2 novembre 2011

Teoria dei numeri e Crittografia: lezione del 2 novembre 2011
Congruenze aritmetiche.
Ricordiamo la teoria delle congruenze aritmetiche.
La nozione di divisore (e simmetricamente quella di multiplo) si estende facilmente dall’insieme N
dei numeri naturali all’insieme Z dei numeri interi relativi: dati gli interi relativi a,bZ si dice che a
è divisore di b (o che b è multiplo di a) e si scrive ab, se esiste un intero relativo cZ tale che
ac=b.
Fissato un intero relativo m (detto modulo), e dati i numeri interi relativi a,b, diremo che a è
congruo b modulo m (e scriveremo ab (mod m)) se m(a-b).
In questo modo definiamo nell’insieme Z degli interi relativi una relazione, detta appunto
congruenza modulo m, che è una relazione di equivalenza (come si dimostra facilmente).
Poiché è facile verificare che la congruenza modulo m coincide con la congruenza modulo –m,
possiamo limitarci a studiare il caso di m0.
Poiché inoltre sono banali i casi m=0 (la congruenza modulo 0 non è altro che la relazione di
eguaglianza) ed m=1 (nella congruenza modulo 1 tutti gli interi sono congrui fra loro) ci limiteremo
a studiare il caso m>1.
Per ogni aZ si può costruire la classe di equivalenza rappresentata da a (detta classe di
congruenza modulo m rappresentata da a):
[a] m = { xZ / xa (mod m) } = { xZ / x-a=km, con kZ } = { xZ / x=a+km, con kZ }
(se non vi è possibilità di equivoco sul modulo m, useremo semplicemente il simbolo [a])
Per la teoria generale delle relazioni di equivalenza, dati a,bZ si ha [a]=[b] ab (mod m), e
inoltre le classi di congruenza modulo m formano una partizione dell’insieme Z .
Teorema.
Fissato il modulo m>1, le classi di congruenza modulo m distinte sono tutte e sole le seguenti:
[0], [1], ……, [m-1] (*)
Dimostrazione:
Le classi (*) sono distinte: se per assurdo fosse [a]=[b] con 0b<a<n, si avrebbe ab (mod m),
dunque 0<a-b<m sarebbe un multiplo di m (contraddizione).
Per ogni aZ la classe di congruenza [a] coincide con una delle classi (*): infatti se a>0 allora,
dividendo a per m con quoziente q e resto r si ha a=mq+r , a-r=mq, ar (mod m), [a]=[r], con r
compreso fra i valori 0,1,…,m-1; se invece a<0 allora, dividendo (-a) per m con quoziente q e resto
r si ha -a=mq+r , a-(m-r)=m(-q-1), am-r (mod m), [a]=[m-r], con m-r compreso fra 1,…,m-1 (se
r>0) oppure (se r=0) con [a]=[m]=[0].
Poiché 0,1,…,m-1 sono i possibili resti delle divisioni per m, le classi di congruenza modulo m sono
anche dette classi resto modulo m, e il loro insieme è indicato con Zm : per il Teorema precedente
si ha Zm = { [0], [1], ……, [m-1] }, e la cardinalità di Zm è uguale al modulo m.
Nella dimostrazione del Teorema, per ogni intero relativo aZ si è costruito un (unico) intero t
compreso fra i valori 0,1,…,m-1 tale che [a]=[t] (o equivalentemente tale che at (mod m)): tale t è
detto riduzione modulo m dell’intero a ed è indicato con amodm.
Se in particolare a è un numero naturale, un algoritmo per il calcolo della sua riduzione modulo m è
indicato nella dimostrazione del Teorema: basta dividere a per m e considerare il resto r=amodm
(algoritmo, come sappiamo, di complessità quadratica).
Compatibilità della congruenza con somma e prodotto di interi.
Fissato il modulo intero m>1, e comunque dati gli interi relativi a,b,c,d , da:
ab (mod m), cd (mod m)
seguono sempre:
a+cb+d (mod m) (compatibilità della congruenza rispetto alla somma)
acbd (mod m)
(compatibilità della congruenza rispetto al prodotto)
Infatti da m(a-b), m(c-d) si ha che esistono interi relativi h,k tali che a-b=hm, c-d=km da cui:
(a+c)-(b+d)=(h-k)m
ac-bd=a(c-d)+d(a-b)=(ak+dh)m
e si hanno le tesi m(a+c)-(b+d), mac-bd.
In particolare, comunque fissato un intero relativo y , da ab (mod m) seguono sempre:
a+yb+y (mod m)
ayby (mod m)
(basta ricordare che per la proprietà riflessiva si ha yy (mod m))
Congruenze di primo grado ad una incognita.
Fissato il modulo m>1 e i numeri interi relativi a,b, poniamoci il problema di trovare (se esistono)
tutti e soli gli interi relativi x tali che axb (mod m) . Diremo anche che tali valori x sono le
soluzioni della congruenza axb (mod m) di primo grado nell’incognita x.
Sostituendo eventualmente a con amodm (la sua riduzione modulo m) otteniamo una congruenza
