Matematica Discreta Lezione del giorno 13 gennaio 2012 Teorema di fattorizzazione unica. Ogni numero naturale a>1 è fattorizzabile come prodotto di numeri primi (al limite con 1 solo fattore) e tale fattorizzazione è unica (a meno dell’ordine dei fattori), nel senso che, se sono date 2 fattorizzazioni dello stesso a in prodotto di numeri primi: a=p1p2….pr=q1q2…qs (dove tutti i pi e i qj sono numeri primi) allora: 1) r=s (il numero dei fattori primi nelle 2 fattorizzazioni è uguale) 2) riordinando opportunamente i fattori, si ha p1=q1, p2=q2, …., pr=qr (cioè i fattori coincidono ordinatamente nelle due fattorizzazioni) Dimostrazione: Esistenza della fattorizzazione: Supponiamo per assurdo che esistano numeri naturali non fattorizzabili nel prodotto di numeri primi, e costruiamo l’insieme S di tali numeri: S = {x / xN, x>1, x non é fattorizzabile nel prodotto di numeri primi} L’insieme non vuoto S, per l’Assioma del minimo, contiene un elemento minimo sS: sarà sN, s>1, s non fattorizzabile nel prodotto di numeri primi. In particolare s non è un numero primo (altrimenti s sarebbe fattorizzabile nel prodotto di numeri primi, con 1 solo fattore) quindi s ha un divisore non banale b, con b1,bs. Esiste allora un naturale c tale che s=bc, e ovviamente anche c1,cs. In totale si ha 1<b<s, 1<c<s, ed essendo s il minimo in S, si deduce che b,cS, dunque b,c sono entrambi fattorizzabili nel prodotto di numeri primi, ma allora anche a=bc sarebbe fattorizzabile nel prodotto di numeri primi, contraddizione. Unicità della fattorizzazione: Sia a un numero naturale >1 e siano date 2 fattorizzazioni di a in prodotto di numeri primi: a=p1p2….pr=q1q2…qs (dove tutti i pi e i qj sono numeri primi) Le tesi sono allora le seguenti: 1) r=s (il numero dei fattori primi nelle 2 fattorizzazioni è uguale) 2) riordinando opportunamente i fattori, si ha p1=q1, p2=q2, …., pr=qr (cioè i fattori coincidono ordinatamente nelle due fattorizzazioni). Dall’eguaglianza a=p1(p2….pr)=q1q2…qs segue che p1 è divisore del prodotto q1q2…qs. Per l’Osservazione nella precedente lezione, il numero primo p1 è divisore di almeno uno dei fattori q1,q2,…,qs e, riordinando opportunamente i fattori, possiamo fare in modo che p1q1. Essendo q1 primo, le possibilità per il suo divisore p1 sono p1=1 oppure p1=q1. Ma allora p1=q1 (perché per definizione di numero primo si ha p1>1). Dividendo ambo i membri dell’eguaglianza per p1 si ottiene l’eguaglianza: p2p3….pr=q2q3…qs, e si può iterare il ragionamento ottenendo p2=q2 (riordinando di nuovo opportunamente i fattori). La tesi 2) è dunque dimostrata. Dimostriamo ora la tesi 1): se per assurdo la supponessimo falsa, si avrebbe rs. Supponiamo per esempio che sia r>s (se r<s si ragiona in modo simile): dopo s passi del precedente procedimento iterativo, dividendo per ps, si avrebbe alla fine l’eguaglianza: ps+1ps+2….pr=1, contraddizione perché i numeri primi pi sono tutti >1. Illustriamo una conseguenza del Teorema di fattorizzazione unica: Teorema. La radice quadrata di un numero primo p è un numero non razionale. Dimostrazione: Per assurdo supponiamo p =a/b dove a,b sono naturali. Si ha p=a2/b2, b2p=a2. Nel caso a=1, si ha b2p=1, contraddizione perché p>1. Nel caso b=1 si ha p=a2=aa, contraddizione perché il primo p avrebbe un divisore a non banale. Infine nel caso a>1, b>1, fattorizziamo a, b in prodotto di primi: a=p1p2….pr , b=q1q2…qs da cui si avrebbe: b2p= q1q1q2q2…qsqsp=a2=p1p1p2p2…prpr e per il Teorema di fattorizzazione unica