a,b,n,x,yを正の整数、x,yはnと互いに素であるとします
nの倍数をaで割った商がx、余りがy
nの倍数をbで割った商がy、余りがxになるとき
(ab-1)がnの倍数になることに気づきました
例えば
11を4で割った商は2、余りは3
11を3で割った商は3、余りは2で
(4×3-1)は11なので、11の倍数になっています
証明します
nの倍数をaで割った商がx、余りがy
nの倍数をbで割った商がy、余りがx
を式にすると
ax+y=0(mod n)
by+x=0(mod n)
となります
y=-ax(mod n)をby+x=0(mod n)に代入すると
b(-ax)+x=0(mod n)
つまり
abx-x=0(mod n)
となるので両辺をxで割ると
ab-1=0(mod n)
になり、(ab-1)がnの倍数になることが示せました
また
ax+y=0(mod n)
by+x=0(mod n)
ならば
ax+y=by+x(mod n)
なのでこれを式変形すると
(a-1)x=(b-1)y(mod n)
となり、(b-1)がnと互いに素ならば
(a-1)/(b-1)=y/x(mod n)
が成立します
11を2から10の数で割った、商と余りを並べてみます
11÷2=5あまり1
11÷3=3あまり2
11÷4=2あまり3
11÷5=2あまり1
11÷6=1あまり5
11÷7=1あまり4
11÷8=1あまり3
11÷9=1あまり2
11÷10=1あまり1
これをab-1=0(mod n)となるような組に並べ替えると
11÷2=5あまり1 11÷6=1あまり5
11÷3=3あまり2 11÷4=2あまり3
11÷5=2あまり1 11÷9=1あまり2
11÷7=1あまり4 11÷8=1あまり3
11÷10=1あまり1 11÷10=1あまり1
となり、7,8の組以外は商と余りがひっくり返ったものになっています
また
2,6の組の商と余りに1,5
3,4の組の商と余りに2,3
と、割る数より1小さい数の組が商と余りになっているものがあります
これは上に書いた
(a-1)/(b-1)=y/x(mod n)
が成立しているからです
5,9の組の商と余りが1,2 なのは
(5-1)/(9-1)=4/8=1/2
という分数の約分に対応しています
5で割った商が8、余りが4になるような数は
44(=8×5+4)と11より大きいので
(5-1)/(9-1)が約分でき分母と分子が小さくなるから、11でも5,9で割った商と余りがひっくり返ったものになると言えます
7,8の組の商と余りはひっくり返ったものになっていませんが
55÷7=7あまり6 55÷8=6あまり7
と、11の倍数の55では商と余りは対応し、7,8より1小さい6,7 が商と余りになっています
11÷7=1あまり4 11÷8=1あまり3
22÷7=3あまり1 22÷8=2あまり6
33÷7=4あまり5 33÷8=4あまり1
44÷7=6あまり2 44÷8=5あまり4
55÷7=7あまり6 55÷8=6あまり7
と11の倍数を割ったものを並べると
11の倍数を7で割ったときの商と余りをひっくり返したものが
他の11の倍数を8で割ったときの商と余りになっていることが分かります
商と余りについての素朴な内容ですが、楽しいなと思います
以上です お読みいただきありがとうございました!
2020/7/28追記
定義に誤りがあったので修正しました 主張自体は変わっていません