Quadratisches Reziprozitätsgesetz

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Das quadratische Reziprozitätsgesetz gibt, zusammen mit den beiden unten genannten Ergänzungssätzen, ein Verfahren an, um das Legendre-Symbol zu berechnen und damit zu entscheiden, ob eine Zahl quadratischer Rest oder Nichtrest einer (anderen) Zahl ist. Die Entdeckung des quadratischen Reziprozitätsgesetzes durch Euler und der Beweis durch Gauß waren die Ausgangspunkte der Entwicklung der modernen Zahlentheorie. Obwohl es elementare Beweise des Reziprozitätsgesetzes gibt, liegt dessen Wesen relativ tief, nämlich in der Primfaktorzerlegung in den Kreisteilungskörpern \mathbb{Q}(\zeta) mit einer primitiven Einheitswurzel \zeta. Gauß selbst hat mehrere methodisch verschiedene Beweise vorgelegt.

Aussage[Bearbeiten]

Das quadratische Reziprozitätsgesetz besagt, dass für zwei verschiedene ungerade Primzahlen p und q gilt:

\left(\frac{p}{q}\right)\left(\frac{q}{p}\right)=(-1)^{\frac{p-1}{2}\frac{q-1}{2}}=\left\{\begin{matrix}-1&\mbox{für}&p\equiv q\equiv3 \pmod 4\\1&\mbox{sonst}&\mbox{(also für }p\equiv1\pmod4\quad \mbox{oder}\quad q\equiv1\pmod4\mbox{)}&\end{matrix}\right.

1. Ergänzungssatz: Für jede ungerade Primzahl p gilt:

\left(\frac{-1}{p}\right)=(-1)^{\frac{p-1}{2}}=\left\{\begin{matrix}1&\mbox{für}&p\equiv 1\pmod 4\\-1&\mbox{sonst}&\mbox{(also für }p\equiv-1\pmod4\mbox{)}&\end{matrix}\right.

2. Ergänzungssatz: Für jede ungerade Primzahl p gilt:

\left(\frac{2}{p}\right)=(-1)^{\frac{p^2-1}{8}}=\left\{\begin{matrix}1&\mbox{für}&p\equiv \pm1\pmod 8\\-1&\mbox{sonst}&\mbox{(also für }p\equiv\pm3\pmod8\mbox{)}&\end{matrix}\right.

Rechenregel[Bearbeiten]

Sind p und q zwei verschiedene ungerade Primzahlen, so gilt:

\left(\frac{p}{q}\right)=\begin{cases}-\left(\frac{q}{p}\right)&\text{wenn}\ p\equiv q\equiv3 \pmod 4\\[0.5em] \left(\frac{q}{p}\right)&\text{sonst}\end{cases}

Aus \left(\frac{p}{q}\right)\in\{\pm1\} folgt nämlich \left(\frac{p}{q}\right)^{-1}=\left(\frac{p}{q}\right).

Beispiele[Bearbeiten]

x^2\equiv10\pmod{13}

lösbar ist. Dazu berechnet man

\left(\frac{10}{13}\right)=\left(\frac{2}{13}\right)\left(\frac{5}{13}\right) (das Legendre-Symbol ist multiplikativ im oberen Argument).

Der erste Faktor lässt sich mit Hilfe des 2. Ergänzungssatzes zu -1 bestimmen. Um den zweiten Faktor zu berechnen, wendet man das Reziprozitätsgesetz an:

\left(\frac{5}{13}\right)=\left(\frac{13}{5}\right) =\left(\frac{3}{5}\right) =\left(\frac{5}{3}\right) =\left(\frac{2}{3}\right) =-1

Hier wurde beim zweiten Gleichheitszeichen 13\equiv3\pmod{5} verwendet, analog dazu 5\equiv2\pmod{3} beim vorletzten.

Setzt man nun beide Faktoren zusammen, so ergibt sich

\left(\frac{10}{13}\right)=(-1)(-1)=1

und damit weiß man, dass die obige Kongruenz eine Lösung besitzt. Modulo 13 gibt es sogar zwei Lösungen, nämlich x\equiv\pm6\pmod{13}.

  • Es ist zu prüfen, ob die Kongruenz
x^2\equiv57\pmod{127}

lösbar ist. Dazu berechnet man wieder

\left(\frac{57}{127}\right)=\left(\frac{3}{127}\right)\left(\frac{19}{127}\right)

und kann wie oben die beiden Faktoren mit dem Reziprozitätsgesetz weiter vereinfachen:

\left(\frac{3}{127}\right) =(-1)\left(\frac{127}{3}\right) =(-1)\left(\frac{1}{3}\right) =-1 (im letzten Schritt wurde \left(\frac{a^2}{p}\right)=\left(\frac{a}{p}\right)^2=1 mit a=1 verwendet)

und

\left(\frac{19}{127}\right) =(-1)\left(\frac{127}{19}\right) =(-1)\left(\frac{13}{19}\right) =(-1)\left(\frac{19}{13}\right) =(-1)\left(\frac{6}{13}\right)
=(-1)\left(\frac{2}{13}\right)\left(\frac{3}{13}\right) =(-1)(-1)\left(\frac{13}{3}\right) =(-1)(-1)\left(\frac{1}{3}\right) =1

Setzt man alles zusammen, so ergibt sich

\left(\frac{57}{127}\right)=(-1)\cdot 1=-1

und damit die Erkenntnis, dass die obige Kongruenz keine Lösung besitzt.

Effiziente Berechnung des Legendre-Symbols[Bearbeiten]

Der hier aufgezeigte Berechnungsweg besitzt den Nachteil, die Primfaktorzerlegung des Zählers des Legendre-Symbols bestimmen zu müssen. Es gibt ein effizienteres Verfahren, das ähnlich wie der Euklidische Algorithmus abläuft und ohne diese Faktorisierung auskommt. Dabei wird das Jacobi-Symbol, eine Verallgemeinerung des Legendre-Symbols, benutzt, für das das quadratische Reziprozitätsgesetz immer noch gültig ist.

Siehe auch[Bearbeiten]

  • Lemma von Zolotareff, eine Beweisvariante für das quadratische Reziprozitätsgesetz mit Hilfe von Permutationen

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikiversity: Ein Beweis des quadratischen Reziprozitätgesetzes – Kursmaterialien, Forschungsprojekte und wissenschaftlicher Austausch

Literatur[Bearbeiten]