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[Python] 借助图形化界面探索模m运算的规律

背景 模运算这件事,看起来简单,但背后藏着不少有趣的规律。如果能把这些规律用图形化的方式展示出来,理解起来就会直观得多。受《A Friendly Introduction to Number Theory》第9章(Congruences, Powers, and Fermat’s Little Th

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    背景

    模运算这件事,看起来简单,但背后藏着不少有趣的规律。如果能把这些规律用图形化的方式展示出来,理解起来就会直观得多。受《A Friendly Introduction to Number Theory》第9章(Congruences, Powers, and Fermat’s Little Theorem)的启发,这里借助图形化界面来探索模 mm 运算的规律。本文只关心 mm 是质数的情况,并提供一套Python代码,用来观察 an(modp)a^n \pmod{p} 的分布规律,目前这套代码支持20以内的所有质数。

    正文

    当然,光看公式和定理,有时候会觉得隔着一层纱。所以,打算用Python写一个图形化工具,把模运算的结果直接“画”出来,这样看起来就清楚多了。工具的开发思路是:用网格来展示所有可能的 aa 和 nn 组合,然后在每个格子里显示对应的 an mod pa^n \bmod{p} 计算结果。和常见的纯数学推导不同,这种方式能直观地看到一些隐藏的模式,比如对称性、周期性,甚至是费马小定理的身影。

