תורת המספרים ־ הרצאה 8
Transcription
תורת המספרים ־ הרצאה 8
תורת המספרים ־ הרצאה 8 19בנובמבר 2014 משפט אוילר לכל a ,n ≥ 1זר ל־ ,nמתקיים )aφ(n) ≡ 1 ( mod n למה אם n > 2טבעי אז ) φ(nזוגי. הוכחה אם e) pe |nמקסימלית כזו( ל־ pראשוני כלשהו ,אז מהכפליות של ) ,φ (pe ) |φ(n) ,φ(nו־ 1 e e φ (p ) = p 1 − )= pe−1 (p − 1 p אם pאי זוגי ,אז ) φ (peזוגי )כי p − 1זוגי( ,ואם p = 2ו־ ,e ≥ 2אז ) φ (peזוגי בגלל הגורם .pe−1 וכיוון ש־ n > 2סיימנו. טענה 1 אם ,n = rsכאשר r, s > 2זרים ,אז לכל aזר ל־ .a 2 φ(n) ≡ 1 ( mod n) ,n הוכחה נבחין כי ) am ≡ 1 ( mod nאמ"מ ,לפי משפט השאריות הסיני am ≡ 1 ( mod r) ,וגם ( am ≡ 1 ).mod s 1 וכעת ,ממשפט אוילר aφ(r) ≡ 1 ( mod r) ,ולכן ,בגלל ש־ ) φ(sזוגי ,אז ) φ(r) 21 φ(s 1 a )= a 2 φ(r)φ(s) ≡ 1 ( mod r באותו האופן: ) φ(s) 21 φ(r 1 a )= a 2 φ(r)φ(s) ≡ 1 ( mod s וסיימנו. קונגרואנציות פולינומיאליות פולינומים עם מקדמים ב־ Znמסומנים ] .Zn [xפולינום עם מקדמים ב־ Zמסומנים ].Z[x לדוגמה: 8x4 − 5x3 + 3x2 − 2x + 11 ו־ .n = 4 שני פולינומים כאלה נקראים שווים ,אם כל המקדמים שלהם שקולים מודולו .n כלומר: )8x4 − 5x3 + 3x2 − 2x + 11 ≡ 0 · x4 − x3 + 3x2 − 2x − 1 ( mod 4 פעולות חיבור וכפל מתבצעות מקדם-מקדם. נשים לב שלפי הגדרות אלה ) ,x3 6≡ x ( mod 3זאת על אף ש־ ).03 ≡ 0, 13 ≡ 1, 23 ≡ 2 ( mod 3 ההתאמה שלוקחת פולינום ב־ ] Zn [xומחזירה פונ' מ־ Znל־ Znאינה חח"ע. עבור פולינומים ב־ ] Zn [xעדיין ניתן לבצע חלוקה עם שארית בתנאים מסוימים. נבחין שאם ) p(xפול' עם מקדמים שלמים ,ו־ ) q(xפול' עם מקדמים שלמים ,ומקדם מוביל )המקדם של החזקה הגבוהה ביותר( ,1אז אפשר לחלק עם שארית )במספרים הממשיים( ולקבל: )p(x) = m(x)q(x) + r(x כאשר ).0 ≤ deg(r) < deg(q במצב זה ל־ ) m(xו־ ) r(xגם כן יהיו מקדמים שלמים .לכן מתקיים גם: )p(x) ≡ m(x)q(x) + r(x) ( mod n ∀n ≥ 1, לא קשה לראות שאפשר גם לחלק בפול' qמעל מודולו nכל עוד המקדם המוביל של qהוא הפיך מודולו .n 2 טענה יהי ] p(x) ∈ Z[xו־ nטבעי .אם aשלם הוא שורש של הפולינום pמודולו ,nכלומר ( p(a) = 0 ) ,mod nאז ) x − a|p(xמודולו .n הוכחה נחלק את pעם שארית ב־ )) (x − aמותר לעשות כי המקדם המוביל הוא ,1ונקבל )p(x) = m(x)(x − a) + r(x כאשר ) r(xקבוע .r(x) = r ,נציב x = aונקבל ) .0 ≡ p(a) = r ( mod nלכן ),r ≡ 0 ( mod n כלומר ) ,x − a|p(xוסיימנו. משפט לגראנג' יהי pראשוני p(x) 6≡ 0 ,פולינום ב־ ] ,Zp [xלקונגרואנציה ) p(x) ≡ 0 ( mod pיש לכל היותר )) deg (p(xפתרונות שונים מודולו .p הוכחה יהיו a1 , ..., arשורשים שונים של ) p(xמודולו .pנחלק ב־ ) x − a1הרי שהראינו שהפולינום מתחלק ב־ x − aעבור aשורש כלשהו( ונקבל )p(x) ≡ m1 (x) (x − a1 ) ( mod p כאשר נציב בשוויון זה aiעבור i > 1נקבל: )0 ≡ p (ai ) ≡ m (ai ) (ai − a1 ) ( mod p נובע ש־ )) m (ai ) ≡ 0 ( mod pהשתמשנו בכך ש־ Zpשדה ־ כלומר כאשר מכפלה שווה ל־ ,0אחד המוכפלים בהכרח שווה ל־.(0 באינדוקציה, )m1 (x) ≡ m2 (x) (x − a2 ) ( mod p )m2 (x) ≡ m3 (x) (x − a3 ) ( mod p . . . ניתן לבצע תהליך זה רק )) deg (p(xפעמים ,כי המקדם קטן ב־) 1לפחות( בכל חלוקה. 