Matematica Discreta
Lezione del giorno 15 marzo 2012
Torniamo ora al calcolo della funzione di Eulero φ(n), per n>1. Possiamo considerare la
fattorizzazione di n in prodotto di numeri primi: raccogliendo i fattori primi uguali sotto forma di
potenza, n si può rappresentare nella forma
n = p1k1 p 2 k 2 .....p r k r
dove p1, p2, …., pr sono fattori primi distinti di n.
Dato un numero naturale x, affinché x,n siano coprimi (cioè affinché 1 sia l’unico divisore comune
di x,n) si deve ovviamente avere che nessuno dei primi p1, p2,…,pr (che sono divisori di n) sia
divisore di x.
Come conseguenza di tale risultato, per calcolare φ(n) dobbiamo calcolare il numero dei numeri
naturali x tali che 1xn e che non soddisfano nessuna delle seguenti r proprietà:
p1 è divisore di x; p2 è divisore di x; ….. ; pr è divisore di x.
Usando in forma negativa il principio di inclusione-esclusione, costruiamo allora l’insieme X di
tutti i numeri naturali x tali che 1xn, e gli r sottoinsiemi di X:
Xi = {xX / pi è divisore di x} ( al variare di i=1,2,…,r)
Si avrà:
φ(n)= X-X1X2…Xr= n -X1X2…Xr.
Calcolando la cardinalità dell’unione con la formula del principio di incluione-esclusione si ottiene:
X1X2…Xr=α1-α2+α3-α4+…….±αr
dove α1 è la somma delle cardinalità dei singoli insiemi Xi; α2 è la somma delle cardinalità di tutte
le possibili intersezioni a 2 a 2 degli insiemi Xi;……, αr è la cardinalità dell’intersezione di tutti gli
insiemi Xi, preceduta da un segno + se r è dispari, da un segno – se r è pari.
Poiché X1 contiene tutti i multipli di p1 compresi fra 1 ed n si ha:
X1 = {1•p1,2•p1,…,n=(n/p1)•p1}
dunque tali interi sono in numero di n/p1, quindi X1=n/p1 . Analogamente X2=n/p2, X3=n/p3
,…., Xr=n/pr .
Poiché X1∩X2 contiene tutti i numeri naturali x tali che 1xn e che sono multipli sia di p1 che di
p2, per il risultato preliminare 1) essi sono esattamente tutti i multipli del prodotto p1p2:
analogamente a quanto dimostrato sopra, i multipli di p1p2 compresi fra 1 ed n sono in numero di
n/(p1p2), quindi X1∩X2=n/(p1p2) . Analogamente si ha X1∩X3=n/(p1p3) e così via .
Così procedendo, alla fine si ottiene:
φ(n)=n-X1X2…Xr= n-[(n/p1+n/p2+….+n/pr)-(n/(p1p2)+n/(p1p3)+….)+…..±n/(p1p2…pr)]=
=n[1-(1/p1+1/p2+….+1/pr)+ (1/(p1p2)+1/(p1p3)+….)-…..±1/(p1p2…pr)], dove l’ultimo segno é + se r
é pari, - se r é dispari.
Applicando allora il risultato preliminare 2) (dove si fanno assumere alle variabili i valori
x1=1/p1,….,xr=1/pr) la formula si semplifica come segue:
φ(n)=n(1-1/p1)(1-1/p2)…..(1-1/pr) (dove p1, p2,…., pr sono sempre i fattori primi distinti di n)
Esempio: se n=2000=2453, il calcolo della funzione di Eulero è:
φ(2000)=2000(1-1/2)(1-1/5)=800
Considerata la fattorizzazione di n in prodotto di potenze di numeri primi distinti
n = p1k1 p 2 k 2 .....p r k r
si ha dalla formula precedente:
φ(n)=n(1-1/p1)(1-1/p2)…..(1-1/pr)=n[(p1-1)/p1][(p2-1)/p2]......[(pr-1)/pr]=
= p1k1 p 2 k 2 .....p r k r [(p1-1)/p1][(p2-1)/p2]......[(pr-1)/pr]=
= p1k1 1p2k 2 1.....pr k r 1 (p1-1)(p2-1)......(pr-1)
e si ottiene così una formula alternativa per il calcolo della funzione di Eulero :
φ(n)= p1k1 1p2k 2 1.....pr k r 1 (p1-1)(p2-1)......(pr-1)
(nella quale però, oltre la conoscenza dei fattori primi distinti p1,p2,…..,pr, è anche necessaria la
conoscenza degli esponenti k1,k2,…..,kr).
Relazioni di equivalenza in un insieme.
Supponiamo che A sia un insieme non vuoto e che sia definita una relazione R dall’insieme A
all’insieme A (si dice anche che R è una relazione definita in A): quindi la relazione R associa
elementi di A con elementi di A (spesso mediante un predicato P(x,y) in 2 variabili). Ricordiamo
che con il simbolo aRb (dove a,b sono elementi di A) si intende indicare che l’elemento a è
associato all’elemento b nella relazione R (quindi i valori x=a, y=b rendono vera la proposizione
P(a,b)).
