360: 5301: 5210: 5103: 5059: 5030: 4940: 4869: 4763: 4727: 4680: 4627: 4484: 4446: 4336: 4292: 4220: 4187: 4150: 4119: 3939: 3874: 3774: 3716: 3686: 3660: 3636: 3498: 3471: 3300: 3148: 3110: 3072: 3019: 2969: 2942: 2906: 2878: 2825: 2745: 2702: 2675: 2651: 2622: 2574: 2540: 2294: 2125: 1942: 1850: 1788: 1731: 1678: 1658: 1610: 1556: 1488: 1409: 1344: 1241: 1016: 841: 665: 536: 452: 344: 260: 244:{\displaystyle \left({\frac {a}{p}}\right)=(-1)^{n},} 197: 94: 7936:
can be cancelled from both sides of the congruence,
1775:{\displaystyle \left({\frac {a}{p}}\right)=(-1)^{t}} 8663: 8572: 8454: 4314:{\displaystyle \mathrm {N} {\mathfrak {p}}\equiv 1} 3006:{\displaystyle \zeta _{n}^{r}\equiv \zeta _{n}^{s}} 1216:are positive least residues. But there are exactly 8409:, vol. 7, Göttingen: Comment. Soc. regiae sci 8247: 8202: 8092: 8059: 7906: 7857: 7657: 7119: 6815: 6724: 6691: 6572: 6487: 6245: 6123: 5970: 5894: 5870: 5809: 5762: 5701: 5636: 5497: 5379: 5346: 5255: 5204:and this set constitutes a representative set for 5196: 5089: 5043: 5000: 4926: 4849: 4737: 4703: 4663: 4607: 4466: 4407: 4313: 4275: 4203: 4173: 4136: 4102: 3916: 3860: 3746:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}}} 3745: 3699: 3672: 3646: 3613: 3481: 3447: 3273: 3120: 3096: 3029: 3005: 2952: 2922: 2888: 2858: 2799: 2732:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{k}/{\mathfrak {p}}} 2731: 2685: 2661: 2637: 2601: 2560: 2464: 2259: 2083: 1901: 1833: 1774: 1714: 1664: 1644: 1596: 1509: 1467: 1389: 1324: 1166: 973: 802: 627: 527:in two different ways. On one hand it is equal to 512: 396: 281: 243: 148: 52:and he proved it again in his fifth proof (1818). 2859:{\displaystyle \zeta _{n}\in {\mathcal {O}}_{k},} 1902:{\displaystyle I=\{1,2,\dots ,{\frac {p-1}{2}}\}} 335:= 3. Correspondingly Gauss's lemma predicts that 321:After reduction modulo 11, this sequence becomes 165:. These residues are all distinct, so there are ( 8309: 8307: 8305: 6140:th-power residue symbol is given by the formula 5763:{\displaystyle \zeta _{n}\in {\mathcal {O}}_{k}} 5090:{\displaystyle mn=\mathrm {N} {\mathfrak {p}}-1} 149:{\displaystyle a,2a,3a,\dots ,{\frac {p-1}{2}}a} 4204:{\displaystyle \alpha \not \in {\mathfrak {p}}} 8203:{\displaystyle 1,2,3,\dots ,{\frac {p-1}{2}}.} 4927:{\displaystyle A=\{a_{1},a_{2},\dots ,a_{m}\}} 8432: 8372: 8370: 8368: 8366: 8364: 8362: 8360: 8358: 8356: 8354: 4174:{\displaystyle \alpha \in {\mathcal {O}}_{k}} 8: 5188: 5113: 4921: 4876: 4844: 4777: 4113:There is an analogue of Fermat's theorem in 3852: 3846: 1896: 1857: 1828: 1798: 1709: 1688: 443:, can be obtained by evaluating the product 4704:{\displaystyle \eta \in {\mathcal {O}}_{k}} 2638:{\displaystyle \mathrm {N} {\mathfrak {p}}} 1510:{\displaystyle \left({\frac {a}{p}}\right)} 282:{\displaystyle \left({\frac {a}{p}}\right)} 8734: 8724: 8439: 8425: 8417: 8379:Reciprocity Laws: from Euler to Eisenstein 5848: 5847: 5166: 5165: 5164: 5145: 5141: 4418:is well-defined and congruent to a unique 3139:. From the definition of roots of unity, 2936:th roots of unity can be congruent modulo 638:The