Matematyka dyskretna

Podobne dokumenty
Teoria liczb. Zajmuje się własnościami liczb, wszystkim całkowitych

Teoria liczb. Magdalena Lemańska. Magdalena Lemańska,

Przykładowe zadania z teorii liczb

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Podzielność liczb. Podzielność liczb

Elementy teorii liczb. Matematyka dyskretna

Matematyka Dyskretna Zestaw 2

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

Matematyka dyskretna

Wykład 1. Na początku zajmować się będziemy zbiorem liczb całkowitych

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Wybrane zagadnienia teorii liczb

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

Matematyka dyskretna

Algorytmy i struktury danych. Wykład 4

Kongruencje pierwsze kroki

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

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

Liczby całkowite. Zadania do pierwszych dwóch lekcji

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

LX Olimpiada Matematyczna

I) Reszta z dzielenia

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, lato 2012/13. W dniu 21 lutego 2013 r. omawiamy test kwalifikacyjny.

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

Kongruencje twierdzenie Wilsona

Liczby pierwsze. Kacper Żurek, uczeń w Gimnazjum nr 1 im. Jana Pawła II w Giżycku.

Algorytmy w teorii liczb

Matematyka dyskretna. Wykład 5: Funkcje multiplikatywne. Gniewomir Sarbicki

Poprawność semantyczna

Liczby pierwsze rozmieszczenie. Liczby pierwsze rozmieszczenie

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Sumy kwadratów kolejnych liczb naturalnych

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

0 --> 5, 1 --> 7, 2 --> 9, 3 -->1, 4 --> 3, 5 --> 5, 6 --> 7, 7 --> 9, 8 --> 1, 9 --> 3.

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

Wrocław, Wstęp do informatyki i programowania: liczby pierwsze. Wydział Matematyki Politechniki Wrocławskiej.

Indukcja matematyczna. Zasada minimum. Zastosowania.

Zaawansowane algorytmy i struktury danych

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.

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

Twierdzenie Eulera. Kongruencje wykład 6. Twierdzenie Eulera

Relacje. opracował Maciej Grzesiak. 17 października 2011

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);

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

Matematyka dyskretna

Teoria liczb. Wykład nr 1: Podzielność i algorytm Euklidesa Semestr letni 2018/2019

Analiza kongruencji. Kongruencje Wykład 3. Analiza kongruencji

Paweł Gładki. Algebra. pgladki/

Zestaw zadań dotyczących liczb całkowitych

Algebra liniowa z geometrią analityczną

Ciała skończone. 1. Ciała: podstawy

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, 2019 Zadania 1-100

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, zima 2015/16

Twierdzenie o liczbach pierwszych i hipoteza Riemanna

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

Podstawowe elementy programu. patrz: następne 2 slajdy. Podstawowe elementy programu. Komendy proste:

Luty 2001 Algorytmy (8) 2000/2001

MADE IN CHINA czyli SYSTEM RESZTOWY

1. Określenie pierścienia

Maciej Grzesiak. Wielomiany

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

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, 2017 Zadania 1

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

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

Rozwijanie uzdolnień matematycznych uczniów. semestr letni, 2018/2019 wykład nr 8

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, lato 2014/15

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

Kodowanie i kompresja Streszczenie Studia Licencjackie Wykład 15, Kryptografia: algorytmy asymetryczne (RSA)

Pierścień wielomianów jednej zmiennej

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, zima 2012/13

Podstawy Informatyki. Algorytmy i ich poprawność

i=0 a ib k i, k {0,..., n+m}. Przypuśćmy, że wielomian

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

Jednoznaczność rozkładu na czynniki pierwsze I

Podstawowe pojęcia teorii podzielności.

Matematyka dyskretna. 1. Relacje

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

Matematyka dyskretna

Sumy kolejnych bikwadratów

Podzielność, cechy podzielności, liczby pierwsze, największy wspólny dzielnik, najmniejsza wspólna wielokrotność.

Obóz Naukowy Olimpiady Matematycznej Gimnazjalistów

Kodowanie i kompresja Streszczenie Studia Licencjackie Wykład 14, Kryptografia: algorytmy asymetryczne (RSA)

Kongruencje. Sławomir Cynk. 24 września Nowy Sącz. Instytut Matematyki Uniwersytetu Jagiellońskiego

Kongruencje oraz przykłady ich zastosowań

11. Liczby rzeczywiste

W. Guzicki: Liczby pierwsze 1 LICZBY PIERWSZE. Warszawa, 11 kwietnia 2013 r.

Dziedziny Euklidesowe

Arytmetyka. Działania na liczbach, potęga, pierwiastek, logarytm

Wielomiany jednej zmiennej rzeczywistej algorytmy

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

Indukcja matematyczna

Dlaczego nie wystarczają liczby wymierne

Rozdział 7. Elementy teorii liczb. 7.1 Podstawowe własności liczb

1 Wyrażenia potęgowe i logarytmiczne.

LICZBY POWTÓRKA I (0, 2) 10 II (2, 5) 5 III 25 IV Liczba (0, 4) 5 jest równa liczbom A) I i III B) II i IV C) II i III D) I i II E) III i IV

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, lato 2010/11

Przypomnienie wiadomości dla trzecioklasisty C z y p a m i ę t a s z?