Diremo che R è una relazione di equivalenza se R soddisfa le seguenti 3 proprietà:
1) riflessiva: per ogni aA si ha aRa (quindi ogni elemento a di A è associato a sé stesso)
2) simmetrica: per ogni a,bA, se aRb allora bRa (quindi se un elemento a di A è associato ad un
elemento b di A, allora l’elemento b è associato all’elemento a)
3) transitiva: per ogni a,b,cA, se aRb e bRc allora aRc (quindi se un elemento a di A è associato
ad un elemento b di A, e se l’elemento b è associato ad un elemento c di A, allora l’elemento a è
associato all’elemento c).
Esempio: definiamo la relazione R nell’insieme dei numeri naturali N mediante il predicato “x+y è
pari”, e verifichiamo se è una relazione di equivalenza.
Proprietà riflessiva: per ogni aA si ha aRa, perché a+a=2a è pari. Proprietà simmetrica: per ogni
a,bA, se aRb allora bRa, perché se a+b è pari anche b+a=a+b lo è (per la proprietà commutativa
della somma). Proprietà transitiva: per ogni a,b,cA, se aRb e bRc allora aRc, perché se a+b, b+c
sono pari, allora è pari la loro somma a+c+2b, dunque, sottraendo il pari 2b, anche a+c è pari.
Si conclude che R è un esempio di relazione di equivalenza definita nell’insieme N dei numeri
naturali.
Classi di equivalenza
Sia definita nell’insieme A una relazione di equivalenza R.
Fissato un aA, possiamo costruire il sottoinsieme di A formato dagli elementi x che sono associati
ad a nella relazione R :
{ xA / aRx } (notiamo che è equivalente scrivere aRx oppure xRa per la proprietà simmetrica)
Tale sottoinsieme contiene almeno l’elemento a stesso (infatti per la proprietà riflessiva si ha aRa)
dunque non è vuoto: esso è chiamato classe di equivalenza rappresentata dall’elemento a ed è
indicato con il simbolo [a]:
[a] = { xA / aRx }
(l’elemento a è detto rappresentante della classe [a] ).
Esempio: nella relazione R dell’esempio precedente, costruiamo alcune classi di equivalenza
fissando vari rappresentanti:
[3] = { xN / 3Rx } = { xN / 3+x è pari }= {1,3,5,7,….} = {numeri naturali dispari}
[8] = { xN / 8Rx } = { xN / 8+x è pari }= {2,4,6,8,….} = {numeri naturali pari}
[5] = { xN / 5Rx } = { xN / 5+x è pari }= {1,3,5,7,….} = {numeri naturali dispari}
In generale, ricordando che la somma di 2 numeri naturali è pari solo quando sono entrambi pari o
dispari, si ottiene che per un generico rappresentante aN la classe [a] da esso rappresentata
coincide con l’insieme dei numeri naturali dispari (se a è dispari) o con l’insieme dei numeri
naturali pari (se a è pari): dunque in questo esempio le diverse classi di equivalenza sono in tutto 2
sottoinsiemi di N: {numeri naturali dispari}, {numeri naturali pari}.
Come visto nell’ultimo esempio, elementi diversi dell’insieme possono essere rappresentanti di
classi di equivalenza uguali: il numero 3 e il numero 5 sono rappresentanti della stessa classe di
equivalenza [3]=[5]={numeri naturali dispari}. Il criterio per stabilire quando due elementi sono
rappresentanti della stessa classe di equivalenza è il seguente:
Teorema. Sia definita nell’insieme A una relazione di equivalenza R.
Allora dati a,bA si ha:
[a ] = [b] aRb
Dimostrazione:
(): per ipotesi [a] = [b]; l’elemento a [a] (per la proprietà riflessiva), e dunque a[b] (essendo
per ipotesi [a] = [b]), ossia aRb (tesi).
(): per ipotesi aRb; la tesi [a]=[b] richiede la dimostrazione di una doppia inclusione insiemistica
[a] [b] e [a] [b].
Dimostriamo che [a] [b] : preso un generico elemento x[a] si ha xRa; da xRa e dall’ipotesi aRb
si ha bRx (per la proprietà transitiva), dunque x [b], e si può concludere che [a] [b].
Viceversa dimostriamo che [b] [a]: preso un generico elemento x[b] si ha xRb; dall’ipotesi aRb
segue bRa (per la proprietà simmetrica); da xRb e da bRa si ha xRa (per la proprietà transitiva),
dunque x [a], e si può concludere che [b] [a].
Nota: come si può notare nella dimostrazione precedente, tutte e 3 le proprietà simmetrica,
riflessiva e transitiva sono utilizzate.
