设整数$ q>2 $.对任意与$ q $互素的整数$ a $, 存在唯一的整数$ b $满足$ 1\leq b\leq q $以及$ ab\equiv 1 (\bmod\ q) $. D. H. Lehmer [1]建议研究$ a $与$ b $的奇偶性不同的情形.当$ q = p $为奇素数时, 张文鹏[2]证明了
随后在文献[3, 4]中, 张文鹏还得到了渐近公式
其中$ \phi(q) $为Euler函数, $ d(q) $是除数函数.
设$ k $为非负整数.张文鹏[5]进一步证明了
此外设$ 0\leq x, y \leq 1 $, 文献[5]中还得到了
设实数$ l, \delta $满足$ l\geq0 $与$ 0<\delta\leq 1 $.王晓瑛与赵秋红在文献[6]中给出了渐近公式
设$ q, c, n $为整数, 满足$ n\geq 2 $, $ q\geq 3 $以及$ (n, q) = (c, q) = 1 $.设$ 0<\delta_1, \delta_2\leq 1 $.陆亚明与易媛[7]给出了D. H. Lemher问题的推广
本文进一步考虑D. H. Lemher问题在短区间的并集上的推广.主要结论如下.
定理1.1 设$ p $是奇素数, $ H>0 $, $ K>0 $, 并设$ I_1^{(j)} $, $ I_2^{(j)} $是$ (0, p) $的子区间, $ 1\leq j\leq J $, 满足$ |I_1^{(j)}| = H $, $ |I_2^{(j)}| = K $, 以及$ I_1^{(j)}\bigcap I_1^{(k)} = \emptyset $, 当$ j\neq k $时.设$ c $, $ n $为整数, 满足$ n\geq 2 $以及$ (n, p) = (c, p) = 1 $.则有
推论1.1 当$ J\gg \frac{p^{3}\log^{4}p}{H^{2}K^{2}} $时, 存在$ j\in \left\{ 1,2,\cdots ,J \right\} $, 使得方程$ x \in I_1^{(j)}, $ $ y \in I_2^{(j)}, $ $ xy\equiv c (\bmod\ p), $ $ n\nmid(x+y) $有解.
设$ p>2 $为素数, $ m $与$ n $为任意整数.经典的Kloosterman和的定义为
其中$ e(y) = \hbox{e}^{2\pi iy} $, $ \overline{a} $表示$ a $关于模$ p $的逆, 满足$ 1\leq \overline{a}\leq p-1 $以及$ a\overline{a}\equiv 1 (\bmod\ p) $.由文献[8]可得著名的上界估计$ K(m, n;p)\ll p^{\frac{1}{2}}(m, n, p)^{\frac{1}{2}}. $
Browning和Haynes [9]给出了短区间的并集上的Kloosterman和的某种估计式.
引理2.1 设$ p $是奇素数, $ H $为正整数, $ I_{1}, \cdots , I_{J} $是$ (0, p) $的互不相交的子区间, 且对任意$ j $满足$ H/2<|I_{j}|\leq H $.设整数$ l $与$ p $互素, 则有
为了证明本文的定理, 需要进一步考虑短区间的并集上的Kloosterman和的估计.
引理2.2 设$ p $是奇素数, $ H, n, s, l $为整数, 满足$ 1\leq H\leq p $, $ n\geq 2 $以及$ (n, p) = (l, p) = 1 $.则有
证 由剩余系的性质可得
再由Kloosterman和的经典估计, 可得
引理2.3 设$ p $是奇素数, $ I_1, \cdots, I_J\subseteq (0, p) $是互不相交的子区间, 且对任意的$ j $满足$ \frac{H}{2}<|I_j|\leq H $, 其中$ H\leq p $为正整数.设$ n, s, l $为整数, 满足$ n\geq 2 $以及$ (n, p) = (l, p) = 1 $.则有
证 利用引理2.2以及文献[9]中的方法, 不难证明引理2.3.为了完整起见, 在此给出详细的证明.
设$ R_{j} $为集合$ I_{j} $中的最小正整数, 并假设$ R_{1}<R_{2}<\cdot\cdot\cdot <R_{j} $.显然有$ R_{j+1}-R_{j}\geq \frac{H}{2} $.定义
容易证明
由$ 1\leq h\leq H $与$ R_{j}-H<r\leq R_{j} $, 可得
因此有
再由柯西不等式, 可得
对$ h $取最大值, 并对$ j $求和, 有
注意到$ R_{j+1}-R_{j}\geq \frac{H}{2} $, 易证
取正整数$ t $, 满足$ 2H\leq2^{t}\leq4H $.此时显然有$ t+1\leq4\log H $.对任意的$ 1\leq r\leq p $, 选择合适的正整数$ k = k(r)\leq2H $, 使得$ \mathop {\max }\limits_{1 \le h \le 2H} \left|S(r, h)\right| = \left|S(r, k)\right| $.记$ k = \sum\limits_{d \in D} {{2^{t - d}}} $, 其中$ D $是$ [0, t] $之间整数的某个集合, 因此
其中$ {v_{r, d}} = \sum\limits_{\begin{array}{*{20}{c}} {e \in D}\\ {e \in d} \end{array}} {{2^{d - e}} < {2^d}}. $
利用柯西不等式, 有
上式两边对$ r $求和, 并结合引理2.2, 有
结合(2.1)–(2.3)式, 立即可得
易证
由三角恒等式, 有
再由柯西不等式以及引理2.1可得
因此
另一方面, 由三角恒等式有
再由柯西不等式以及引理2.3可得
其中$ \left<\alpha\right> = \min\left(\{\alpha\}, 1-\{\alpha\}\right) $.记$ m = sp-ln $.则当$ s $取遍模$ n $的完全剩余系, $ l $取遍模$ p $的简化剩余系时, $ m $取遍模$ np $的完全剩余系中与$ p $互素的整数.因此
结合(3.1)–(3.4)式, 立即可得
定理1.1证毕.