Wykład 1. Na początku zajmować się będziemy zbiorem liczb całkowitych

Podobne dokumenty
Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

1. Liczby wymierne. x dla x 0 (wartością bezwzględną liczby nieujemnej jest ta sama liczba)

Indukcja matematyczna. Zasada minimum. Zastosowania.

Przykładowe zadania z teorii liczb

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

Dr inż. Robert Wójcik, p. 313, C-3, tel Katedra Informatyki Technicznej (K-9) Wydział Elektroniki (W-4) Politechnika Wrocławska

Indukcja. Materiały pomocnicze do wykładu. wykładowca: dr Magdalena Kacprzak

Matematyka Dyskretna Zestaw 2

2. Liczby pierwsze i złożone, jednoznaczność rozkładu na czynniki pierwsze, największy wspólny dzielnik, najmniejsza wspólna wielokrotność.

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

ALGORYTMY MATEMATYCZNE Ćwiczenie 1 Na podstawie schematu blokowego pewnego algorytmu (rys 1), napisz listę kroków tego algorytmu:

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Algorytmy w teorii liczb

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c = a

Pierścień wielomianów jednej zmiennej

Treść wykładu. Pierścienie wielomianów. Dzielenie wielomianów i algorytm Euklidesa Pierścienie ilorazowe wielomianów

Matematyka dyskretna

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Teoria liczb. Magdalena Lemańska. Magdalena Lemańska,

Algorytmy i struktury danych. Wykład 4

1. Określenie pierścienia

Matematyka dyskretna

Teoria liczb. Zajmuje się własnościami liczb, wszystkim całkowitych

Matematyka dyskretna

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Wybrane zagadnienia teorii liczb

Układy równań i nierówności liniowych

Dlaczego nie wystarczają liczby wymierne

Sumy kwadratów kolejnych liczb naturalnych

LX Olimpiada Matematyczna

0.1 Sposȯb rozk ladu liczb na czynniki pierwsze

CIĄGI wiadomości podstawowe

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

1 Określenie pierścienia

Dwa równania kwadratowe z częścią całkowitą

Matematyka dyskretna dla informatyków

LISTA 1 ZADANIE 1 a) 41 x =5 podnosimy obustronnie do kwadratu i otrzymujemy: 41 x =5 x 5 x przechodzimy na system dziesiętny: 4x 1 1=25 4x =24

Uzupełnienia dotyczące zbiorów uporządkowanych (3 lutego 2011).

Ciała skończone. 1. Ciała: podstawy

Relacje. opracował Maciej Grzesiak. 17 października 2011

Równania diofantyczne

Wielomiany. dr Tadeusz Werbiński. Teoria

6. Liczby wymierne i niewymierne. Niewymierność pierwiastków i logarytmów (c.d.).

Algorytm Euklidesa. Dwie monety - jeden problem. Trochę matematyki 180=36*5 180=60*3

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Arytmetyka. Działania na liczbach, potęga, pierwiastek, logarytm

LICZBY PIERWSZE. 14 marzec Jeśli matematyka jest królową nauk, to królową matematyki jest teoria liczb. C.F.

Analiza kongruencji. Kongruencje Wykład 3. Analiza kongruencji

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

KONGRUENCJE. 1. a a (mod m) a b (mod m) b a (mod m) a b (mod m) b c (mod m) a c (mod m) Zatem relacja kongruencji jest relacją równoważności.

Grupy, pierścienie i ciała

Wstęp do programowania INP001213Wcl rok akademicki 2018/19 semestr zimowy. Wykład 5. Karol Tarnowski A-1 p.

Zestaw zadań dotyczących liczb całkowitych

Indukcja matematyczna

Największy wspólny dzielnik Algorytm Euklidesa (także rozszerzony) WZAiP1: Chińskie twierdzenie o resztach

0.1 Pierścienie wielomianów

Wykład z równań różnicowych

0 + 0 = 0, = 1, = 1, = 0.