    代码

    借助豆包和trae,写了一个Python脚本,代码如下。这份代码在之前的文章([Python] 费马小定理)中也分享过,不过这次做了一些调整和优化。

    import pygame
    # ===================== 1. 初始化配置 =====================
    pygame.init()
    # 可选的质数 p 列表
    PRIMES = [2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19]
    # 初始选中的 p(默认 None,未选择)
    selected_p = None
    # 基础窗口设置(自适应大小,最小600x600)
    MIN_WIDTH, MIN_HEIGHT = 650, 650
    screen = pygame.display.set_mode((MIN_WIDTH, MIN_HEIGHT), pygame.RESIZABLE)
    pygame.display.set_caption("a^n mod p visualization tool")
    # 颜色配置
    WHITE = (255, 255, 255)
    BLACK = (0, 0, 0)
    GRAY = (200, 200, 200)
    BLUE = (60, 130, 220)    # 按钮颜色
    LIGHT_BLUE = (140, 190, 240)
    RED = (220, 60, 60)     # 标题颜色
    GREEN = (50, 180, 50)   # 结果文字颜色
    DARK_BLUE = (30, 80, 180) # a/n标签颜色
    def get_fonts(cell_size):
        """根据单元格大小动态调整字体"""
        base_size = max(10, int(cell_size * 0.55))
        font_grid = pygame.font.SysFont("Arial", base_size)
        font_an = pygame.font.SysFont("Arial", base_size)
        return font_grid, font_an
    font_btn = pygame.font.SysFont("Arial", 24)
    font_label = pygame.font.SysFont("Arial", 26)
    def calc_pow(a, n, p):
        """calc a**n mod p"""
        if n == 0:
            return 1
        temp = calc_pow(a, n // 2, p)
        if n % 2 == 0:
            return (temp * temp) % p
        return (temp * temp * a) % p
    # ===================== 2. 按钮绘制与点击判断 =====================
    def draw_buttons():
        """绘制顶部的p选择按钮"""
        btn_width, btn_height = 60, 40
        start_x = 20
        start_y = 20
        spacing = 10
        for i, p in enumerate(PRIMES):
            btn_x = start_x + i * (btn_width + spacing)
            btn_rect = pygame.Rect(btn_x, start_y, btn_width, btn_height)
            # 选中的按钮变色
            color = LIGHT_BLUE if p == selected_p else BLUE
            pygame.draw.rect(screen, color, btn_rect, border_radius=5)
            # 按钮文字
            text = font_btn.render(f"p={p}", True, WHITE)
            text_rect = text.get_rect(center=btn_rect.center)
            screen.blit(text, text_rect)
    def get_clicked_p(mouse_pos):
        """判断点击了哪个p按钮,返回对应的p值"""
        btn_width, btn_height = 60, 40
        start_x = 20
        start_y = 20
        spacing = 10
        for i, p in enumerate(PRIMES):
            btn_x = start_x + i * (btn_width + spacing)
            btn_rect = pygame.Rect(btn_x, start_y, btn_width, btn_height)
            if btn_rect.collidepoint(mouse_pos):
                return p
        return None
    def resize_window(p):
        """根据选择的p自动调整窗口大小"""
        cell_size = min(70, (MIN_WIDTH - 120) // p)
        _, font_an = get_fonts(cell_size)
        max_num_str = str(p)
        max_label_width = font_an.size(max_num_str)[0]
        label_space = max_label_width + 10
        needed_width = cell_size * p + label_space + 60
        needed_height = 120 + cell_size * p + label_space + 60
        needed_width = max(needed_width, MIN_WIDTH)
        needed_height = max(needed_height, MIN_HEIGHT)
        return pygame.display.set_mode((needed_width, needed_height), pygame.RESIZABLE)
    # ===================== 3. 网格绘制(显式标注a和n的值) =====================
    def draw_grid(p):
        """绘制a-n网格,显式展示a、n和a^n mod p的值"""
        if p is None:
            tip = font_label.render("Please select p value", True, RED)
            screen.blit(tip, (screen.get_width()//2 - tip.get_width()//2, 100))
            return
        cell_size = min(70, (screen.get_width() - 120) // p)
        font_grid, font_an = get_fonts(cell_size)
        max_num_str = str(p)
        max_label_width = font_an.size(max_num_str)[0]
        label_space = max_label_width + 10
        total_grid_width = cell_size * p + label_space
        grid_start_x = (screen.get_width() - total_grid_width) // 2 + label_space
        grid_start_y = 120 + label_space
        grid_start_x = (screen.get_width() - total_grid_width) // 2 + label_space
        grid_start_y = 120 + label_space
        # -------- 1. 绘制坐标轴标题 --------
        n_title = font_label.render("n →", True, DARK_BLUE)
        n_title_x = grid_start_x + (cell_size * p) // 2
        n_title_y = 85
        screen.blit(n_title, (n_title_x - n_title.get_width()//2, n_title_y))
        a_title = font_label.render("a ↓", True, DARK_BLUE)
        a_title_x = (screen.get_width() - total_grid_width) // 2 - 25
        a_title_y = grid_start_y + (cell_size * p) // 2
        screen.blit(a_title, (a_title_x, a_title_y - a_title.get_height()//2))
        # -------- 2. 绘制顶部:显式展示所有 n 的值(横坐标) --------
        for i in range(p):
            n = i + 1
            x = grid_start_x + i * cell_size + cell_size//2
            y = grid_start_y - label_space//2
            n_text = font_an.render(str(n), True, DARK_BLUE)
            n_rect = n_text.get_rect(center=(x, y))
            screen.blit(n_text, n_rect)
        # -------- 3. 绘制左侧:显式展示所有 a 的值(纵坐标) --------
        for a in range(p):
            x = grid_start_x - label_space//2
            y = grid_start_y + a * cell_size + cell_size//2
            a_text = font_an.render(str(a), True, DARK_BLUE)
            a_rect = a_text.get_rect(center=(x, y))
            screen.blit(a_text, a_rect)
        # -------- 4. 绘制网格主体 + 计算结果 --------
        for i in range(p):
            n = i + 1
            for a in range(p):
                x = grid_start_x + i * cell_size
                y = grid_start_y + a * cell_size
                cell_rect = pygame.Rect(x, y, cell_size, cell_size)
                pygame.draw.rect(screen, BLACK, cell_rect, 1)
                val = calc_pow(a, n, p)
                val_text = font_grid.render(str(val), True, GREEN)
                val_rect = val_text.get_rect(center=cell_rect.center)
                screen.blit(val_text, val_rect)
    # ===================== 4. 主循环 =====================
    running = True
    while running:
        screen.fill(WHITE)
        # 绘制按钮
        draw_buttons()
        # 绘制网格(含显式a/n标注)
        draw_grid(selected_p)
        # 事件处理
        for event in pygame.event.get():
            # 关闭窗口
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False
            # 鼠标点击事件
            if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
                mouse_pos = pygame.mouse.get_pos()
                # 获取点击的p值
                clicked_p = get_clicked_p(mouse_pos)
                if clicked_p is not None:
                    selected_p = clicked_p
                    screen = resize_window(selected_p)
        # 刷新界面
        pygame.display.flip()
    pygame.quit()
    

