Calcolatore Simbolo di Legendre e Jacobi (Residui Quadratici)
Calcolatore simbolo di Legendre (a/p) e Jacobi, test residui quadratici mod p primo, conteggio QR/NR, verifica radici primitive in teoria dei numeri elementare.
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Simbolo di Legendre: definizione
Il simbolo di Legendre (a/p), introdotto da Adrien-Marie Legendre nel 1798, e una funzione fondamentale della teoria dei numeri che caratterizza i residui quadratici. Per p primo dispari e a intero:
(a/p) = +1 se a e residuo quadratico mod p (esiste x con x^2 = a mod p)
(a/p) = -1 se a e non-residuo quadratico
(a/p) = 0 se p divide a
Calcolo via criterio di Eulero: (a/p) = a^((p-1)/2) mod p, dove il risultato e 1 (per +1), p-1 (per -1) o 0.
Esempio numerico
(3/7): calcolare 3^((7-1)/2) mod 7 = 3^3 mod 7 = 27 mod 7 = 6 = -1 mod 7. Quindi (3/7) = -1, ovvero 3 NON e un quadrato modulo 7. Verifica diretta: i quadrati mod 7 sono {1^2, 2^2, 3^2} mod 7 = {1, 4, 2}; 3 non e in questa lista.
QR e NR mod p
Per ogni primo p > 2, esattamente (p-1)/2 elementi di (Z/pZ)* sono residui quadratici (QR) e (p-1)/2 sono non-residui (NR). Esempio p = 7:
- QR = {1, 2, 4} (= {1^2, 3^2, 2^2} mod 7).
- NR = {3, 5, 6}.
Esempio p = 11: QR = {1, 3, 4, 5, 9}, NR = {2, 6, 7, 8, 10}. I QR formano un sottogruppo di indice 2 in (Z/pZ)* sotto moltiplicazione: QR * QR = QR, QR * NR = NR, NR * NR = QR.
Reciprocita quadratica (Gauss 1796)
Il teorema di reciprocita quadratica, considerato il "gioiello" della teoria dei numeri da Gauss, lega (p/q) e (q/p) per primi dispari distinti p, q:
(p/q)(q/p) = (-1)^((p-1)/2 * (q-1)/2)
Equivalentemente: se p o q e congruo a 1 mod 4, allora (p/q) = (q/p). Altrimenti (entrambi 3 mod 4): (p/q) = -(q/p).
Leggi supplementari:
- (-1/p) = +1 se p = 1 mod 4, -1 se p = 3 mod 4.
- (2/p) = +1 se p = +/- 1 mod 8, -1 se p = +/- 3 mod 8.
Simbolo di Jacobi
Il simbolo di Jacobi (a/n) generalizza Legendre a moduli n dispari positivi (anche composti). Definizione: se n = p1^e1 * p2^e2 * ... * pk^ek allora:
(a/n) = (a/p1)^e1 * (a/p2)^e2 * ... * (a/pk)^ek
Per n primo: Jacobi = Legendre. Per n composto: (a/n) = 1 NON implica che a sia QR mod n. Esempio: (2/15) = (2/3)(2/5) = (-1)(-1) = 1 ma 2 non e QR mod 15. Tuttavia, Jacobi e calcolabile in O(log n) tramite reciprocita generalizzata, senza fattorizzare n. Usato in test di primalita Solovay-Strassen.
Calcolo efficiente del simbolo di Jacobi
Algoritmo iterativo basato su reciprocita generalizzata:
- Riduci a mod n.
- Se a = 0: (a/n) = 0 se n != 1, altrimenti 1.
- Estrai fattori 2 da a: ogni fattore 2 contribuisce con (2/n), che si calcola via n mod 8.
- Reciprocita: (a/n) = (n/a) * sign basato su a, n mod 4.
- Ripeti con (n mod a, a). Termina quando uno e 1.