second evaluation takes more work. If 313:= 7, the relevant sequence of integers is 8258:which turns out to be the map that sends 8225: 8179: 8153: 8084: 8083: 8081: 8045: 8036: 7985: 7980: 7967: 7956: 7951: 7944: 7898: 7897: 7895: 7843: 7834: 7828: 7815: 7805: 7750: 7745: 7732: 7719: 7709: 7699: 7688: 7683: 7676: 7639: 7630: 7622: 7609: 7599: 7544: 7539: 7516: 7507: 7490: 7468: 7449: 7394: 7389: 7366: 7357: 7339: 7320: 7315: 7310: 7291: 7272: 7267: 7262: 7246: 7227: 7222: 7217: 7201: 7179: 7160: 7146: 7144: 7101: 7092: 7086: 7073: 7063: 7053: 7042: 7037: 7016: 7003: 6993: 6970: 6969: 6964: 6961: 6941: 6919: 6900: 6886: 6884: 6801: 6792: 6786: 6773: 6757: 6752: 6746: 6732:are coprime both sides can be divided by 6716: 6715: 6713: 6680: 6671: 6665: 6649: 6639: 6634: 6621: 6602: 6597: 6591: 6558: 6549: 6543: 6533: 6528: 6515: 6506: 6476: 6467: 6461: 6451: 6446: 6433: 6424: 6379:), respectively, come from the fact that 6189: 6184: 6171: 6160: 6155: 6148: 6109: 6100: 6085: 6066: 6061: 6048: 6039: 5959: 5958: 5956: 5886: 5885: 5883: 5859: 5858: 5838: 5832: 5831: 5822: 5801: 5795: 5794: 5784: 5783: 5781: 5754: 5748: 5747: 5737: 5731: 5690: 5689: 5687: 5622: 5617: 5607: 5588: 5583: 5573: 5560: 5550: 5537: 5531: 5483: 5478: 5468: 5449: 5444: 5434: 5421: 5411: 5398: 5392: 5365: 5359: 5335: 5325: 5324: 5319: 5313: 5307: 5306: 5300: 5244: 5234: 5233: 5228: 5222: 5216: 5215: 5209: 5135: 5130: 5120: 5102: 5075: 5074: 5069: 5058: 5032: 5031: 5029: 4989: 4980: 4974: 4964: 4963: 4958: 4952: 4946: 4945: 4939: 4915: 4896: 4883: 4868: 4832: 4827: 4808: 4803: 4790: 4768: 4762: 4729: 4728: 4726: 4695: 4689: 4688: 4679: 4649: 4638: 4633: 4626: 4589: 4580: 4561: 4560: 4555: 4552: 4532: 4527: 4510: 4499: 4494: 4485: 4483: 4455: 4449: 4448: 4445: 4396: 4387: 4381: 4376: 4350: 4349: 4344: 4341: 4335: 4299: 4298: 4293: 4291: 4261: 4252: 4232: 4231: 4226: 4225: 4219: 4195: 4194: 4186: 4165: 4159: 4158: 4149: 4128: 4122: 4121: 4118: 4077: 4047: 4037: 4036: 4031: 4025: 4019: 4018: 3994: 3988: 3987: 3982: 3976: 3970: 3969: 3963: 3950: 3949: 3944: 3940: 3938: 3908: 3898: 3897: 3892: 3886: 3880: 3879: 3873: 3837: 3836: 3831: 3825: 3819: 3818: 3808: 3798: 3797: 3792: 3786: 3780: 3779: 3773: 3737: 3736: 3731: 3725: 3719: 3718: 3715: 3688: 3687: 3685: 3659: 3638: 3637: 3635: 3599: 3590: 3575: 3570: 3545: 3540: 3518: 3497: 3473: 3472: 3470: 3427: 3422: 3397: 3392: 3370: 3324: 3305: 3299: 3253: 3248: 3223: 3218: 3196: 3153: 3147: 3112: 3111: 3109: 3082: 3077: 3071: 3021: 3020: 3018: 2997: 2992: 2979: 2974: 2968: 2944: 2943: 2941: 2923:{\displaystyle n\not \in {\mathfrak {p}}} 2914: 2913: 2905: 2880: 2879: 2877: 2847: 2841: 2840: 2830: 2824: 2792: 2786: 2785: 2780: 2774: 2768: 2767: 2761: 2752: 2751: 2746: 2744: 2723: 2722: 2717: 2711: 2705: 2704: 2701: 2677: 2676: 2674: 2653: 2652: 2650: 2629: 2628: 2623: 2621: 2593: 2587: 2586: 2576: 2575: 2573: 2549: 2543: 2542: 2539: 2439: 2422: 2396: 2379: 2365: 2352: 2337: 2329: 2299: 2293: 2282:immediately gives quadratic reciprocity. 