equivalente (per la compatibilità della congruenza rispetto alla somma e al prodotto), dunque
possiamo ricondurci sempre al caso in cui a 0 (ed anche a<m). Per evitare casi banali supporremo
anche a>0 (se a=0 ovviamente la congruenza ha per soluzione ogni intero relativo se b0 (mod m),
o in caso contrario non ha soluzioni).
Vediamo quando una soluzione della congruenza di primo grado esiste:
Teorema.
Fissato il modulo m>1 e i numeri interi relativi a,b, con a>0, e posto d=mcd(a,m):
esiste una soluzione x della congruenza axb (mod m)  d é divisore di b.
Dimostrazione:
(): Se axb (mod m), si ha ax-b=km, con kZ, da cui, essendo da, dm, ovviamente db.
(): Se db, posto dt=b, con tZ, e posto d=mcd(a,m)=az+mw, con z,wZ, si ottiene
b=dt=azt+mwt, da cui aztb (mod m), e basta porre x=zt per ottenere una soluzione della
congruenza.
Osservazione. Dal punto di vista algoritmico, per verificare se esiste una soluzione della
congruenza axb (mod m) basta usare l’algoritmo Euclideo delle divisioni successive per calcolare
d=mcd(a,m), e poi eseguire una divisione per verificare se db (complessità totale di ordine
cubico).
La dimostrazione precedente fornisce anche un algoritmo per il calcolo di una soluzione x (se essa
esiste cioè se db): basta moltiplicare t (ottenuto dividendo b per d) per z (coefficiente di a nella
espressione del mcd(a,m) come combinazione lineare di a,m, calcolato con l’algoritmo Euclideo
esteso): anche la complessità dell’algoritmo per il calcolo di una soluzione della congruenza è
dunque di ordine cubico.
La soluzione (se esiste) della congruenza axb (mod m) non è unica, ma è possibile determinare
tutte le soluzioni, conoscendone una:
Teorema.
Fissato il modulo m>1 e i numeri interi relativi a,b, con a>0, e posto d=mcd(a,m):
se esiste una soluzione x0 della congruenza axb (mod m) , tutte e sole le soluzioni sono i numeri
interi relativi x1 tali che x1x0 (mod m/d) (ossia i numeri della classe di congruenza [x0] m/d
rappresentata da x0 modulo m/d).
Dimostrazione:
Sia x1 una soluzione della congruenza.
Allora ax1b (mod m), ax0b (mod m), da cui per transitività ax1ax0 (mod m), ax1-ax0=mk con k
intero relativo, e dunque (a/d)(x1-x0)=(m/d)k.
Ma per una proprietà già dimostrata, i numeri a/d, m/d sono coprimi (essendo d=mcd(a,m)). Per una
proprietà dei numeri coprimi essendo (m/d)(a/d)(x1-x0) si ha (m/d)(x1-x0) ottenendo infine la tesi
x1x0 (mod m/d).
Viceversa sia x1 un intero relativo tale che x1x0 (mod m/d).
Allora x1-x0=km/d, con k intero relativo, ax1-ax0=k(a/d)m, ax1ax0 (mod m).
Ma per ipotesi ax0b (mod m), e per transitività anche ax1b (mod m), dunque anche x1 è soluzione
della congruenza.
Dai risultati precedenti segue che, fissato il modulo m>1 e i numeri interi relativi a,b, con a>0,
posto d=mcd(a,m), e fissata una soluzione x=x0 della congruenza axb (mod m), poiché tutte le
soluzioni della stessa congruenza sono gli elementi della classe di congruenza modulo m/d
rappresentata da x0, la riduzione modulo m/d di x0 è anch’essa una soluzione ed è l’unica con
valore compreso fra 0,1,…,(m/d)-1: tale soluzione è detta soluzione canonica della congruenza.
Esempio:
Risolviamo la congruenza 36x10 (mod 14).
Con l’algoritmo Euclideo, operando n=4 divisioni, otteniamo che d=mcd(36,14)=2, che è divisore
di b=14.
Per calcolare i coefficienti interi z, w tali che 2=36z+14w, si costruiscono le successioni si , ti (con
i=0,1,2,3,4,5) di cui si è parlato nell’Algoritmo Euclideo esteso, e si trovano alla fine i valori:
z=s4=2, w= -t4= -5.
Una soluzione x della congruenza è data allora da x=tz=10 (dove t=b/d=5).
Tutte le soluzioni sono i numeri della forma 10+k(m/d)=10+7k, con k intero relativo (quindi gli
elementi della classe di congruenza rappresentata da 10 modulo m/d=7) e la soluzione canonica è la
riduzione 10mod7=3 (l’unica compresa fra 0,1,2,…,6).
Teorema Cinese del Resto.
In un manoscritto cinese del III° sec. a.C. si trova il seguente problema: trovare un intero positivo x
che diviso per 3 dia resto 1, diviso per 5 dia resto 2, diviso per 7 dia resto 3.
Nel linguaggio delle congruenze si tratta di trovare un intero positivo che sia soluzione intera del
seguente sistema di congruenze di primo grado nell’incognita x:
 x  1 (mod 3)

