证明一个定理首先要知道这个定理是什么。——沃·兹基硕德·斐桦
那么费马小定理是什么呢?
就是这个:ap−1≡1(mod p),其中a与p互素,p是质数。
那么怎么证呢?
先把这个定理丢掉,考虑这样一个东西。
(p−1)!
靠这是什么
p还是那个p,而(p-1)!就是1×2×3×···×(p−1)。
对于(p−1)!,有p\nmid(p-1)!(因为p是质数,而没有一个x_i(1≤x_i≤p-1)是p的倍数)。
(p-1)!可以表示为一个集合{1,2,3,···,p-1}中所有元素的乘积。
我们来做一些高兴的事情(大雾)。
将这个集合中所有的元素都乘上a,得到一个新集合{a,2a,3a,···,(p-1)a}。
而这个集合中任意两个数在mod p意义下都不相同。
证明
设ax\equiv ay(mod p)且1≤x,y≤p−1,x,y均为整数,x≠y,则(x-y)a=tp,∴p\mid(x-y)a。
又∵a与p互素,∴p\mid(x-y),而这显然是不可能的(1≤x,y≤p−1)。
又∵这个集合中任意两个数在mod p意义下都不相同,∴这个集合中所有元素的乘积和原集合这个集合中所有元素的乘积在mod p意义下是等价的。
也就是说a^{p-1}\times(p-1)!\equiv (p-1)!(mod p)。
整理一下这个式子(两边同时乘上(p-1)!的逆元),即得a^{p-1}\equiv1(mod p),也就是一开始的费马小定理。