Twierdzenie Eulera. Kongruencje wykład 6. Twierdzenie Eulera

Całki nieoznaczone. 1 Własności. 2 Wzory podstawowe. Adam Gregosiewicz 27 maja a) Jeżeli F (x) = f(x), to f(x)dx = F (x) + C,

Skończone rozszerzenia ciał

WYRAŻENIA ALGEBRAICZNE

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Zasada indukcji matematycznej

MADE IN CHINA czyli SYSTEM RESZTOWY

W. Guzicki Próbna matura, grudzień 2014 r. poziom rozszerzony 1

Programowanie liniowe

I) Reszta z dzielenia

1 Całki funkcji wymiernych

Programowanie w Baltie klasa VII

Luty 2001 Algorytmy (8) 2000/2001

Przykładami ciągów, które Czytelnik dobrze zna (a jeśli nie, to niniejszym poznaje), jest ciąg arytmetyczny:

1. Liczby naturalne, podzielność, silnie, reszty z dzielenia

Podzielność liczb. Podzielność liczb

Funkcje - monotoniczność, różnowartościowość, funkcje parzyste, nieparzyste, okresowe. Funkcja liniowa.

Kongruencje pierwsze kroki

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

Maciej Grzesiak. Wielomiany

Obóz Naukowy Olimpiady Matematycznej Gimnazjalistów

Liczba 2, to jest jedyna najmniejsza liczba parzysta i pierwsza. Oś liczbowa. Liczba 1, to nie jest liczba pierwsza

Wyk lad 12. (ii) najstarszy wspó lczynnik wielomianu f jest elementem odwracalnym w P. Dowód. Niech st(f) = n i niech a bedzie

Kurs ZDAJ MATURĘ Z MATEMATYKI MODUŁ 2 Teoria liczby rzeczywiste cz.2

Rozwiązania, seria 5.

Analiza funkcjonalna 1.

ZALICZENIE WYKŁADU: 30.I.2019

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Rozwiązania zadań z kolokwium w dniu r. Zarządzanie Inżynierskie, WDAM, grupy I i II

Pierwiastki pierwotne, logarytmy dyskretne

Algorytm. a programowanie -

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Zegar ten przedstawia reszty z dzielenia przez 6. Obrazuje on jak kolejne liczby można przyporządkować do odpowiednich pokazanych na zegarze grup.

DZIAŁANIA NA UŁAMKACH DZIESIĘTNYCH.

Rozdział 7. Elementy teorii liczb. 7.1 Podstawowe własności liczb

Rozwiazywanie układów równań liniowych. Ax = b

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

4. Postęp arytmetyczny i geometryczny. Wartość bezwzględna, potęgowanie i pierwiastkowanie liczb rzeczywistych.

Transkrypt:

Arytmetyka liczb całkowitych Wykład 1 Na początku zajmować się będziemy zbiorem liczb całkowitych Z = {0, ±1, ±2,...}. Zakładamy, że czytelnik zna relację <, która porządkuje ten zbiór. Zakładamy również: Aksjomat dobrego porządku Każdy niepusty zbiór złożony z liczb całkowitych nieujemnych posiada element najmniejszy Oczywiście w całym zbiorze liczb całkowitych powyższy aksjomat nie jest spełniony (nie ma najmniejszej liczby całkowitej). Jak wiemy każdą liczbę całkowitą dodatnią można podzielić przez inną liczbę dodatnią z resztą. Ideę dzielenia z resztą wyjaśnia następujące twierdzenie. Twierdzenie 1 (Algorytm dzielenia) Niech a, b będą liczbami całkowitymi. Wtedy istnieje dokładnie jedna para liczb całkwitych q, r, taka że a = qb + r i 0 r < b Dowód Rozważmy zbiór S wszystkich liczb postaci a bx, gdzie x jest dowolną liczbą całkowitą, a więc S = {a bx x Z} Nietrudno jest zauważyć, że w zbiorze S istnieją liczby nieujemne. Niech więc S będzie podzbiorem zbioru S złożonym z wszystkich liczb nieujemnych. Mamy więc: S = {s S s 0} Zgodnie z aksjomatem dobrego porządku istnie najmniejsza liczba zawarta w zbiorze S. Oznaczmy tą liczbę przez r, a więc r = min(s ) Oznacza to, że istnieje q, takie że r = a qb i r 0. Pokażemy, że r < b. Niech bowiem r b, wtedy r b 0 i r b < r (bo b > 0) i mamy r b = a qb b = a (q + 1)b 1

