Quay lại danh sách
MATHKhối 1023/05/2025

Đồng dư thức chia hết

TÀI LIỆU HỌC TẬP: ĐỒNG DƯ THỨC VÀ ỨNG DỤNG

Mục tiêu: Tài liệu này cung cấp kiến thức cơ bản và nâng cao về đồng dư thức, các tính chất quan trọng, và ứng dụng của nó trong giải toán, đặc biệt là các bài toán chia hết.

1. Định nghĩa và Ký hiệu

1.1 Định nghĩa

Cho a,ba, b là các số nguyên và mm là số nguyên dương. Ta nói aa đồng dư với bb theo modulo mm, ký hiệu là a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m}, nếu a−ba-b chia hết cho mm.

Ví dụ:

  • 17≡2(mod5)17 \equiv 2 \pmod{5} vì 17−2=1517 - 2 = 15 chia hết cho 5.
  • −8≡7(mod5)-8 \equiv 7 \pmod{5} vì −8−7=−15-8 - 7 = -15 chia hết cho 5.
  • 23≡3(mod10)23 \equiv 3 \pmod{10} vì 23−3=2023 - 3 = 20 chia hết cho 10.

1.2 Nhận xét

  • a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} khi và chỉ khi aa và bb có cùng số dư khi chia cho mm.
  • a≡0(modm)a \equiv 0 \pmod{m} khi và chỉ khi aa chia hết cho mm.
  • Mọi số nguyên aa đều đồng dư với số dư rr của phép chia aa cho mm, tức là a≡r(modm)a \equiv r \pmod{m}, trong đó 0≤r<m0 \leq r < m.

2. Các Tính chất Cơ bản của Đồng dư thức

2.1 Tính chất phản xạ

a≡a(modm)a \equiv a \pmod{m}

2.2 Tính chất đối xứng

Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} thì b≡a(modm)b \equiv a \pmod{m}

2.3 Tính chất bắc cầu

Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} và b≡c(modm)b \equiv c \pmod{m} thì a≡c(modm)a \equiv c \pmod{m}

2.4 Tính chất cộng

Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} và c≡d(modm)c \equiv d \pmod{m} thì a+c≡b+d(modm)a+c \equiv b+d \pmod{m}

2.5 Tính chất trừ

Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} và c≡d(modm)c \equiv d \pmod{m} thì a−c≡b−d(modm)a-c \equiv b-d \pmod{m}

2.6 Tính chất nhân

Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} và c≡d(modm)c \equiv d \pmod{m} thì ac≡bd(modm)ac \equiv bd \pmod{m}

Hệ quả:

  • Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} thì an≡bn(modm)a^n \equiv b^n \pmod{m} với mọi số nguyên dương nn.
  • Nếu a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m} thì ka≡kb(modm)ka \equiv kb \pmod{m} với mọi số nguyên kk.

2.7 Tính chất chia

Nếu ac≡bc(modm)ac \equiv bc \pmod{m} và gcd⁡(c,m)=d\gcd(c, m) = d thì a≡b(modmd)a \equiv b \pmod{\frac{m}{d}}

Trường hợp đặc biệt:

  • Nếu ac≡bc(modm)ac \equiv bc \pmod{m} và gcd⁡(c,m)=1\gcd(c, m) = 1 thì a≡b(modm)a \equiv b \pmod{m}

3. Các Định lý Quan trọng

3.1 Định lý Fermat nhỏ

Nếu pp là số nguyên tố và aa là số nguyên không chia hết cho pp thì ap−1≡1(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}.

3.2 Định lý Euler

Nếu aa và mm là các số nguyên tố cùng nhau (tức là gcd⁡(a,m)=1\gcd(a, m) = 1) thì aϕ(m)≡1(modm)a^{\phi(m)} \equiv 1 \pmod{m}, trong đó ϕ(m)\phi(m) là hàm Euler.

Chú ý: Hàm Euler ϕ(m)\phi(m) là số các số nguyên dương nhỏ hơn hoặc bằng mm và nguyên tố cùng nhau với mm.

Ví dụ: ϕ(10)=4\phi(10) = 4 vì có 4 số nhỏ hơn 10 và nguyên tố cùng nhau với 10 là 1, 3, 7, 9.

3.3 Định lý Wilson

pp là số nguyên tố khi và chỉ khi (p−1)!≡−1(modp)(p-1)! \equiv -1 \pmod{p}.

4. Ứng dụng của Đồng dư thức trong Giải Toán Chia Hết

4.1 Chứng minh chia hết

Ví dụ 1: Chứng minh rằng 2100−12^{100} - 1 chia hết cho 3.

  • Ta có 2≡−1(mod3)2 \equiv -1 \pmod{3}.
  • Suy ra 2100≡(−1)100≡1(mod3)2^{100} \equiv (-1)^{100} \equiv 1 \pmod{3}.
  • Vậy 2100−1≡1−1≡0(mod3)2^{100} - 1 \equiv 1 - 1 \equiv 0 \pmod{3}, tức là 2100−12^{100} - 1 chia hết cho 3.

Ví dụ 2: Chứng minh rằng 32n+1+2n+23^{2n+1} + 2^{n+2} chia hết cho 7 với mọi số nguyên dương nn.