2239: 2226: 2202: 2191: 2168: 2157: 2130: 2124: 2063: 2050: 2030: 2014: 2005: 1995: 1979: 1968: 1947: 1941: 1878: 1849: 1787: 1766: 1736: 1730: 1677: 1657: 1636: 1628: 1627: 1619: 1615: 1614: 1609: 1588: 1580: 1579: 1571: 1567: 1566: 1555: 1493: 1487: 1456: 1430: 1414: 1408: 1369: 1343: 1296: 1261: 1240: 1144: 1106: 1062: 1055: 1044: 1032: 1021: 1017: 1015: 937: 918: 907: 899: 888: 880: 872: 861: 840: 757: 750: 714: 695: 682: 674: 666: 664: 602: 563: 547: 535: 489: 451: 379: 349: 343: 265: 259: 232: 202: 196: 159:and their least positive residues modulo 125: 93: 33:gives a condition for an integer to be a 8104:Relation to the transfer in group theory 8076:th roots of unity can be congruent (mod 5726:th power residue symbol as follows. Let 3768:of its (multiplicative) group of units, 650:, let us define the "absolute value" of 8301: 1834:{\displaystyle t=\#\{j\in I:aj\in -I\}} 1478:This is the desired result, because by 3097:{\displaystyle \zeta _{n}^{t}\equiv 1} 5720:Gauss's lemma may be extended to the 1468:{\displaystyle a^{(p-1)/2}=(-1)^{n}.} 7: 5526:and remove the numbers congruent to 5387:and remove the numbers congruent to 4934:be representatives of the cosets of 1927:used Gauss's lemma to prove that if 8085: 8046: 8044: 7957: 7899: 7844: 7842: 7689: 7640: 7638: 7517: 7515: 7367: 7365: 7102: 7100: 7043: 6971: 6802: 6800: 6717: 6681: 6679: 6559: 6557: 6477: 6475: 6161: 6110: 6108: 5960: 5887: 5860: 5785: 5691: 5326: 5235: 5076: 5033: 4965: 4857:be the multiplicative group of the 4730: 4639: 4590: 4588: 4562: 4500: 4467:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{k},} 4397: 4395: 4351: 4300: 4262: 4260: 4233: 4196: 4085: 4038: 3989: 3951: 3899: 3838: 3799: 3738: 3689: 3639: 3600: 3598: 3474: 3113: 3022: 2945: 2915: 2881: 2787: 2753: 2724: 2678: 2654: 2630: 2577: 2561:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{k},} 2447: 2440: 2404: 2397: 1152: 1114: 1070: 422:−4, 3, −1, −5, 2. 6965: 5070: 4556: 4345: 4294: 4227: 4137:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{k}} 3945: 2747: 2624: 1795: 14: 4433:This root of unity is called the 441:proofs of Fermat's little theorem 8753: 8743: 8733: 8723: 8714: 8713: 5971:{\displaystyle {\mathfrak {p}}.} 5702:{\displaystyle {\mathfrak {p}}.} 5044:{\displaystyle {\mathfrak {p}}.} 3700:{\displaystyle {\mathfrak {p}},} 1715:{\displaystyle -I=\{-i:i\in I\}} 44:It made its first appearance in 8093:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 8037: 7907:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 7835: 7631: 7508: 7358: 7093: 6793: 6725:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 6672: 6550: 6468: 6101: 5895:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 5289:system is straightforward: let 4738:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 4581: 4388: 4253: 4078: 3647:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 3591: 3482:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 3121:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 3030:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 2953:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 2889:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 