Grzegorz Bobiński. Matematyka Dyskretna

Transkrypt:

Matematyka dyskretna Wykład 4: Podzielność liczb całkowitych Gniewomir Sarbicki

Dzielenie całkowitoliczbowe Twierdzenie: Dla każdej pary liczb całkowitych (a, b) istnieje dokładnie jedna para liczb całkowitych (q, r) spełniająca równanie a = qb + r przy warunku r {0,... b 1}. Liczby te oznaczamy następująco: q = a div b lub a b a mod b iloraz całkowitoliczbowy liczb a i b reszta z dzielenia a przez b

Relacja podzielności Definicja: Mamy dane dwie liczby a, b Z. Jeżeli: k Z b = a k to mówimy że liczba a dzieli liczbę b i ozaczamy ten fakt jako a b. Fakt: Relacja podzielności (Z) 2 jest relacją częściowego porządku (zwrotna, słabo antysymetryczna, przechodnia). Własności relacji podzielności: a b = c Z a (cb) a b a c = a (b + c), a (b c)

Największy wspólny dzielnik Definicja: Największy wspólny dzielnik liczb a i b to największa liczba całkowita, która dzieli obie liczby. Oznaczamy go jako N W D(a, b). Lemat: Jeżeli 0 < a b, to NW D(a, b) = NW D(b mod a, a) Dowód: Oznaczmy d = NW D(a, b). b mod a = b (b a) a d dzieli oba składniki po prawej stronie równości, zatem dzieli lewą stronę (d b, a = d a, b mod a). W drugą stronę: b = b mod a + (b a) a d dzieli oba składniki po prawej stronie równości, zatem dzieli lewą stronę (d a, b mod a = d b, a). Pary (b, a) i (a, b mod a) mają te same wspólne dzielniki, więc również NWD

Algorytm Euklidesa START a,b (a,b)=(max{a,b},min{a,b}) T F NWD=a b=0 a = a mod b STOP (a,b) = (b,a) Dowód poprawności algorytmu: Na podstawie lematu, NW D jest niezmiennikiem pętli. W każdym przebiegu pętli liczby a i b się zmniejszają i nie można dostać liczby mniejszej od 0, zatem pętla skończy swoje działanie. Gdy pętla skończy działanie, NW D będzie równy NW D(a, 0) = a.

Złożoność czasowa Twierdzenie: Algorytm kończy się w mniej niż 2 log 2 (a + b) krokach. Dowód: Dla dowolnych dwóch liczb a, b: b + a mod b < 2b < 2b(a b) / + 2(a mod b) + 2b 3(b + a mod b) < 2(a + b) b + a mod b < 2 3 (a + b) W każdym przebiegu pętli, suma liczb a, b zmniejsza się przynajmniej o 2 3. ) k 1 wynik + 0 (a + b) ( 2 3 k log 3 (a + b) = log 2 (a+b) 2 log 2 ( 3 2 ) < 2 log 2 (a + b)

Rozszerzony algorytm Euklidesa Twierdzenie: Niech a, b N i d = NW D(a, b). Wtedy istnieją x, y Z takie, że: xa + yb = d Dowód: Udowodnimy indukcyjnie, że w każdym przebiegu pętli algorytmu Eulidesa liczby a n i b n można przedstawić jako kombinację całkowitoliczbową liczb wejściowych a 0, b 0. (P) Liczby a 0 i b 0 są swoimi kombinacjami w oczywisty sposób (I) Niech a n = x a a 0 + y a b 0 oraz b n = x b a 0 + y b b 0. Wtedy a n+1 = x b a 0 + y b b 0, natomiast b n+1 = a n (a n b n )b n = (x a x b (a n b n ))a 0 + (y a y b (a n b n ))b 0, zatem a n+1 i b n+1 znów są kombinacjami całkowitoliczbowymi liczb a 0 i b 0. Zachodzi to również dla ostaniego przebiegu pętli, zatem własność tę posiada również NW D(a 0, b 0 )

