Algebra Numeri Interi (Unimib)

annuncio pubblicitario
Algebra Numeri Interi
(Unimib)
8 giugno 2017
This book is the result of a collaborative effort of a community of people
like you, who believe that knowledge only grows if shared.
We are waiting for you!
Get in touch with the rest of the team by visiting http://join.wikitolearn.org
You are free to copy, share, remix and reproduce this book, provided that you properly give
credit to original authors and you give readers the same freedom you enjoy.
Read the full terms at https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
Capitolo 1. Numeri Interi
2 / 10
Capitolo 1
Numeri Interi
1.1 Divisione
Definizione
Sia b un numero intero, allora il modulo di b è b se b è positivo e −b se b è negativo.
Teorema
Siano a, b due interi con b ̸= 0 , allora esistono q, r tali che
a = bq + r, 0 ≤ r < |b|
q si chiama quoziente della divisione a/b e r si chiama resto della divisione.
Dimostrazione
CASO 1: A POSITIVO. Supponiamo che a sia positivo, e sia
S = {a − xb, x ∈ Z, t.c. a − xb ≥ 0}
S ⊂ N , S non è vuoto perché sto assumendo che a sia non negativo e quindi per
x = 0 appartiene a S .
Per il principio del buon ordinamento, dato un sottoinsieme non vuoto di N , esso
ha un minimo. Sia r il minimo di S , allora r ∈ S , cioè r = a − xb per un certo
x , e pongo x = q . Da qui segue che a = bq + r .
Inoltre, r ≥ 0 perché S ⊂ N . Se per assurdo r ≥ |b| , allora segue che
0 ≤ r − |b| = a − bq − |b|
1. Se b ≥ 0 , si ottiene
r − |b| = a − bq − b = a − (q + 1)b
1. se b ≤ 0 , si ottiene invece
Capitolo 1. Numeri Interi
3 / 10
r − |b| = a − bq + b = a − (q − 1)b
e in entrambi i casi, r − |b| ∈ S , e questo è assurdo perché r è minimo di S ,
quindi necessariamente 0 < r < |b| .
CASO 2: A NEGATIVO. Segue che −a è positivo, allora si ritorna nel caso
precedente e si può quindi scrivere
−a = bq + r, q ∈ Z, 0 < r < |b|
−→ a = b(−q) − r
Divido ancora in due casi:
1. se b ≥ 0 , sommo e sottraggo b :
a = b ∗ (−q) − r = b(−q − 1) + b − r
e quindi il retso b − r è compreso tra 0 e |b| .
1. se b ≤ 0 ,
a = b(−q) − r
a = b(−q + 1) + (−b − r)
e 0 < −b − r < |b| .
Proposizione
Tali q e r sono unici.
Dimostrazione
Supponiamo che
a = bq + r, a = bq ′ + r′ , q, q ′ ∈ Z, 0 < r, r′ < |b|
Da bq + r = bq ′ + r′ si ha
(r − r′ ) = b(q ′ − q)
A destra ho un multiplo di b , quindi anche a sinistra dev’esserci un multiplo di
|b| . Siccome il membro di sinistra è ingabbiato fra −|b| + 1 e |b| − 1 , l’unica
possibilità è che sia r − r′ = 0 , cioè r = r′ , da cui q = q ′ .
Capitolo 1. Numeri Interi
4 / 10
1.2 Algoritmo di euclide
1.2.1 Massimo comun divisore
L’algoritmo di Euclide serve per il calcolo del massimo comun divisore tra a e b
, dove a, b non sono entrambi nulli.
Definizione
Un intero d si dice un massimo comun divisore tra a e b , se d | a e d | b (cioè se
è un comun divisore) inoltre se c | a e c | b , allora c | d ( d è massimo).
Definizione
Si dice che a divide b ( a | b ) se b è multiplo di a , cioè
b = a ∗ c, c ∈ Z
Con questa notazione, è vero che 3 | 0 .
Proposizione
Se d, d′ sono entrambi massimi comun divisori di a e b , allora o d = d′ , o d = −d′
.
Dimostrazione
d è un massimo comun divisore quindi per definizione d′ | d , ma anche d′ è un
massimo comun divisore quindi d | d′ . Allora
d′ = d ∗ x, d = d′ ∗ y
ma quindi, inserendo l’espressione di d in quella di d′ , si ha:
d′ = dx = d′ xy
e semplificando per d′ , xy = 1 . Siccome x, y sono interi, il loro prodotto è 1 se
e solo se x = y = 1 oppure x = y = −1 .
Per convenzione, prendiamo come massimo comun divisore quello positivo. Ad
esempio
M.C.D.{−12, 20} = 4.
1.2.2 Osservazioni preliminari per l’algoritmo
Considero a, b interi non entrambi nulli.
Osservo che la definizione di massimo comun divisore è simmetrica rispetto ad a
e b , quindi
Capitolo 1. Numeri Interi
5 / 10
M.C.D.(a, b) = M.C.D.(b, a)
e cambiando segni ai termini l’M.C.D. non cambia. Quindi basta considerare il
caso in cui a e b sono non negativi.