To oznacza, że r b S i r b jest mniejsze od r, który jest minimalnym elementem w zbiorze S, a więc otrzymujemy sprzeczność. Sprzeczność ta wynikła z założenia, że r b. Zatem musimy być r < b. To daje nam rozkład postaci a = qb + r, gdzie 0 r < b. Teraz trzeba pokazać jednoznaczność rozkładu. Przypuśćmy, że istnieją dwie różne liczby r i r, takie że a = qb + r i a = q b + r i 0 r < b, 0 r < b. Wtedy mamy r > r lub r < r. Wystarczy zbadać jeden z tych przypadków, powiedzmy r > r. Wtedy mamy 0 < r r < b. Odejmując równości a = qb + r, a = q b + r od siebie stronami otrzymujemy 0 = (q q )b + (r r ), a stąd r r = (q q)b b co jest sprzecznością z założeniem r < b. A więc przepadek r > r jest niemożliwy. Podobnie jest w przypadku r < r. To oznacza, że rozkład jest jednoznaczny. Liczbę r nazywamy resztą z dzielenia a przez b. Przykłady 1. a = 4509, b = 145, wtedy a = 31 145 + 14, a więc resztą z dzielenia 4509 przez 145 jest r = 14. 2. Liczba a może być ujemna na przykład dla a = 4509, b = 145 mamy 4509 = ( 32) 145 + 131, a więc resztą z dzielenia 4509 przez 145 jest r = 131. Trzeba pamiętać, że reszta zawsze musi być liczbą większą od zera. Niech a, b będą liczbami całkowitymi i niech b 0. Wtedy mówimy, że liczba b dzieli a (lub, że b jest dzielnikiem a) jeśli istnieje liczba całkowita c, że a = bc. Fakt, że liczba b dzieli a zapisujemy symbolicznie b a, a jesli liczba b nie dzieli a to piszemy b a. Na przykład 24 96 bo 96 = 4 24. Podobnie 4 24 bo 24 = ( 6) ( 4). Liczba 3 nie dzieli liczby 7, a więc możemy zapisać 3 7. Można łatwo zauważyć, że jeśli liczba b dzieli a to liczba b dzieli a. Mamy więc proste stwierdzenie: Liczby a i a mają takie same dzielniki. Inną prostą uwagą jest, że 1 dzieli każdą niezerową liczbę całkowitą, oraz że każda niezerow liczba całkowita dzieli 0. Następne dwie uwagi dotyczą ilości dzielników danej liczby całkowitej: (i) dzielniki niezerowej liczby całkowitej a są mniejsze lub równe a, (ii) niezerowa liczba całkowita ma skończoną ilość dzielników. Na przykład dzielnikami liczby 12 są ±1, ±2, ±3, ±4, ±6, ±12. Niech a i b będą liczbami całkowitymi, z których przynajmniej jedna jest różna od zera. Wtedy największym wspólnym dzielnikiem tych liczb nazywamy największą liczbę całkowitą d, która dzieli jednocześnie a i b. Naj- 2

większy wspólny dzielnik oznaczamy przez NWD(a, b) i jest on wyznaczony (w tym przypadku) jednoznacznie. Inaczej mówiąc d = NWD(a, b) wtedy i tylko wtedy gdy (ii) jeśli c a i c b to c d. Z powyższej definicji widać, że NWD(a, b) 1. Na przykład NWD(12, 30) = 6. Problemem, który tu się pojawia jest konstruktywne wyznaczanie największego wspólnego dzielnika dwóch liczb. Problem ten można rozwiązać następująco. Zauważmy, że NWD(a, b) = NWD( a, b) = NWD(a, b) = NWD( a, b). Zatem możemy ograniczyć się do przepadku gdy a i b są liczbami dodatnimi. Załóżmy dodatkowo, że a b. Oczywiście jeśli b a to NWD(a, b) = b i problemu nie ma. Przypuśćmy, że b a wtedy możemy a podzielić przez b z niezerową resztą: a = q 0 b + r 0, 0 < r 0 < b Jeśli liczba c dzieli a i dzieli b to ta liczba musi dzielić również r 0. Oznacza to, że zbiór dzielników liczb a, b jest taki sam jak zbiór dzielników liczb b, r 0, a więc również NWD(a, b) = NWD(b, r 0 ). Można więc proces dzielenia z resztą kontynuować w następujący sposób: a = q 0 b + r 0, 0 < r 0 < b b = q 1 r 0 + r 1, 0 < r 1 < r 0 r 0 = q 2 r 1 + r 2, 0 < r 2 < r 1 r 1 = q 3 r 2 + r 3, 0 < r 3 < r 2. a więc w następnym kroku dzielimy poprzednią resztę przez następną resztę. Można zauważyć, że NWD(a, b) = NWD(b, r 0 ) = NWD(r 0, r 1 ) = NWD(r 1, r 2 ) =... i ponieważ ciąg reszt jest ściśle malejącym ciągiem liczb całkowitych nieujemnych to po skończonej ilości kroków musimy otrzymać resztę równą zero. Zgodnie z wcześniejszym stwierdzeniem największym wspólnym dzielnikiem liczb a i b będzie ostatnia niezerowa reszta w tym procesie. Opisany algorytm znajdowania największego wspólnego dzielnika nosi nazwę Algorytmu Euklidesa. Pokażemy teraz na przykładzie działanie tego algorytmu. Zadanie Wyznaczyć przy pomocy Algorytmu Euklidesa największy wspólny 3

