合同式とモジュロ演算:余りの計算と割り算ができる条件
を で割った余りは です。 も も、 で割れば余りは 。余りだけを見る立場では、この 3 つを区別しません。
同じ余りになる 2 数を と書きます。定義は、差の が の倍数だということ。
で割った余りは から の 5 通りしかありません。整数をこの 5 か所に振り分けたものが、 を法とする世界です。
足し算とかけ算は先に余りにしてよい
かつ なら、 と が成り立つ。大きな数のまま計算せず、先に余りへ落としてよい。
を で割った余りを求めます。、 です。
で、確かに余りは 。かけ算を先にすると 5 桁になるところが、 で済みました。
引き算も通る。 で、 だから です。
かけ算の表を並べる
から までの積を で割った余りと、 から までの積を で割った余りを並べます。

の表では、 の行を除いてどの行にも が 1 度ずつ現れる。 の表はそうなりません。
割り算ができる相手、できない相手
です。 をかけて に戻す数が だから、 を法とする世界で で割ることは、 をかけることと同じになる。
を法とすると事情が変わる。 の行は 、、、 の 4 つだけで、 がどこにも現れません。
を満たす がないため、 で割るという操作そのものが置けない。
でない 2 つをかけて になる
を法とすると です。 は ではないのに、2 つかけると に落ちる。
を法とすれば 。実数では、 ならば か のどちらかが でした。余りの世界では違います。
こうなるのは法が素数でないときに限られます[1]。法が合成数なら と分けられ、その と をかけた時点で に落ちる。
割り算ができる条件
で割れるかどうかは、 を満たす があるかどうかで決まる。
とは、 が の倍数だということ。 と置けば、次の形に直せます。
この式に整数解があるのは、 と が互いに素なときに限ります[2]。
両方の向きを確かめます。 が成り立つなら、 と の公約数は左辺を割るため も割る。だから公約数は だけ。
逆に と が互いに素なら、互除法を逆にたどれば の形に届きます。
例:互除法で の相手を見つける
を解きます。まず と に互除法をあてる。
余りが になったため、 と は互いに素です。ここから逆にたどる。
は の倍数だから に落ち、 が残る。 だから です。
で、確かに に戻りました。
法が素数なら 以外はすべて割れる
を素数とし、 とします。 と の最大公約数は の約数だから、 か のどちらか。
は より小さいため では割れません。残るのは だけで、 と は互いに素になる[2]。
を法とすると、かけて になる数はこう並びます。
から まで、どれにも相手がいる。法が素数なら、 以外のどれでも割り算ができる。
例: を解く
とかけて になるのは です。両辺に をかける。
、 を使いました。 なので、確かに に戻ります。
を法として、 とかけて になる数はどれですか。
- そういう数はない
解が 個にも 3 個にもなる
には解がありません。 と直すと、左辺は偶数で右辺は奇数だから。
原因は、 と の最大公約数が で、 を割れないところです。
のほうは解が 3 つある。、、 のどれでも成り立つ。
と の最大公約数は で、右辺の を割る。両辺と法を で割った からは に決まり、これを の中で数え直すと 3 つに分かれる。
1 次方程式の感覚では、解は 1 つに決まるものでした。余りの世界では 個にも複数にもなります。

と は互いに素なので、 ずつ進むと か所すべてを通る。途中に が現れるため、 で割ることもできる。
と の最大公約数は です。 ずつ進むと 、、 の 3 か所で閉じてしまい、 を踏みません。
を法として、 を満たす整数 はどれですか。
- そういう はない
と の最大公約数は です。 と直すと左辺は の倍数、右辺は で、等号が成り立ちません。 の余りは 、、、、 の 5 通りだけで、 はその中にない。
記号の由来
を持ちこんだのはガウスで、1801 年の Disquisitiones Arithmeticae の第 1 節にあたります[3]。
その第 2 条で記号を導入し、 と を例に挙げている。負の数でも同じように使えることを、最初の例で見せています。
同じ場所の注に、選んだ理由も書いてある。等式と合同のあいだにある類似が大きいから、この記号にしたということ。
ルジャンドルは等号そのものを合同の意味で使っていました。ガウスは、等号のままではあいまいになるとして に替えたと述べています。
足し算と引き算とかけ算は、法がいくつでも通る。割り算だけが相手を選び、その相手を決めているのは法との最大公約数です。












4×7=28=27+1 で 28≡1(mod9) です。4 と 9 の最大公約数が 1 なので、相手はかならず見つかります。2 では 8、5 では 20≡2 にしかなりません。