2686:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 2662:{\displaystyle {\mathfrak {p}}} 1145: 1107: 1063: 832:is in the first range, we have 410:The above sequence of residues 39:proofs of quadratic reciprocity 8492:analytic theory of L-functions 8470:non-abelian class field theory 8405:Gauss, Carl Friedrich (1832), 8341:Lectures in number theory 2022 8314:Gauss, Carl Friedrich (1965), 8236: 8213:Applying the machinery of the 8050: 8038: 8031: 8025: 8010: 8004: 7995: 7989: 7848: 7836: 7796: 7790: 7775: 7769: 7760: 7754: 7644: 7632: 7590: 7584: 7569: 7563: 7554: 7548: 7521: 7509: 7500: 7494: 7478: 7472: 7459: 7453: 7440: 7434: 7419: 7413: 7404: 7398: 7371: 7359: 7349: 7343: 7330: 7324: 7301: 7295: 7282: 7276: 7256: 7250: 7237: 7231: 7207: 7191: 7185: 7169: 7166: 7150: 7106: 7094: 6947: 6931: 6925: 6909: 6906: 6890: 6806: 6794: 6685: 6673: 6563: 6551: 6481: 6469: 6345:The existence of the integers 6235: 6229: 6214: 6208: 6199: 6193: 6114: 6102: 6095: 6089: 6076: 6070: 5332: 5302: 5241: 5211: 4971: 4941: 4594: 4582: 4401: 4389: 4266: 4254: 4089: 4079: 4044: 4014: 3995: 3964: 3905: 3875: 3805: 3775: 3673:{\displaystyle n\not \equiv 0} 3604: 3592: 3587: 3557: 3551: 3527: 3524: 3505: 3439: 3409: 3403: 3379: 3376: 3357: 3265: 3235: 3229: 3205: 3202: 3183: 3180: 3168: 2793: 2762: 2451: 2441: 2408: 2398: 2349: 2330: 2326: 2316: 2071: 2051: 2038: 2015: 1992: 1980: 1912:The proof is almost the same. 1763: 1753: 1633: 1611: 1585: 1563: 1453: 1443: 1427: 1415: 1258: 1248: 1156: 1146: 1118: 1108: 1074: 1064: 1056: 1045: 1033: 1022: 919: 908: 900: 889: 881: 873: 858: 848: 675: 667: 560: 548: 376: 366: 229: 219: 1: 8248:{\displaystyle \phi :G\to H,} 7130:and on the other hand, since 6367:, and their uniqueness (mod 8516:Transcendental number theory 6865:is a permutation of the set 5295:be a representative set for 4440:th-power residue symbol for 3710:Thus the residue classes of 2116:used the lemma to show that 984:Now observe that the values 644:is a nonzero residue modulo 8739:List of recreational topics 8511:Computational number theory 8496:probabilistic number theory 8377:Lemmermeyer, Franz (2000), 4863:th roots of unity, and let 4674:if and only if there is an 1844:In the original statement, 8811: 5380:{\displaystyle a_{1}\in M} 5053:In other words, there are 2516: 18: 8709: 8691:Diophantine approximation 8650:Chinese remainder theorem 6385:is a representative set. 3753:containing the powers of 2102:functions, he proved the 1652:is the disjoint union of 48:'s third proof (1808) of 8795:Squares in number theory 8535:Arithmetic combinatorics 3868:Therefore, the order of 3762:are a subgroup of order 3465:and taking residues mod 2930:). Then no two distinct 2810:Assume that a primitive 8780:Lemmas in number theory 8506:Geometric number theory 8462:Algebraic number theory 4424:th root of unity ζ 2739:, so the ideal norm is 2513:th power residue symbol 819:counts those multiples 8625:Transcendental numbers 8539:additive number theory 8488:Analytic number theory 8249: 8204: 8094: 8061: 7908: 7859: 7659: 7121: 6817: 6726: 6693: 6574: 6489: 6247: 6125: 