dzielnik liczb 324 i 148. A więc wykonujemy kolejne dzielenia: 324 = 2 148 + 28 148 = 5 28 + 8 28 = 3 8 + 4 8 = 4 2 + 0 Ostatnią niezerową resztą jest 4. To oznacza, że NWD(324, 148) = 4. Jest to dużo lepszy i szybszy algorytm od rozkładania liczb na czynniki pierwsze. Pokażemy, że powyższy algorytm może posłużyć do znalezienia takich liczb całkowitych u, v, że 324u + 148v = 4. Najpierw z przedostatniego kroku możemy wyznaczyć 4 jako: 4 = 28 3 8 dalej krok wyżej mamy 8 = 148 5 28 podstawiając to do wcześniej otrzymanego wzoru mamy: 4 = 28 3 8 = 28 3 (148 5 28) = 16 28 3 148 w kroku wyżej mamy formułę na 28, więc możemy otrzymać: 4 = 28 3 8 = 16 28 3 148 = 16 (324 2 149) 3 148 = 16 324 35 148 co daje nam jedno z możliwych rozwiązań całkowitych równania 324u + 148v = 4, a mianowicie u = 16, v = 35. A więc Algorytm Euklidesa można wykorzystywać nie tylko do poszukiwania największego wspólnego dzielnika dwóch liczb, ale również do rozwiązywania równań typu ax + by = NWD(a, b). A więc prawdziwe jest następujące Twierdzenie. Twierdzenie 2 Niech a, b będą dwiema liczbami całkowitymi z których przynajmniej jedna liczba jest różna od 0. Wtedy istnieją liczby całkowite u, v, takie że ua + vb = NWD(a, b) Z powyższego twierdzenia wynika natychmiast następujący wniosek: Wniosek 1 Liczba d jest największym wspólnym dzielnikiem liczb a i b wtedy i tylko wtedy gdy (ii) jeśli c a i c b to c d 4

Dowód ( ) Niech d = NWD(a, b) wtedy zgodnie z powyższym twierdzeniem istnieją liczby całkowite u i v takie, że d = ua+vb. Jeśli liczba c a i c b to a = kc, b = lc dla pewnych k, l. Stąd d = ukc + vlc = (uk + vl)c, a więc c d. ( ) Jeśli c d to c d a więc punkty (i), (ii) pociągają warunki: (ii) jeśli c a i c b to c d które stanowią definicję największego wspólnego dzielnika. Liczby a i b nazywamy względnie pierwszymi jeśli NWD(a, b) = 1. Twierdzenie 3 Jeśli a bc i liczby a, b są względnie pierwsze to a c. Dowód Ponieważ NWD(a, b) = 1 to zgodnie z powyższym Twierdzeniem istnieją liczby u, v takie, że ua + vb = 1. Mnożąc to równanie obustronnie przez c mamy uac + vbc = c. Ponieważ a bc to istnieje k, że bc = ka, a więc uac + vka = c. Stąd (uc + vk)a = c, więc a c. 5