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数学知识体系

Observatory Archive of Mathematics
⌕2026/8/31
概念

威尔逊定理

(p-1)! ≡ -1 (mod p) 当且仅当 p 为素数,给出素数的一个充要刻画。

所属主题:初等数论 ↗
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参考可汗学院 Get ready 机制:先修概念 → 当前概念 → 进阶概念,✓ 表示已读。

01定义

pp 是素数当且仅当 (p−1)!≡−1(modp)(p-1)!\equiv -1\pmod p。一个阶乘同余给出素性的充要刻画——理论上完美,实践上昂贵,却深刻联系着有限域乘法群的配对结构。
模 7 配对:a · a⁻¹ ≡ 1,仅 1 与 6 自逆 1 2 4 3 5 6 2·4 ≡ 1 3·5 ≡ 1 自逆:1² ≡ 1 自逆:6² ≡ 1 6! = 1·(2·4)·(3·5)·6 ≡ 1·1·1·6 ≡ −1 (mod 7) x² ≡ 1 的解仅 x ≡ ±1:配对论证的灵魂
配对消去:阶乘之积只剩 ±1 两枚自逆元

02核心要点

01

配对证明

模素数 pp,除 11 与 p−1p-1 外每个元素与其逆元配对互消,(p−1)!≡1⋅(p−1)≡−1(p-1)!\equiv 1\cdot(p-1)\equiv -1;合数模则存在不成对因子使同余失败。

02

充要但昂贵

素性判定的理论完美判据,计算代价 O(p)O(p) 乘法使其完全不可实用——价值在结构而非算法。

03

推广:高斯乘积

高斯把威尔逊推广到任意有限阿贝尔群:全部元素之积 = 所有 2 阶元素之积;整数情形恰剩 ±1\pm 1。

03关键公式

p 是素数  ⟺  (p−1)!≡−1(modp)p\text{ 是素数}\iff (p-1)!\equiv -1\pmod p

04历史沿革

沃林 1770 年转述其学生威尔逊的发现;拉格朗日 1771 年给出首个证明;高斯在《算术研究》中给出配对论证并推广。

05应用与延伸

素数判定的理论基准、p 进伽马函数的出发点(Γp\Gamma_p 插值威尔逊同余)、组合设计中的循环差集构造、密码学素性证明算法的辅助引理。

06交互演示

(p−1)! ≡ −1 (mod p):乘法配对1..p−1 中除 1 与 p−1 外两两配对 a·b≡1

07相关概念