sarebbe uguale il numero di fattori primi nelle 2 fattorizzazioni, ottenendo l’eguaglianza 2s+1=2r, contraddizione perché 2s+1 è dispari, 2r è pari. Illustriamo un’altra conseguenza del Teorema di fattorizzazione unica: Teorema. I numeri primi sono infiniti. Dimostrazione: Per assurdo supponiamo che l’insieme dei numeri primi contenga un numero finito di elementi, e sia p1,p2,….,pk l’elenco completo di tutti i numeri primi. Consideriamo il seguente numero naturale ottenuto sommando 1 al prodotto di tutti i numeri primi: a=(p1p2….pk)+1 . Per il Teorema di esistenza della fattorizzazione, a si può scomporre in fattori primi e se p è uno qualunque dei suoi fattori primi si ha ovviamente pa, ossia esiste un numero naturale c tale che pc=a=(p1p2….pk)+1, da cui 1=pc-(p1p2….pk). Ma p coinciderà con uno dei pi (perché per assurdo p1,p2,….,pk sono tutti i possibili numeri primi), dunque nel secondo membro dell’eguaglianza precedente si può mettere in evidenza il fattore comune p, e si conclude che p è divisore di 1, contraddizione perché p>1. Sviluppo della potenza di un binomio. Supponiamo di dovere calcolare la potenza di un binomio con esponente intero n>0: (x+y)n = ……… Possiamo pensare ovviamente la potenza come prodotto di n fattori tutti uguali alla base: (x+y)n = (x+y)(x+y)……(x+y) = ……… Facciamo un esempio concreto con n=5: (x + y)n = (x+y)(x+y)(x+y)(x+y)(x+y) = ……… Per calcolare il prodotto di 5 fattori uguali ciascuno ad (x+y) possiamo utilizzare la proprietà distributiva della somma rispetto al prodotto: dobbiamo quindi considerare (in tutti i modi possibili) i prodotti di 5 fattori scelti fra x o y (in ciascuna delle somme (x+y)) e poi sommare i risultati. Per esempio uno di tali prodotti potrebbe essere quello ottenuto prendendo: x nella prima somma (x+y) x nella seconda somma (x+y) y nella terza somma (x+y) x nella quarta somma (x+y) y nella quinta somma (x+y) ossia il prodotto xxyxy=x3y2. Ma se scegliessimo: y nella prima somma (x+y) x nella seconda somma (x+y) x nella terza somma (x+y) y nella quarta somma (x+y) x nella quinta somma (x+y) otterremo sempre lo stesso prodotto yxxyx= x3y2. Quindi uno stesso prodotto della forma xkyh (dove in ogni caso k+h=5) lo otterremo più volte: il calcolo combinatorio ci suggerisce che il numero di volte che otterremo tale prodotto xkyh è uguale al numero di combinazioni di 5 elementi presi ad h a ad h (dobbiamo solo scegliere le h posizioni della y fra le 5 posizioni date), dunque il numero di volte che otterremo tale prodotto xkyh è uguale al coefficiente binomiale . Poiché l’esponente k di x può variare da un massimo di k=0 (quando x è presente 5 volte nel prodotto, quindi y è assente), ad un minimo di k=5 (quando x non è presente nel prodotto), e poiché l’esponente h di y può essere ricavato dalla formula h=5-k (perché k+h=5), il procedimento si può riassumere così: per calcolare la potenza del binomio (x+y)5 si devono sommare i prodotti xky5-k (con k che assume i valori k=5,4,3,2,1,0) ognuno preso un numero di volte uguale al coefficiente binomiale (x+y)5= : x5y0+ x4y1+ x3y2+ x2y3+ x1y4+ x0y5 Ritornando al caso generale di un esponente intero n>0 qualunque, si ottiene analogamente la formula (detta formula di Newton per lo sviluppo della potenza di un binomio): (x+y)n= xny0+ xn-1y1+…….+ x1yn-1+ x0yn Nei casi particolare n=2, n=3 si ottengono le ben note formule del quadrato e cubo di un binomio: (x+y)2= x2y0+ x1y1+ x0y2=x2+2xy+y2 (x+y)3= x3y0+ x2y1+ x1y2+ x0y3=x3+3x2y+3xy2+y3