5972: 5896: 5872: 5811: 5764: 5703: 5638: 5499: 5381: 5348: 5257: 5198: 5091: 5045: 5002: 4928: 4851: 4739: 4705: 4665: 4618:It can be proven that 4609: 4468: 4409: 4315: 4277: 4205: 4175: 4138: 4104: 3918: 3862: 3747: 3701: 3674: 3648: 3615: 3483: 3449: 3275: 3122: 3098: 3031: 3007: 2954: 2924: 2890: 2860: 2801: 2733: 2687: 2663: 2639: 2603: 2562: 2529:algebraic number field 2466: 2261: 2220: 2186: 2085: 2004: 1903: 1835: 1776: 1716: 1666: 1646: 1598: 1537:be an integer that is 1511: 1469: 1391: 1326: 1168: 975: 804: 629: 514: 398: 283: 245: 150: 85:Consider the integers 72:be an integer that is 56:Statement of the lemma 8696:Irrationality measure 8686:Diophantine equations 8529:Hodge–Arakelov theory 8250: 8205: 8095: 8062: 7909: 7860: 7660: 7122: 6818: 6727: 6694: 6575: 6490: 6248: 6126: 5997:, there are integers 5973: 5897: 5873: 5812: 5765: 5704: 5639: 5500: 5382: 5349: 5258: 5199: 5092: 5046: 5003: 4929: 4852: 4740: 4706: 4666: 4610: 4469: 4410: 4316: 4278: 4206: 4176: 4139: 4105: 3919: 3863: 3748: 3702: 3675: 3649: 3616: 3484: 3450: 3276: 3123: 3099: 3032: 3008: 2955: 2925: 2891: 2861: 2802: 2734: 2688: 2664: 2640: 2604: 2563: 2467: 2262: 2187: 2153: 2086: 1964: 1933:is an odd prime then 1904: 1836: 1777: 1717: 1667: 1647: 1599: 1512: 1470: 1400:and we are left with 1392: 1327: 1169: 976: 805: 630: 515: 399: 284: 246: 151: 50:quadratic reciprocity 8655:Arithmetic functions 8521:Diophantine geometry 8224: 8152: 8080: 7943: 7894: 7675: 7143: 6883: 6745: 6712: 6590: 6505: 6423: 6147: 6038: 5955: 5882: 5821: 5780: 5730: 5686: 5530: 5391: 5358: 5299: 5208: 5101: 5057: 5028: 4938: 4867: 4761: 4725: 4678: 4625: 4482: 4444: 4334: 4290: 4218: 4185: 4148: 4117: 3937: 3872: 3772: 3714: 3684: 3658: 3634: 3496: 3469: 3298: 3146: 3108: 3070: 3017: 2967: 2940: 2904: 2876: 2823: 2743: 2700: 2673: 2649: 2620: 2572: 2538: 2519:Power residue symbol 2292: 2123: 1940: 1848: 1786: 1729: 1676: 1656: 1608: 1554: 1486: 1407: 1342: 1239: 1014: 839: 663: 534: 450: 418:may also be written 342: 258: 195: 92: 46:Carl Friedrich Gauss 8701:Continued fractions 8564:Arithmetic dynamics 8559:Arithmetic topology 8553:P-adic Hodge theory 8545:Arithmetic geometry 8478:Iwasawa–Tate theory 8035: 7800: 7594: 7444: 7334: 7286: 7241: 6768: 6644: 6613: 6538: 6456: 6239: 6080: 5902:is coprime to both 5650:is exhausted. Then 5633: 5593: 5494: 5454: 5140: 5097:numbers in the set 4843: 4813: 4537: 4386: 3586: 3550: 3438: 3402: 3264: 3228: 3087: 3002: 2984: 2693:is prime this is a 2504:quartic reciprocity 2108:quartic reciprocity 1925:Gotthold Eisenstein 1604:be a set such that 8785:Modular arithmetic 8645:Modular arithmetic 8615:Irrational numbers 8549:anabelian geometry 8466:class field theory 8245: 8200: 8090: 8057: 7976: 7904: 7868:and since for all 7855: 7741: 7655: 7653: 7535: 7385: 7311: 7263: 7218: 7136:is a permutation, 7117: 7115: 6813: 6748: 6722: 6689: 6630: 6593: 6570: 6524: 6485: 6442: 6243: 6180: 6121: 6057: 5968: 5892: 5868: 5807: 5776:th root of unity, 5760: 5699: 5634: 5613: 5579: 5495: 5474: 5440: 5377: 5344: 5253: 5194: 5126: 5087: 5041: 4998: 4924: 4847: 