 x  2 (mod 5)
 x  3 (mod 7)

Studieremo dunque i sistemi di congruenze di primo grado nell’incognita x in cui il coefficiente
della x sia = 1, ossia i sistemi di n congruenze della forma:
 x  b1 (mod m1 )
 x  b (mod m )
2
2

(*)
.....
......

 x  bn (mod mn )
(dove sono fissati i moduli mi>1 ed i termini noti bi sono supposti non negativi, eventualmente
sostituendo ognuno di essi con la sua riduzione modulo mi).
Studiamo prima il caso di 2 congruenze:
Teorema (Teorema Cinese del Resto nel caso di 2 congruenze).
Nel sistema (*), con n=2, se i moduli m1,m2 sono coprimi esiste una soluzione intera x=x0 del
sistema e le soluzioni del sistema sono tutti e soli gli interi x1 tali che x1x0 (mod m1m2) (quindi gli
elementi della classe di congruenza  x0 m m rappresentata da x0 modulo m1m2).
1 2
Dimostrazione:
Le soluzioni della prima congruenza del sistema sono tutti gli interi della classe di congruenza
rapprresentata da b1 modulo m1, dunque gli interi della forma x=b1+m1y, dove y varia fra gli interi
relativi. Imponiamo la condizione che uno di tali interi x sia soluzione anche della seconda
congruenza, ottenendo la seguente congruenza di primo grado nell’incognita y:
m1y(b2-b1) (mod m2)
Sappiamo che tale congruenza ha qualche soluzione y=y0 perché mcd(m1,m2)=1 è ovviamente
divisore della differenza (b2-b1). Ponendo x0=b1+m1y0 otterremo una soluzione del sistema.
E’ facile verificare che ogni numero intero x1x0 (mod m1m2) è anche soluzione del sistema, in
quanto x1x0b1 (mod m1) e x1x0b2 (mod m2).
Viceversa se x1 è soluzione intera del sistema, allora x1x0b1 (mod m1) e x1x0b2 (mod m2),
dunque m1,m2 sono divisori di (x1-x0), e per una proprietà dei numeri coprimi anche il prodotto m1m2
è divisore di (x1-x0), ossia x1x0 (mod m1m2).
Esempio.
Risolviamo il sistema formato dalle prime 2 congruenze del problema del manoscritto cinese:
 x  1(mod 3)