Considero il caso in cui b = 0 . Allora
M.C.D.(a, 0) = a.
Ci si riduce quindi al caso in cui a e b sono entrambi maggiori di 0.
1.2.3 Algoritmo di Euclide
Considero una tabella con tre colonne: le prime due righe sono i vettori (1, 0, a)
e (0, 1, b) e costruiamo le altre righe. Possiamo scrivere
a = bq + r, 0 < r < b
La terza riga si costruisce sottraendo alla prima riga la seconda riga per q volte,
e ottengo
(1, −q, a − bq) = (1, 0, r)
infatti
r = a − bq
Proposizione
M.C.D.(a, b) = M.C.D.(b, r) .
Dimostrazione
Mostro che se pongo d = M.C.D.(a, b) e d′ = M.C.D.(b, r) , segue che d = d′ .
Infatti
d | a, d | b, −→ d | a − bq = r
Segue che d | b e d | r , allora d | d′ . Per la stessa ragione d′ | d , infatti
d′ | b, d′ | r, −→ d′ | bq + r = a
Segue che d′ | b , d′ | a , e allora d′ | d . Per le due relazioni d | d′ e d′ | d , segue
che d = d′ .
La tabella costruita finora è
Capitolo 1. Numeri Interi
6 / 10
1 0 a
0 1 b
1 −q r
Tenendo conto che M.C.D.(a, b) = M.C.D.(b, r) , per costruire le altre righe
itero l’algoritmo applicandolo a b ed r , se b = rq ′ + r′ , la quarta riga si ottiene
sottraendo alla seconda riga la terza moltiplicata per −q ′ , e quindi come quarta
riga avrò (−q ′ , qq ′ , b − q ′ r = r′ ) , e così via, finché non si ottiene un resto uguale
a 0.
Esempio
Sia a = 138 e b = 64 . Allora determino q ed r a ogni passo dell’algoritmo.
a = 138, b = 64,
M.C.D.(a, b) = M.C.D.(b, r1 )
b = 64, r1 = 10
M.C.D.(b, r1 ) = M.C.D.(r1 , r2 ) r1 = 10, r2 = 4
M.C.D.(r1 , r2 ) = M.C.D.(r2 , r3 ) r1 = 10, r2 = 4
M.C.D.(r2 , r3 ) = M.C.D.(r3 , r4 ) r2 = 4, r3 = 2
−→ q1 = 2, r1 = 10
−→ q2 = 6, r2 = 4
−→ q3 = 2, r3 = 2
−→ q3 = 2, r3 = 2
−→ q4 = 2, r0 = 0
Esempio
Sia a = 64 e b = 138 .
a = 64, b = 138 −→ q = 0, r = 64
M.C.D.(64, 138) = M.C.D.(138, 64)
Se inizialmente non si pone a > b , il primo passo riordina i numeri, e poi si
continua come prima.
Considero la tabella costruita e osservo che vale la seguente relazione: per ogni
riga della forma (r1 , r2 , r3 ) , si ha che r1 ∗ a + r2 ∗ b = r3 . Infatti, ad esempio,
per le prime tre righe si ha:
1∗a+0∗b=a
0∗a+1∗b=b
1 ∗ a + (−q) ∗ b = a − bq = r
Suppongo di continuare con l’algoritmo di euclide. Su tutte le righe da costruire,
si preserva la proprietà che il primo coefficiente della riga moltiplicato per a
sommato al secondo moltiplicato per b è uguale al terzo elemento della riga.
Esempio
Costruisco la tabella relativa all’esempio precedente, a = 138 , b = 64 . Aggiungo
una colonna iniziale che serve solo a me, in cui annoto quoziente e resto delle
divisioni successive eseguite, in questa colonna, nell’i-esima riga in particolare
Capitolo 1. Numeri Interi
7 / 10
metto quoziente e resto della divisione tra il terzo elemento della riga i − 2 e
quello della riga i − 1 .
Per costruire l’n-esima riga, moltiplico la riga n − 1 per il quoziente che compare
su quella riga, e la sottraggo alla n − 2 . Quindi
1
0
138
q = 2, r = 10 0
1
64
q = 6, r = 4
1
−2 10
q = 2, r = 2 −6 13
4
q = 2, r = 0 13 −28 2
Osservo che sull’ultima riga ho tutti i resti.
Vale la proprietà per le righe della tabella dimostrata prima, infatti, considerando
ad esempio la terza riga
−6 ∗ 138 + 13 ∗ 64 = −828 + 832 = 4
13 ∗ 138 + (−28) ∗ 64 = 2
1.2.4 Identità di Bezout
Teorema
Dati a, b interi non entrambi nulli, e dato d = M.C.D.(a, b) , esistono x, y interi
tali che
ax + by = d.
Basta osservare che per ogni riga della tabella si ha
r1 ∗ a + r2 ∗ b = r3
L’ultimo elemento dell’ultima riga è uguale al massimo comun divisore, quindi i
coefficienti r1 , r2 su quella riga sono i coefficienti x e y che compaiono nell’identità
di Bezout.
Nel caso di a = 138, b = 64 , si ha d = 2 , x = 13 e y = −28 .