Costo O(log min(a, n)). Notevolmente più veloce della fattorizzazione + Eulero per ogni fattore.
Radici primitive
Un intero g e radice primitiva mod n se l ordine di g in (Z/nZ)* e phi(n). Per p primo: phi(p) = p - 1. Esistenza: ogni p primo ha radici primitive (teorema di Gauss). Numero di radici primitive: phi(phi(n)). Test: g e radice primitiva mod p sse g^((p-1)/q) != 1 mod p per ogni primo q che divide p - 1.
Esempio: p = 7, p - 1 = 6 = 2 * 3. Verifica per g = 3: 3^3 mod 7 = 6 != 1, 3^2 mod 7 = 2 != 1. Quindi 3 e radice primitiva mod 7. Le radici primitive mod 7 sono {3, 5} (phi(6) = 2).
Applicazioni
- Crittografia: test di primalita (Solovay-Strassen, Miller-Rabin).
- RSA: scelta primi p, q con condizioni sui residui.
- Diffie-Hellman: scambio chiavi su gruppi ciclici (Z/pZ)*.
- Curve ellittiche: residuosita per punti di gruppo.
- Algoritmi di fattorizzazione: Quadratic Sieve usa relazione QR.
- Teoria dei codici: codici lineari su Z/pZ.
- Teoria delle equazioni: risoluzione x^2 = a mod p (Tonelli-Shanks).
- Generatori pseudorandom: Blum-Blum-Shub, basato su QR.
Calcolo radici quadrate modulari
Quando (a/p) = 1, esistono esattamente due x con x^2 = a mod p (x e p - x). Trovarle:
- Caso p = 3 mod 4 (semplice): x = a^((p+1)/4) mod p.
- Caso p = 5 mod 8: usa formula esplicita Tonelli.
- Caso p = 1 mod 8 (generale): algoritmo di Tonelli-Shanks, O(log^2 p).
Per p = 7 (3 mod 4): radici di 2 mod 7. Calcolare 2^((7+1)/4) = 2^2 = 4. Verifica: 4^2 = 16 = 2 mod 7. Altra radice: 7 - 4 = 3. Verifica: 3^2 = 9 = 2 mod 7. OK.
Storia
Eulero (1755): prime osservazioni sui residui quadratici, criterio di Eulero. Legendre (1798, Essai sur la theorie des nombres): introduce il simbolo (a/p) e formula la reciprocita quadratica come congettura. Gauss (1801, Disquisitiones Arithmeticae): prima dimostrazione rigorosa, ne fornira 8 dimostrazioni nella vita. Jacobi (1837): generalizzazione (a/n) per n composto. Eisenstein, Cauchy, Dirichlet: ulteriori dimostrazioni. Il teorema di reciprocita quadratica e considerato uno dei risultati più profondi della matematica del XIX secolo, generalizzato in classfield theory (Hilbert, Takagi, Artin).
Modalita del calcolatore
Cinque modalita: simbolo di Legendre (a/p) per p primo; simbolo di Jacobi (a/n) per n dispari; test diretto di residuo quadratico con elenco radici; conteggio totale QR e NR mod p; verifica candidato radice primitiva mod p. Output include metodo applicato, verifica numerica e proprietà strutturali.
Aggiornato a luglio 2026
Domande frequenti
Cos'e il simbolo di Legendre?
Cos'e un residuo quadratico?
Cos'e il criterio di Eulero?
Cos'e la legge di reciprocita quadratica?
Che differenza c'e fra simbolo di Jacobi e di Legendre?
Cos'e una radice primitiva?
A cosa serve nel test di primalita?
Dove si usa in crittografia?
Formula
Legendre: (a/p) = a^((p-1)/2) mod p (Euler). Reciprocity: (p/q)(q/p) = (-1)^((p-1)(q-1)/4). Jacobi: (a/n) = product (a/pi)^ei. Primitive root: ord(g) = phi(n).
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