Quaestiones ex arithmetica sublimiori saepenumero phaenomenon singulare offerunt, quod in analysi longe rarius occurrit, atque ad illarum illecebras augendas multum confert. Dum scilicet in disquisitionibus analyticis plerumque ad veritates novas pertingere non licet, nisi prius principiis, quibus innituntur quaeque ad eas viam quasi patefacere debent, penitus potiti simus: contra in arithmetica frequentissime per inductionem fortuna quadam inopinata veritates elegantissimae novae prosiliunt, quarum demonstrationes tam profunde latent tantisque tenebris obvolutae sunt, ut omnes conatus eludant, acerrimisque perscrutationibus aditum denegent. Tantus porro adest tamque mirus inter veritates arithmeticas, primo aspectu maxime heterogeneas, nexus, ut haud raro, dum longe alia quaerimus, tandem ad demonstrationem tantopere exoptatam longisque antea meditationibus frustra quaesitam longe alia via quam qua exspectata fuerat felicissime perveniamus. Plerumque autem huiusmodi veritates eius sunt indolis, ut pluribus viis valde diversis adiri queant, nec semper viae brevissimae sint, quae primo se offerunt. In magno itaque certe pretio habendum erit, si, tali veritate longe incassum ventilata, dein demonstrata quidem sed per ambages abstrusiores, tandem viam simplicissimam atque genuinam detegere contigerit.
Inter quaestiones, de quibus in art. praec. diximus, locum insignem tenet theorema omnem fere theoriam residuorum quadraticorum continens, quod in Disquisitionibus arithmeticis (Sect. IV) theorematis fundamentalis nomine distinctum est. Pro primo huius elegantissimi theorematis inventore ill. Legendre absque dubio habendus est, postquam longe antea summi geometrae Euler et Lagrange plures eius casus speciales iam per inductionem detexerant. Conatibus horum virorum circa demonstrationem enumerandis hic non immoror; adeant quibus volupe est opus modo commemoratum. Adiicere liceat tantummodo, in confirmationem eorum, quae in art. praec. prolata sunt, quae ad meos conatus pertinent. In ipsum theorema proprio marte incideram anno 1795, dum omnium, quae in arithmetica sublimiori iam elaborata fuerant, penitus ignarus et a subsidiis literariis omnino praeclusus essem: sed per integrum annum me torsit, operamque enixissimam effugit, donec tandem demonstrationem in Sectione quarta operis illius traditam nactus essem. Postea tres aliae principiis prorsus diversis innixae se mihi obtulerunt, quarum unam in Sectione quinta tradidi, reliquas elegantia illa haud inferiores alia occasione publici iuris faciam. Sed omnes hae demonstrationes, etiamsi respectu rigoris nihil desiderandum relinquere videantur, e principiis nimis heterogeneis derivatae sunt, prima forsan excepta, quae tamen per ratiocinia magis laboriosa procedit, operationibusque prolixioribus premitur. Demonstrationem itaque genuinam hactenus haud affuisse non dubito pronunciare: esto iam penes peritos iudicium, an ea, quam nuper detegere successit, quamque pagellae sequentes exhibent, hoc nomine decorari mereatur.
Theorema. Sit
numerus primus positivus;
integer quicunque per
non divisibilis;
Capiantur residua minima positiva productorum ex
in singulos numeros
secundum modulum
, quae manifesto omnia diversa erunt, atque partim ad
partim ad
pertinebunt. Iam si ad
omnino
residua pertinere supponantur, erit
vel residuum vel non-residuum quadraticum ipsius
, prout
par est vel impar.
Dem. Sint residua ad
pertinentia haec
,
,
, reliqua ad
pertinentia
,
,
, patetque posteriorum complementa
,
,
cuncta a numeris
,
,
diversa esse, cum his vero simul sumta complexum
explere. Habemus itaque
Productum posterius autem manifesto fit
Hinc erit
sive
, prout
par est vel impar, unde theorema nostrum protinus demanat.
Ratiocinia sequentia magnopere abbreviare licebit per introductionem quarundam designationum idonearum. Exprimet igitur nobis character
multitudinem productorum ex his
quorum residua minima positiva secundum modulum
huius semissem superant. Porro existente
quantitate quacunque non integra, per signum
exprimemus integrum ipsa
proxime minorem, ita ut
semper fiat quantitas positiva intra limites
et 1 sita. Levi iam negotio relationes sequentes evolventur:
I.
.
II.
, quoties
est integer.
III. ![{\textstyle [x]+[h-x]=h-1}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/44ff73313ff0f6e099a616e05a092c928b1bdd21)
IV. Si
est fractio minor quam
, erit
; si vero
est maior quam
, erit
.
V. Iacente itaque residuo minimo positivo integri
secundum modulum
infra
, erit
; iacente autem residuo illo ultra
, erit
.
VI. Hinc statim sequitur
VII. Ex VI. et I. nullo negotio derivatur
Unde sequitur,
vel eandem vel oppositam relationem ad
habere (quatenus huius residuum aut non-residuum quadraticum est) ut
, prout
vel formae
fuerit, vel formae
. In casu priori manifesto
residuum, in posteriori non-residuum ipsius
erit.
VIII. Formulam in VI. traditam sequenti modo transformabimus. Per III. fit
Applicando hasce substitutiones ad
membra ultima seriei superioris in illa expressione, habebimus
primo, quoties
est formae
secundo, quoties
est formae
IX. Pro casu speciali
e formulis modo traditis sequitur
, sumendo signum superius vel inferius, prout
est formae
vel
. Erit itaque
par, adeoque
, quoties
est formae
vel
; contra erit
impar atque
, quoties
est formae
vel
.
Theorema. Sit
quantitas positiva non integra, inter cuius multipla
,
,
usque ad
nullum fiat integer; ponatur
, unde facile concluditur, etiam inter multipla quantitatis reciprocae
,
,
usque ad
integrum non reperiri. Tum dico fore
Dem. Seriei
, quam ponemus
, membra prima usque ad
inclus. manifesto omnia erunt
; sequentia usque ad
cuncta
; sequentia usque ad
cuncta
et sic porro. Hinc fit
Q. E. D.
Theorema. Designantibus
,
numeros positivos impares inter se primos quoscunque, erit
Demonstr. Supponendo, quod licet,
, erit
minor quam
, sed maior quam
, adeoque
. Hinc patet, theorema praesens ex praec. protinus sequi, statuendo illic
,
, adeoque
. Ceterum simili modo demonstrari potest, si
fuerit numerus par ad
primus, fore
At huic propositioni ad institutum nostrum non necessariae non immoramur.
Iam ex combinatione theorematis praec. cum propos. VIII. art. 4. theorema fundamentale protinus demanat. Nimirum denotantibus
,
numeros primos positivos inaequales quoscunque, et ponendo
per VIII. art. 4. patet,
et
semper fieri numeros pares. At per theorema art. 6. erit
Quoties igitur
par evadit, quod fit, si vel uterque
,
vel saltem alteruter est formae
, necessario
et
vel ambo pares vel ambo impares esse debent. Quoties autem
impar est, quod evenit, si uterque
,
est formae
, necessario alter numerorum
,
par, alter impar esse debebit. In casu priori itaque relatio ipsius
ad
et relatio ipsius
ad
(quatenus alter alterius residuum vel non-residuum est) identicae erunt, in casu posteriori oppositae. Q. E. D.