La condición es necesaria: Supongamos que existe un entero x que resuelve x2≡a(modp). Por Fermat, sabemos que ap−1≡1(modp). Pero, por hipótesis, a es equiresidual con x2. Entonces, módulo p,
a(p−1)/2≡(x2)(p−1)/2=xp−1≡1(modp).
La condición es suficiente: Supongamos que a(p−1)/2≡1(modp), y tomemos una raíz primitiva g de p. Entonces a es equiresidual con alguna potencia de g --digamos con gi-- en la división entre p. Entonces, módulo p, 1≡x(p−1)/2≡(gi)(p−1)/2≡gi(p−1)/2. Es decir,1≡gi(p−1)/2. Ahora recordemos que, puesto que p es primo, el orden de g es p−1 --por definición de raíz primitiva. Así que, por teorema conocido, el exponente i(p−1)/2 es múltiplo de p−1. De aquí que i sea par --digamos i=2k. Es decir, gi=g2k=(gk)2, y hemos encontrado un cuadrado perfecto que es equiresidual con a en la división entre p. En otras palabras, a es residuo cuadrático de p.