Università di Bergamo Ingegneria Informatica Anno accademico 2008–2009 Algebra e Logica Matematica Esame del 30 Giugno 2009 Esercizio 1. Si considerı̀ la relazione di divisibilità | sull’insieme N. 1) Dimostrare che è una relazione di ordine. Ricordiamo che a|b se e solo se esiste k ∈ Z (qui in N) tale che b = ka. Verifichiamo le tre proprietà di una relazione di ordine. Riflessività Qualunque sia a ∈ N, abbiamo a = 1.a quindi a|a (il k della definizione è 1). La relazione è quindi riflessiva. Antisimmetria Qualunque siano a e b ∈ N tali che a|b e b|a, abbiamo che esistono k e ` ∈ Z tali che a = kb e b = `a, quindi a = k`a. Se a = 0 allora immediatamente b = 0 e quindi a = b. Se invece a 6= 0 allora k` = 1. La scomposizione di 1 in prodotto di primi è unica (come per tutti gli interi) ed è composta da 0 primi. Quindi nella decomposizione in prodotto di primi di k e ` non ci sono numeri primi; questo significa che k = ±1 e ` = ±1. Siccome a e b sono maggiori o uguali a 0, k = +1 e ` = +1, cioè a = b. La relazione è quindi antisimmetrica. Transitività Qualunque siano a, b e c ∈ N tali che a|b e b|c, esistono k ∈ Z e ` ∈ Z tali che a = kb e b = `c quindi a = k`c e quindi, siccome k` ∈ Z, a|c. La relazione è quindi transitiva. La relazione è quindi una relazione di ordine. 2) Quale proprietà la relazione | perde quando si cambia l’insieme da N a Z ? L’unico punto in cui abbiamo usato che gli elementi di N non erano negativi è nell’antisimmetria. Infatti abbiamo 1|−1, −1|1 ma 1 6= −1. Quindi perdiamo l’antisimmetria. Esercizio 2. 1) Scrivere una f.b.f D di un opportuno linguaggio del primo ordine una cui interpretazione sia (∀g)(∀h) g ∗ h = h ∗ g ⇒ (g ∗ h)−1 = g −1 ∗ h−1 . Ci servono un predicato A (l’uguaglianza) e due funzioni f (la stella) e g (l’inverso). Quindi D = (∀x)(∀y) A[f (x, y), f (y, x)] → A g[f (x, y)], f [g(x), g(y)] . 1 2) Trovare una interpretazione in cui la formula S = A21 (x, y) → ∃zA21 (f12 (x, z), f12 (z, y)). sia vera ed una in cui sia soddisfacibile ma non vera. Vera: Barando: A21 sempre vera, dominio e f12 qualsiasi. Invece senza barare: A21 può rappresentare < o 6, il dominio è N, Z, Q o R e f12 la somma (in questo caso lo z che si può scegliere è qualsiasi). Sodd: Bisogna avere un predicato che sia non sempre soddisfatto. Scegliamo come dominio N e per A21 la disuguaglianza stretta. Sappiamo già che se x > y l’ipotesi è falsa quindi l’implicazione vera. Rimane da fare un caso in qui l’ipotesi è vera e la tesi falsa. Siccome è un quanditicatore esistenziale, bisogna che f (x, z) < f (z, y) sia falso per ogni z. Scegliamo quindi f (x, y) = 0 costante. In questo modo la disuguaglianza è falsa per qualsiasi z (e qualsiasi x e y). 3) Determinare la forma di Skolem della chiusura universale di S e dire se la formula cosı̀ trovata è soddisfacibile (ovvero se esiste una interpretazione in cui è vera). La chiusura universale di S è S = (∀x)(∀y) A21 (x, y) → ∃zA21 (f12 (x, z), f12 (z, y)) . Per arrivare alla forma di Skolem basta portare il quantificatore all’esterno dell’implicazione e sostituirlo con una funzione: (∀x)(∀y)(∃z) A21 (x, y) → A21 (f12 (x, z), f12 (z, y)) . s S = (∀x)(∀y) A21 (x, y) → A21 (f12 (x, g(x, y)), f12 (g(x, y), y)) . Esiste sicuramente un’interpretazione in cui è soddisfacibile perché la messa in forma di Skolem conserva la soddisfacibilità. La stessa interpretazione in cui S era s soddisfacibile rende S soddisfacibile (anzi vera perché è chiusa). 4) Dire se la formula N = ∀zA21 (f12 (x, z), f12 (y, z)) → ¬A21 (x, y) è vera in ogni interpretazione. No, non è vera in qualsiasi interpretazione. Se prendiamo come interpretazione per A21 l’uguaglianza e un dominio qualsiasi (non vuoto), f12 qualsiasi allora N non è soddisfatta per le coppie (x, y) in cui y = x. Infatti l’ipotesi dell’implicazione si legge ∀zf (x, z) = f (x, z) che è vera mentre la tesi si legge x 6= x che è falsa. 2 Esercizio 3. 