Der Satz von Wilson

Satz 1658 (Satz von Wilson)

Eine natürliche Zahl p>1p>1 ist genau dann eine Primzahl, wenn
(p−1)!+1(p-1)! + 1
durch pp teilbar ist.
Mit Hilfe des Begriffes der Kongruenz kann man den Satz auch so formulieren:
(p−1)!≡−1(modp) (p-1)!\equiv-1\pmod p\, (1)

Beweis

Ist nn eine zusammengesetzte Zahl mit n=p⋅qn=p\cdot q, mit p,q>1p,q>1, so gilt p∣(n−1)!p|(n-1)!, und p∤(n−1)!+1p\nteiler (n-1)!+1 und somit n∤(n−1)!+1n\nteiler (n-1)!+1.
Bleibt zu zeigen, dass die Behauptung für Primzahlen gilt.
Der folgende Beweis beruht darauf, dass für ungerade Primzahlen pp die Menge (Z/pZ)×={1,2,3,…,p−1} (\mathbb{Z} {/}p \mathbb{Z})^{\times} = \{ 1, 2, 3, \dots, p-1 \} unter der Multiplikation modulo pp eine Gruppe bildet. Also existiert zu jedem a∈(Z/pZ)× a \in (\mathbb{Z} {/}p \mathbb{Z})^{\times} ein eindeutiges aˉ∈(Z/pZ)× \bar a \in (\mathbb{Z} {/}p \mathbb{Z})^{\times} mit a⋅aˉ≡1 (mod p) a \cdot \bar a \equiv 1 \, (\mathrm{mod}\, p) .
Denn tritt der Fall a≡aˉ (mod p) a \equiv \bar a \, (\mathrm{mod}\, p) auf, kann man beide Seiten der Kongruenz mit a multiplizieren und erhält a2≡1 (mod p) a^2 \equiv 1 \, (\mathrm{mod}\, p) , also a2−1=(a−1)(a+1)≡0 (mod p) a^2 - 1 = (a-1)(a+1) \equiv 0 \, (\mathrm{mod}\, p) .
Weil p eine Primzahl ist, folgt aber aus p∣(a−1)(a+1) p|(a-1)(a+1) unmittelbar p∣(a−1) p|(a-1) oder p∣(a+1) p|(a+1) , also a=1 a = 1 oder a=p−1 a = p-1 .
Nun zum eigentlichen Beweis:
Für p=2p = 2 (2∣1+12|1+1) oder p=3p = 3 (3∣2+13|2+1) ergibt sich der Satz durch nachrechnen. Also kann man im folgenden p≥5p\ge 5 annehmen.
Nun ist 1≡1 (mod p) 1 \equiv 1 \, (\mathrm{mod}\, p) und p−1≡−1 (mod p) p-1 \equiv -1 \, (\mathrm{mod}\, p) .
Für alle a∈N a \in \mathbb{N} mit 1<a<p−1 1 < a < p-1 gilt aber ggT(a,p)=1 \mathrm{ggT}(a,p) = 1 , weil pp eine Primzahl ist.
Also existiert ein eindeutiges aˉ∈N \bar a \in \mathbb{N} mit 1<aˉ<p−1 1 < \bar a < p-1 und a⋅aˉ≡1 (mod p) a \cdot \bar a \equiv 1 \, (\mathrm{mod}\, p) .
Durch Paarung dieser Reste modulo p erhält man:
∏a=2p−2a≡1 (mod p) \prod\limits_{a=2}^{p-2} a \equiv 1 \, (\mathrm{mod}\, p) , also (p−1)!=1⋅∏a=2p−2a⋅(p−1)≡−1 (mod p) (p-1)! = 1 \cdot \prod\limits_{a=2}^{p-2} a \cdot (p-1) \equiv -1 \, (\mathrm{mod}\, p) . □\qed

Bemerkungen

Primzahlen pp, bei denen (p−1)!+1(p-1)!+1 sogar durch p2p^2 teilbar ist, heißen Wilson-Primzahlen.
Ist allgemein nn eine beliebige natürliche Zahl, so gilt mit dem obigen Satz (n−1)!≡−1mod  n(n-1)!\equiv -1 \mod n falls nn prim ist.
Für n=4n=4 gilt (n−1)!≡2mod  n(n-1)!\equiv 2 \mod n und für alle zusammengesetzten Zahlen n>5n>5 gilt (n−1)!≡0mod  n(n-1)!\equiv 0 \mod n. Sie sind also stets Teiler von (n−1)!(n-1)!.
Ist also n>4n>4 und (n−1)!(n-1)! nicht durch nn teilbar, so ist nn eine Primzahl. Ist (n−1)!(n-1)! aber durch nn teilbar, so erhält man aus dem Satz von Wilson die Information, dass nn zusammengesetzt ist, ohne eine konkrete Faktorisierung n=abn=ab mit a,b≠1a,b\ne1 zu kennen. Allerdings ist der Rechenaufwand für die Fakultät nicht geringer als Probedivisionen.
 
 

Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott geschaffen, alles andere ist Menschenwerk.

Leopold Kronecker

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