Rozszerzony algorytm Euklidesa START a,b (a,b)=(max{a,b},min{a,b}) xa=1; ya=0; xb=0; yb=1 NWD=a xa, ya T b=0 F STOP a = a mod b xa -= xb * (a div b) ya -= yb * (a div b) (a,b) = (b,a) (xa,xb) = (xb,xa) (ya,yb) = (yb,ya)

Liczby pierwsze i względnie pierwsze Definicja: Liczbę naturalną p nazywamy pierwszą, jeżeli jej jedynymi dzielnikami naturalnymi są 1 i samo p. Zbiór liczb pierwszych będziemy oznaczać jako P Liczby pierwsze mniejsze od 50: 1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47 Definicja: Liczby naturalne a i b nazywamy względnie pierwszymi, jeżeli NW D(a, b) = 1. Przykład: Liczby 9 i 16 są względnie pierwsze

Rozkład na czynniki pierwsze Definicja: Liczbę naturalną, która nie jest liczbą pierwszą, nazywamy liczbą złożoną Fakt: Każdą liczbę złożoną da się przedstawić jako iloczyn liczb pierwszych. Dowód: Indukcyjny: Każda liczba mniejsza niż n ma tę własność...

Jednoznaczność rozkładu Lemat (L1) Niech a, b względnie pierwsze. Wtedy c a bc = a c Dowód: a, b xa + yb = 1. Zatem xca + ycb = c. Ponieważ a dzieli obie liczby po lewej stronie, dzieli też prawą stronę. Lemat L2 Dla l. pierwszych p, q 1,..., q n mamy p q i q n = i p = q i Dowód: (indukcyjny) Dla n = 1: p q 1 (oczywiste) (I): p q 1 q n+1 p q n+1 = p = q n+1 - OK NW D(p, q n+1 ) = 1 i jednocześnie p q 1 q n+1. Stąd (L1): z.ind. p q 1 q n = i n p q i.

Jednoznaczność rozkładu Zasadnicze twierdzenie arytmetyki: Każdą liczbę naturalną można w sposób jednoznaczny przedstawić w postaci iloczynu: n = p α 1 1 pαr r, dla l. pierwszych p 1 < < p r oraz naturalnych wykładników α i. Dowód: Niech n będzie najmniejszą liczbą, dla której istnieją dwa różne rozkłady: n = p α 1 1 pαr r = q β 1 1 qβs s, Żaden czynnik z lewej strony, powiedzmy p 1, nie może występować po prawej stronie (bo wtedy liczba n p byłaby mniejszą liczbą o niejednoznacznym rozkładzie). Z drugiej strony, liczba p dzieli prawą stronę, zatem na mocy (L2) występuje w tym iloczynie.

Lemat Euklidesa Lemat: (Euklidesa) Dla dowolnego zbioru liczb pierwszych {a 1,..., a n } liczba a 1... a n + 1 nie jest podzielna przez żadną z liczb z tego zbioru. Wniosek: Ponieważ liczba a 1 a n + 1 jest podzielna przez pewną liczbę pierwszą, zatem istnieje liczba pierwsza spoza tego zbioru = Istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych. Postulat Bertranda n N p P p [n, 2n) Udowodniony przez Czebyszewa. Fakt: Istnieje dowolnej długości ciąg kolejnych liczb złożonych Dowód: Rozważ ciąg n! + 2,..., n! + n

Funkcja π Definicja: Wartością funkcji π : N N jest ilość liczb naturalnych mniejszych bądź równych od jej argumentu. π(n) 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 n

Twierdzenie o liczbach pierwszych Twierdzenie (o liczbach pierwszych) Stosunek funkcji π(x) i funkcji x ln x zmierza do 1 dla x. Twierdzenie to zapostulował Gauss w 1792 roku. Zostało udowodnione przez Poussina i Hadamarda w 1896 roku we wzmocnionej wersji: π(x) li(x) < c 1 xe c 2 ln x li(x) df = x 0 dt x ln t x ln(x) W roku 1949 roku P.Erdős i A. Seberg podali dowód nie używający teorii funkcji zmiennej zespolonej.

Sito Eratostenesa Wygeneruj tablicę liczb od 2 do N i:=1 while i sqrt(n): i:=i+1 jeżeli i nie jest wykreślone, usuń z tablicy jego wielokrotności Liczby które zostaną w tablicy są liczbami pierwszymi

n-ta liczba pierwsza Oznaczmy przez p n n-tą liczbę pierwszą. Nie istnieje praktyczny wzór pozwalający wyznaczyć p n. Istnieje wzór przybliżony: p n n ln n (p n > n ln n) p n n ln n 1