1) Risolvere l’equazione [6]9 [a]9 + [3]9 = [0]9 . Qui bisogna stare attenti al fatto che [6]9 non è invertibile. Invece [2]9 è invertibile, non è difficile vedere che l’inverso è [5]9 quindi l’equazione è equivalente a [30]9 [a]9 + [15]9 = [0]9 , cioè [3a + 6]9 = [0]9 . Dobbiamo avere quindi 3a + 6 = 9k e questo è verificato se e solo se a = −2 + 3k con k ∈ Z. 2) Dire se [127]2316 ammette un inverso per il prodotto. In caso affermativo, calcolarne uno. Tale inverso è unico ? Usiamo il metodo di Eulero per calcolare l’MCD e l’eventuale inverso: 2316 = 18 · 127 + 30 127 = 4 · 30 + 7 30 = 4 · 7 + 2 7= 3· 2+ 1 Quindi MCD(2316, 127) = 1 ciò significa che l’inverso esiste (ed è unico come tutti gli inversi) vale 1=7−3·2 = 7 − 3(30 − 4 · 7) = 13 · 7 − 3 · 30 = 13(127 − 4 · 30) − 3 · 30 = 13 · 127 − 55 · 30 = 13 · 127 − 55(2316 − 18 · 127) = 1003 · 127 − 55 · 2316. Quindi l’inverso di [127]2316 è [1003]2316 (e l’inverso di [2316]127 = [30]127 è [−55]127 = [72]127 ). Esercizio 4. Consideriamo il gruppo (G, ∗) dove G = R× × R e ∗ è la legge definita su G da (x, y) ∗(x0 , y 0 ) = (xx0 , xy 0 + y ). x0 1) Mostrare che (G, ∗) è effettivamente un gruppo. Verifichiamo le 4 proprietà di un gruppo. In ciascuno dei punti di cui sotto, (a, b), (c, d) e (e, f ) sono degli elementi di G, quindi a, b, c, d, e e f sono reali e a, c e e sono non nulli. 3 lci: (a, b) ∗ (c, d) = (ac, ad + cb ). Il secondo membro è reale (perché si può dividere per b) mentre il primo è reale e diverso da 0 (perché a e c sono diversi da 0). Quindi la legge è interna. assoc: b ∗ (e, f ) = ac, ad + c ad b = ace, acf + + e ce d (a, b) ∗ c, d) ∗ (e, f ) = (a, b) ∗ ce, cf + e ad b = ace, acf + + e ce = (a, b) ∗ (c, d) ∗ (e, f ) (a, b) ∗ (c, d) ∗ (e, f ) = ad + ace, acf + e b c ! Quindi la legge è associativa. neutro: Cerchiamo (e, f ) in modo tale che (a, b) ∗ (e, f ) = (e, f ) ∗ (a, b) = (a, b) per ogni (a, b) ∈ G. Da (a, b) ∗ (e, f ) = (a, b) viene (ae, af + eb ) = (a, b) per cui e = 1 (perché a 6= 0) e quindi f = 0 (sempre perché a 6= 0). Ovviamente (1, 0) ∈ G ed è immediato verificare che (a, b) ∗ (1, 0) = (a, b) e (1, 0) ∗ (a, b) = (a, b). Quindi il neutro esiste ed è (1, 0). inverso: Dato (a, b) cerchiamo (c, d) in modo tale che (a, b)∗(c, d) = (c, d)∗(a, b) = (1, 0). Abbiamo quindi (ac, ad + cb ) = (1, 0) che porta a c = a−1 e quindi ad + ab = 0 cioè d = −b (perché a 6= 0). È immediato verificare che (a−1 , −b) ∈ G e (a, b) ∗ (a−1 , −b) = (a−1 , −b) ∗ (a, b) = (1, 0). Quindi l’inverso di ogni elemento (a, b) esiste ed è (a−1 , −b). Quindi (G, ∗) è un gruppo. 2) Identificare il centro Z(G) di G. Il centro è costituito dagli elementi z ∈ G tali che per ogni g ∈ G valga g ∗ z = z ∗ g. Sia quindi (a, b) ∈ Z(G) e (x, y) ∈ G. Vogliamo b y ax, ay + = xa, xb + . x a La prima componente è effettivamente uguale per ogni a e ogni x. Invece b y 1 1 ay + = xb + ⇐⇒ y a − = x− b. x a a x 4 Prendendo (x, y) = (1, 1) viene a− a1 = 0 cioè a2 = 1 cioè a = ±1. Quindi x − x1 b = 0 e quindi, con x = 2 (o qualsiasi reale diverso da 0, 1 e −1) b = 0. Ora, (1, 0) è in neutro e quindi sta in Z(G) e (−1, 0) ∗ (x, y) = (−x, −y) (x, y) ∗ (−1, 0) = (−x, −y). Quindi Z(G) = {(1, 0); (−1, 0)}. 3) Mostrare che R× × {0}, {1} × R e Q× × Q sono dei sottogruppi di G. Lo svolgimento è lo stesso che per la domanda successiva. 4) Mostrare che per ogni k ∈ Z, il sottoinsieme 1 × x∈R Hk = x, k x − x è un sottogruppo abeliano di (G, ∗). Verifichiamo le 3 proprietà del sottogruppo più la commutatività della legge (quando ristretta a questo sottogruppo). non vuoto: Si può verificare che (1, 0) ∈ Hk (perché se x = 1, la seconda componente è uguale a 0) ma si può anche vedere che Hk ha un numero infinito di elementi. interno: Siano a e b ∈ Hk , quindi 1 1 a = x, k x − e b = y, k y − . x y Allora a ∗ b = xy, yk x − = xy, k yx − = xy, k xy − neutro: Sia 1 1 1 + ·k y− x x y y y 1 + − x x xy 1 ∈ Hk . xy 1 a = x, k x − ∈ Hk x allora a −1 1 = x , −k x − x 1 −1 −1 = x , −k −x x−1 1 −1 −1 = x , k x − −1 ∈ Hk . x −1 5 abeliano: Siano a e b ∈ Hk , quindi 1 a = x, k x − x 1 e b = y, k y − . y Allora a ∗ b = xy, k xy − b ∗ a = yx, k yx − = xy, k xy − 1 xy 1 yx 1 xy =a∗b Osservazione: la commutatività della legge era vera per i due sottogruppi {1} × R e R× × {0} ma non per Q× × Q.