 x  2 (mod 5)
Le soluzioni della prima congruenza sono della forma x=1+3y, con y intero, e imponendo che siano
soluzioni anche della seconda si ottiene la congruenza di primo grado in y:
3y1 (mod 5)
Una soluzione è y=ts, dove t si ottiene dividendo il termine noto 1 per il mcd(3,5)=1(quindi t=1),
ed s è il coefficiente di 3 nella rappresentazione di 1=mcd(3,5) come combinazione lineare di 3 e 5:
quindi da 1=32+5(-1) segue s=2. Si ha y=2, e una soluzione del sistema è allora x=1+3y=7: tutte
le soluzioni del sistema sono i numeri della classe di congruenza [7] 15 rappresentata da 7 modulo
15, dunque tutti gli interi della forma 7+15k, con k intero relativo (per esempio i numeri -8, 22, 37
etc…).
Nel caso generale di n congruenze si ottiene un risultato analogo a quello del caso n=2:
Teorema (Teorema Cinese del Resto nel caso generale di n congruenze).
Nel sistema (*), con n>1 qualunque, se i moduli m1 sono a due a due coprimi esiste una soluzione
intera x=x0 del sistema e le soluzioni del sistema sono tutti e soli gli interi x1 tali che x1x (mod
m1m2…mn) (quindi gli elementi della classe di congruenza  x0 m m ...m rappresentata da x0 modulo
1
2
n
m1m2…mn).
Dimostrazione:
Per induzione (Ia forma) su n, con base n=2.
Per n=2 la tesi segue dal Teorema precedente.
Supponiamo il Teorema vero per n e dimostriamolo per n+1.
Dato il sistema di n+1 congruenze:
 x  b1 (mod m1 )
 x  b (mod m )
2
2

.....
......

 x  bn 1 (mod mn 1 )
Per induzione esiste una soluzione intera z del sistema formato dalle prime n congruenze, e inoltre
tutte e sole le soluzioni di tale sistema sono z (mod m1m2…mn). Dunque il sistema di n+1
congruenze dato equivale al sistema di 2 congruenze:
 x  z (mod m1m2 ...mn )

 x  bn1 (mod mn1 )
Notiamo che i moduli delle 2 congruenze sono coprimi: se per assurdo d=mcd(m1m2…mn,mn+1)>1,
considerato un divisore primo p di d sarebbe p divisore del prodotto m1m2…mn (quindi p divisore di
qualche mi con i=1,2,…,n) e di mn+1, contro l’ipotesi che mi,mn+1 sono coprimi.
Per il Teorema precedente (il caso di 2 congruenze) si ha la tesi per n+1: il sistema ha soluzione x0
e le soluzioni sono tutti e soli gli interi x0 (mod m1m2…mn+1).
Fissata una soluzione x=x0 del sistema (*), poiché tutte le soluzioni del sistema sono gli elementi
della classe di congruenza modulo m1m2…mn rappresentata da x0, la riduzione modulo m1m2…mn di
x0 è anch’essa una soluzione ed è l’unica con valore compreso fra 0,1,…, m1m2…mn-1: tale
soluzione è detta soluzione canonica del sistema (ovviamente essa è anche la minima soluzione 0
del sistema)
Esempio.
Risolviamo il sistema formato dalle 3 congruenze del problema del manoscritto cinese:
 x  1(mod 3)

 x  2(mod 5)
 x  3(mod 7)

Abbiamo già risolto il sistema formato dalle prime 2 congruenze, le cui soluzioni sono 7 (mod 15).
Il sistema dato equivale allora al sistema di 2 congruenze:
 x  7 (mod15)

 x  3(mod 7)
Le soluzioni della prima congruenza sono della forma x=7+15y con y intero, e imponendo che
siano soluzioni della seconda si ottiene la congruenza in y:
15y -4 (mod 7).
Sostituendo -4 con la sua riduzione modulo 7, si ottiene la congruenza equivalente:
15y 3 (mod 7)
una cui soluzione è y=rs , dove r=3/mcd(15,7)= 3, s è il coefficiente di 15 nella rappresentazione di
1=mcd(15,7) come combinazione lineare di 15, 7 (si ha 1=151+7(-2), quindi s=1), e si ha y=3.
Una soluzione del sistema iniziale è allora x=7+153= 52.
La soluzione canonica del sistema è la riduzione 52mod(357)=52mod105=52 (è l’unica compresa
fra 0,1,…,104). Quindi x=52 è la soluzione (minima fra quelle positive) del problema del
manoscritto cinese.