  • Ta có 32≡2(mod7)3^2 \equiv 2 \pmod{7} và 23≡1(mod7)2^3 \equiv 1 \pmod{7}.
  • 32n+1+2n+2=3⋅(32)n+4⋅2n≡3⋅2n+4⋅2n≡7⋅2n≡0(mod7)3^{2n+1} + 2^{n+2} = 3 \cdot (3^2)^n + 4 \cdot 2^n \equiv 3 \cdot 2^n + 4 \cdot 2^n \equiv 7 \cdot 2^n \equiv 0 \pmod{7}

4.2 Tìm số dư

Ví dụ 1: Tìm số dư khi chia 720237^{2023} cho 10.

  • Ta có 71≡7(mod10)7^1 \equiv 7 \pmod{10}
  • 72≡49≡9(mod10)7^2 \equiv 49 \equiv 9 \pmod{10}
  • 73≡7⋅9≡63≡3(mod10)7^3 \equiv 7 \cdot 9 \equiv 63 \equiv 3 \pmod{10}
  • 74≡7⋅3≡21≡1(mod10)7^4 \equiv 7 \cdot 3 \equiv 21 \equiv 1 \pmod{10}
  • Vậy 72023=74⋅505+3=(74)505⋅73≡1505⋅3≡3(mod10)7^{2023} = 7^{4 \cdot 505 + 3} = (7^4)^{505} \cdot 7^3 \equiv 1^{505} \cdot 3 \equiv 3 \pmod{10}.
  • Số dư là 3.

Ví dụ 2: Tìm số dư khi chia 210002^{1000} cho 13.

  • Theo định lý Fermat nhỏ, 212≡1(mod13)2^{12} \equiv 1 \pmod{13}.
  • 21000=212⋅83+4=(212)83⋅24≡183⋅16≡16≡3(mod13)2^{1000} = 2^{12 \cdot 83 + 4} = (2^{12})^{83} \cdot 2^4 \equiv 1^{83} \cdot 16 \equiv 16 \equiv 3 \pmod{13}.
  • Số dư là 3.

4.3 Giải phương trình đồng dư

Bài toán: Tìm tất cả các số nguyên xx thỏa mãn ax≡b(modm)ax \equiv b \pmod{m}.

Phương pháp:

  1. Tìm d=gcd⁡(a,m)d = \gcd(a, m). Nếu bb không chia hết cho dd thì phương trình vô nghiệm.
  2. Nếu bb chia hết cho dd, chia cả ba số aa, bb, mm cho dd, ta được phương trình tương đương: adx≡bd(modmd)\frac{a}{d}x \equiv \frac{b}{d} \pmod{\frac{m}{d}}.
  3. Tìm nghịch đảo modular a′a' của ad\frac{a}{d} theo modulo md\frac{m}{d}, tức là tìm a′a' sao cho ada′≡1(modmd)\frac{a}{d}a' \equiv 1 \pmod{\frac{m}{d}}.
  4. Nhân cả hai vế của phương trình với a′a', ta được x≡a′bd(modmd)x \equiv a'\frac{b}{d} \pmod{\frac{m}{d}}.
  5. Nghiệm tổng quát là x=a′bd+kmdx = a'\frac{b}{d} + k\frac{m}{d}, với kk là số nguyên.

Ví dụ: Giải phương trình 3x≡5(mod7)3x \equiv 5 \pmod{7}.

  1. gcd⁡(3,7)=1\gcd(3, 7) = 1 và 5 chia hết cho 1.
  2. Nghịch đảo modular của 3 theo modulo 7 là 5 vì 3⋅5=15≡1(mod7)3 \cdot 5 = 15 \equiv 1 \pmod{7}.
  3. Nhân cả hai vế với 5, ta được 15x≡25(mod7)15x \equiv 25 \pmod{7}, suy ra x≡4(mod7)x \equiv 4 \pmod{7}.
  4. Nghiệm tổng quát là x=4+7kx = 4 + 7k, với kk là số nguyên.

5. Bài tập tự luyện

  1. Chứng minh rằng 33n+1+2n+23^{3n+1} + 2^{n+2} chia hết cho 5 với mọi số nguyên dương nn.
  2. Tìm số dư khi chia 202320242023^{2024} cho 7.
  3. Chứng minh rằng n3+5nn^3 + 5n chia hết cho 6 với mọi số nguyên nn.
  4. Giải phương trình đồng dư 5x≡3(mod8)5x \equiv 3 \pmod{8}.
  5. Chứng minh rằng nếu pp là số nguyên tố lớn hơn 3 thì p2≡1(mod24)p^2 \equiv 1 \pmod{24}.

6. Tài liệu tham khảo

  • Số học - Tác giả: Nguyễn Hữu Điển
  • Các bài toán số học chọn lọc - Tác giả: Phan Huy Khải
  • Tuyển tập 30 năm các bài toán Olympic Toán THPT

Chúc các bạn học tốt!

Cần thêm bí kíp?

Khám phá hàng trăm thủ thuật học tập hiệu quả khác.

Xem tất cả thủ thuật