4823: 4799: 4735: 4701: 4661: 4605: 4603: 4523: 4475:and is denoted by 4464: 4405: 4372: 4311: 4273: 4201: 4171: 4134: 4100: 4098: 3914: 3858: 3743: 3697: 3670: 3644: 3611: 3566: 3536: 3479: 3445: 3418: 3388: 3271: 3244: 3214: 3118: 3094: 3073: 3027: 3003: 2988: 2970: 2950: 2920: 2886: 2856: 2797: 2729: 2683: 2659: 2635: 2599: 2558: 2462: 2457: 2257: 2081: 1899: 1831: 1772: 1712: 1662: 1642: 1594: 1525:For any odd prime 1507: 1465: 1387: 1322: 1164: 1162: 1007:. Indeed, we have 971: 800: 795: 755: 700: 625: 510: 394: 317:7, 14, 21, 28, 35. 279: 241: 146: 60:For any odd prime 8790:Quadratic residue 8767: 8766: 8664:Advanced concepts 8620:Algebraic numbers 8605:Composite numbers 8338:Kremnizer, Kobi. 8290:Zolotarev's lemma 8195: 7961: 7693: 7047: 6986: 6336:The proof of the 6165: 4643: 4577: 4504: 4366: 3924:is a multiple of 2496:Gaussian integers 2425: 2382: 2307: 2247: 2234: 2218: 2184: 2138: 2114:Leopold Kronecker 2076: 1955: 1894: 1744: 1665:{\displaystyle I} 1501: 1480:Euler's criterion 1385: 1312: 953: 773: 754: 730: 699: 618: 505: 357: 273: 210: 141: 35:quadratic residue 8802: 8757: 8747: 8737: 8736: 8727: 8726: 8717: 8716: 8610:Rational numbers 8441: 8434: 8427: 8418: 8411: 8410: 8402: 8396: 8395: 8374: 8349: 8348: 8346: 8335: 8329: 8328: 8311: 8279: 8273: 8267: 8263: 8254: 8252: 8251: 8246: 8209: 8207: 8206: 8201: 8196: 8191: 8180: 8144: 8138: 8132: 8126: 8113: 8099: 8097: 8096: 8091: 8089: 8088: 8075: 8066: 8064: 8063: 8058: 8053: 8049: 8034: 7984: 7972: 7971: 7966: 7962: 7960: 7952: 7935: 7913: 7911: 7910: 7905: 7903: 7902: 7889: 7878: 7864: 7862: 7861: 7856: 7851: 7847: 7833: 7832: 7820: 7819: 7810: 7809: 7799: 7749: 7737: 7736: 7724: 7723: 7714: 7713: 7704: 7703: 7698: 7694: 7692: 7684: 7664: 7662: 7661: 7656: 7654: 7647: 7643: 7627: 7626: 7614: 7613: 7604: 7603: 7593: 7543: 7528: 7524: 7520: 7504: 7503: 7482: 7481: 7463: 7462: 7443: 7393: 7378: 7374: 7370: 7354: 7353: 7352: 7333: 7319: 7306: 7305: 7304: 7285: 7271: 7261: 7260: 7259: 7240: 7226: 7206: 7205: 7184: 7183: 7165: 7164: 7135: 7126: 7124: 7123: 7118: 7116: 7109: 7105: 7091: 7090: 7078: 7077: 7068: 7067: 7058: 7057: 7052: 7048: 7046: 7038: 7025: 7021: 7020: 7008: 7007: 6998: 6997: 6988: 6987: 6982: 6975: 6974: 6968: 6962: 6946: 6945: 6924: 6923: 6905: 6904: 6872: 6864: 6858: 6848: 6839:system, implies 6838: 6831: 6822: 6820: 6819: 6814: 6809: 6805: 6791: 6790: 6778: 6777: 6767: 6756: 6737: 6731: 6729: 6728: 6723: 6721: 6720: 6707: 6698: 6696: 6695: 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Index

Gauss's lemma
number theory
quadratic residue
proofs of quadratic reciprocity
Carl Friedrich Gauss
quadratic reciprocity
coprime
Legendre symbol
proofs of Fermat's little theorem
Euler's criterion
coprime
Gotthold Eisenstein
elliptic
circular
cubic
quartic reciprocity
Leopold Kronecker
Gaussian integers
cubic
quartic reciprocity
Power residue symbol
algebraic number field
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prime ideal
ideal norm
finite field
root of unity
coprime
transfer
Zolotarev's lemma

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