Esempio
a = 4122 e b = 1012 . Trova x, y interi con
ax + by = M.C.D.(a, b)
1
0
4122
q = 4, r = 74
0
1
1012
q = 13, r = 50
1
−4
74
q = 1, r = 24 −13 53
50
q = 2, r = 2
14 −57 24
q = 12, r = 0 −41 167
2
Capitolo 1. Numeri Interi
8 / 10
Non calcolo la riga successiva, perché il resto è 0. Allora x = −41, y = 167 e
m.c.d.(A, B) = 2 .
Esempio
Determinare x, y tali che ax + by = M.C.D.(a, b) con a = 589 e b = 437 .
1
0 589
q = 1, r = 152 0
1 437
q = 2, r = 133 1 −1 152
q = 1, r = 19 −2 3 133
q = 7, r = 0
3 −4 19
quindi M.C.D.(a, b) = 19 , x = 3, y = −4 .
Esempio
Determinare x, y tali che ax + by = M.C.D.(a, b) con a = 5070 e b = 521 .
1
0
5070
q = 9, r = 381,
0
1
521
q = 1, r = 140
1
−9
381
−1
10
140
q = 2, r = 101
q = 1, r = 39
3
−29 101
q = 2, r = 23
−4
39
39
q = 1, r = 16
11
−107 23
q = 1, r = 7
−15
146
16
q = 2, r = 2
26
−253
7
−67
652
2
q = 3, r = 1
q = 2, r = 0
−227 2209
1
I due numeri sono coprimi, x = −227 e y = 2209 .
1.3 Equazioni diofantee
1.3.1 Interi coprimi
Definizione
a e b si dicono coprimi o relativamente primi se M.C.D.(a, b) = 1 .
Osservazione
a e b sono coprimi se e solo se esistono x, y interi con ax + by = 1 .
Dimostrazione
1 −→ 2 : Se d = M.C.D.(a, b) , se a e b sono coprimi, allora per definizione d = 1
, e per l’identità di Bezout, esistono x, y tali che
Capitolo 1. Numeri Interi
9 / 10
ax + by = 1
2 −→ 1 : viceversa, se esistono x, y tali che ax + by = 1 , allora d | a, d | b , e
quindi d divide la combinazione lineare ax + by quindi d | 1 , cioè d = 1 .
1.3.2 Equazioni diofantee
Definizione
Siano a, b, c interi, l’equazione ax + by = c con x, y interi si chiama equazione
diofantea.
Quando c = M.C.D.(a, b) l’equazione diofantea ha soluzioni, e con l’algoritmo di
euclide si trovano x, y che la risolvono.
Regola 1: Se M.C.D.(a, b) | c , ed è uguale a c ∗ λ , allora le soluzioni di ax + by =
M.C.D.(a, b) moltiplicate per λ risolvono ax + by = c .
Regola 2: se il membro di destra è dispari e quello di sinistra è pari, l’equazione
non può avere soluzioni.
Teorema
Siano a, b interi non entrambi nulli. L’equazione ∗ , ax + by = c ha soluzioni se e
solo se d = M.C.D.(a, b) divide c . Se ∗ ha soluzioni (x0 , y0 ) , allora tutte e sole
le soluzioni sono della forma
x = x0 + hb/d, y = y0 − ha/d, h ∈ Z.
Dimostrazione
Sia d = M.C.D.(a, b) e suppongo che l’equazione ∗ ammette una soluzione (x0 , y0 )
. Poiché d | ax0 + by0 si ha d | c .
Viceversa, suppongo che d = M.C.D.(a, b) divida c , allora:
a = âd, b = b̂d c = ĉd.
Dall’Identità di Bezout, segue che esistono due interi α e β tali che valga:
aα + bβ = d.
Quindi la coppia (ĉα, ĉβ) è soluzione di ∗ .
Capitolo 2. Fonti per testo e immagini; autori; licenze
10 / 10
Capitolo 2
Fonti per testo e immagini;
autori; licenze
2.1 Testo
• Corso:Algebra Numeri Interi (Unimib)/Numeri Interi/Divisione Fonte: https://it.
wikitolearn.org/Corso%3AAlgebra_Numeri_Interi_(Unimib)/Numeri_Interi/Divisione?oldid=
38022 Contributori: Mmontrasio
• Corso:Algebra Numeri Interi (Unimib)/Numeri Interi/Algoritmo di euclide Fonte: https://it.wikitolearn.org/Corso%3AAlgebra_Numeri_Interi_(Unimib)/Numeri_Interi/
Algoritmo_di_euclide?oldid=38004 Contributori: Mmontrasio
• Corso:Algebra Numeri Interi (Unimib)/Numeri Interi/Equazioni diofantee Fonte: https://it.wikitolearn.org/Corso%3AAlgebra_Numeri_Interi_(Unimib)/Numeri_Interi/
Equazioni_diofantee?oldid=38038 Contributori: Mmontrasio
2.2 Immagini
2.3 Licenza dell’opera
• [Project:Copyright Creative Commons Attribution Share Alike 3.0 & GNU FDL]
• Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0
Scarica