    将以上代码保存为 show_mod_pow.py,然后用命令 python3 show_mod_pow.py 就可以运行。启动后的效果如下:

    选择不同的 pp 值,就能看到 an mod pa^n \bmod{p} 的计算结果。以 p=5p=5 为例,效果如下:

    探索

    有了这个可视化工具,就可以开始“玩”了。以 p=2,3,5,7p=2,3,5,7 的情况为例,探索出了一些有趣的规律。为了方便查看,把 p=2,3,5,7p=2,3,5,7 的四张图合并到了一起。

    规律一: a2a^2 分布对称

    第一个规律是:a2a^2 的分布是对称的。具体来说,对满足 0<a<p0 < a < p 的 aa 而言,a2≡(p−a)2(modp)a^2 \equiv (p-a)^2 \pmod{p}。

    这个规律不难证明。展开 a2−(p−a)2a^2 - (p-a)^2,得到 −p2+2pa-p^2 + 2pa,显然能被 pp 整除。所以 a2≡(p−a)2(modp)a^2 \equiv (p-a)^2 \pmod{p} 成立,而且这里 aa 可以是任意整数。

    规律二: a2ka^{2k} 分布对称

    第二个规律是:a2ka^{2k} 的分布也是对称的。对满足 0<a<p0 < a < p 的 aa 而言,a2k≡(p−a)2k(modp)a^{2k} \equiv (p-a)^{2k} \pmod{p}(kk 是任意正整数)。

    这个规律可以在规律一的基础上证明。把 kk 个 a2≡(p−a)2(modp)a^2 \equiv (p-a)^2 \pmod{p} 的等式乘在一起,就能得到 a2k≡(p−a)2k(modp)a^{2k} \equiv (p-a)^{2k} \pmod{p}。

    规律三: a2k−1a^{2k-1} + (p−a)2k−1≡0(modp)(p-a)^{2k-1} \equiv 0 \pmod{p}

    第三个规律是:对满足 0<a<p0 < a < p 的 aa 而言,a2k−1+(p−a)2k−1≡0(modp)a^{2k-1} + (p-a)^{2k-1} \equiv 0 \pmod{p}(kk 是任意正整数)。

    这个规律可以用二项式定理来证明。令 K=2k−1K=2k-1,展开 aK+(p−a)Ka^K + (p-a)^K,由于 KK 是奇数,aKa^K 和 (−a)K(-a)^K 会互相抵消,剩下的每一项都包含因子 pp,所以整个和能被 pp 整除。证毕。

    规律四: 费马小定理

    第四个规律就是大名鼎鼎的费马小定理:对满足 0<a<p0 < a < p 的 aa 而言,ap−1≡1(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}。

    规律五: ap≡a(modp)a^p \equiv a \pmod{p}

    第五个规律是:对满足 0≤a<p0 \le a < p 的 aa 而言,ap≡a(modp)a^p \equiv a \pmod{p}。

    这个规律的证明很简单:如果 a=0a=0,显然成立;如果 0<a<p0 < a < p,由费马小定理 ap−1≡1(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p},两边乘以 aa,即得 ap≡a(modp)a^{p} \equiv a \pmod{p}。

    规律六: 最后一行是 11 和 p−1p-1 交替出现

    第六个规律是:最后一行(即 a=p−1a=p-1 的那一行)是 11 和 p−1p-1 交替出现。即,对任意自然数 kk,(p−1)2k+1≡−1(modp)(p-1)^{2k+1} \equiv -1 \pmod{p},(p−1)2k≡1(modp)(p-1)^{2k} \equiv 1 \pmod{p}。

    证明思路:先验证 k=0k=0 时成立,然后利用 (p−1)≡−1(modp)(p-1) \equiv -1 \pmod{p} 这个基础,将 p−1p-1 或 −1-1 反复乘到等式两边,就可以得到 (p−1)2(p-1)^2、(p−1)3(p-1)^3 等结果,本质上就是数学归纳法。

    参考资料

    • A Friendly Introduction to Number Theory 中的第 99 章 (Congruences, Powers, and Fermat’s Little Theorem)
    • 关于费马小定理的更多介绍,可以参考另一篇文章:[Python] 费马小定理
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