3 דוגמה יהי pראשוני ,נתבונן ב־ .p(x) = xp − x תזכורת :משפט פרמה הקטן p :ראשוני ,לכל ).ap−1 ≡ 1 ( mod p) ,a 6≡ 0 ( mod p ממשפט פרמה הקטן ,כל xהוא שורש של ) p(xמודולו ,pכלומר } {0, 1, ..., p − 1הם פתרונות. ממשפט לגראנג' ,אלה הם כל השורשים. )xp − x ≡ x(x − 1)(x − 2) · ... · (x − (p − 1)) ( mod p לכן גם )xp−1 − 1 ≡ (x − 1)(x − 2) · ... · (x − (p − 1)) ( mod p בפרט ,המקדם החופשי של שני האגפים שווה ,כלומר אם נציב x = 0נקבל )−1 ≡ (−1)(−2) · ... · (−(p − 1)) ( mod p כלומר )−1 ≡ −1p−1 (p − 1)! ( mod p אם ,p 6= 2נקבל )−1 ≡ (p − 1)! ( mod p וזהו משפט ווילסון. דוגמה נפתור ).x2 ≡ 1 ( mod 8 קל לבדוק ש־ x = 1, 3, 5, 7הם פתרונות .יש ארבעה פתרונות ,על אף שהמשוואה ממעלה 8) 2אינו ראשוני ,ולכן משפט לגראנג' אינו תקף(. מעל השדות Zpאפשר לבצע הרבה מהפעולות שאנו מבצעים במספרים שלמים .למשל ,חלוקה עם שארית תקפה )מעל שדות כל איבר שאינו 0הוא איבר הפיך( ,וכן אלגוריתם אוקלידס וההגדרה של gcdתקפים ,כאשר כעת מודדים גודל של פולינום באמצעות הדרגתו במקום ע"י הערך המוחלט שלו, כמו בשלמים .כמו כן ,ישנו פירוק יחיד של פולינום למכפלת אי-פריקים. 4 דוגמה נמצא מודולו 7את gcd 5x4 + 2x3 − x2 + 3x − 1, 2x2 + 6x + 5 נשתמש באלג' אוקלידס −x2 + 4x + 4 −2x4 + 2x3 − x2 + 3x − 1 | 2x2 − x − 2 −2x4 + x3 + 2x2 x3 − 3x2 + 3x − 1 x3 − 4x2 − x x2 + 4x − 1 x2 − 4x − 1 x )5x4 + 2x3 − x2 + 3x − 1 ≡ (−x2 + 4x + 4) · 2x2 + 6x + 5 + (x) ( mod 7 2x2 + 6x + 5 ≡ (2x + 6)x + 5 x ≡ 3·x·5+5 לכן ,gcd(p(x), q(x)) = 5אבל אם ) F (x)|q(x) ( mod pאז גם ) aF (x)|q(x) ( mod pכאשר aהפיך כלשהו )בשדה של ראשוניים ,כל מספר הפיך( ,שכן מהנתון ידוע כי קיים ) m(xכך ש־ ) F (x)m(x) ≡ q(xאבל אז ) ,aF (x) · (a−1 m(x)) ≡ q(xולכן ).aF (x)|q(x כלומר ,במקרה שלנו ,נוכל לומר כי ,gcd (p(x), q(x)) = 1שכן 5−1 = 1מודולו .7ואז נוכל לומר כי p, qזרים. דוגמה הפולינום x2 + 2אי-פריק מודולו .5כלומר ,לא קיים פולינום ) q(xב־ ] Z5 [xכך ש־ q(x)|x2 + 2ו־ .0 < deg(q) < deg (x2 + 2) = 2 פתרון אם קיים x2 + 2פריק אז הוא מתחלק בגורם לינארי ) ax + bכי x2 + 2הוא ממעלה .(2כלומר, x2 + 2פריק אמ"מ יש לו שורש ב־ ) Z5כי לכל פולינום לינארי יש שורש( .נציב: x = 0 : 2, x = 1 : 3, x = 2 : 1, x = 3 : 1, x = 4 : 3 ולכן אין שורש ל־ .x2 + 2 5 דוגמה פרק את x3 − 3x − 3מודולו .5 פתרון אם יש מחלק ) q(xבעל ,0 < deg(q) < 3אז x3 − 3x − 3מתפרק למכפלה של גורם לינארי עם גורם ריבועי .לכן ,בפרט ,יהיה שורש ל־ x3 − 3x − 3ב־ .Z5 נחפש שורש: x = 0 : −3, x = 1 : 0 נחלק ב־ ) ,(x − 1ונקבל )x3 − 3x − 3 ≡ x2 + x − 2 (x − 1 נבדוק האם קיים פירוק נוסף ל־ .x2 + x − 2נבדוק שורשים: x=1:0 נחלק ב־ ) (x − 1פעם נוספת ונקבל: )x3 − 3x − 3 ≡ (x − 1)2 (x − 3 פתרון משוואות פולינומיות טענה יהי ] ,p(x) ∈ Z[xו־ ) n = pe11 · ... · pel lפירוק לראשוניים( .יש פתרון לקונגרואנציה )(∗) p(x) ≡ 0 ( mod n אמ"מ יש פתרון לכל אחת מהקונגרואנציות ) (∗∗) p(x) ≡ 0 ( mod pei i יתר על כן ,אם יש sפתרונות ל )∗( ו־ siפתרונות ל־ )∗∗( אז si 6 Ql i=1 = .s הוכחה ברור כי אם ) p(x) ≡ 0 ( mod nאז גם i mod pei .p(x) ≡ 0 נניח כעת כי )∗∗( פתיר לכל .iנסמן את הפתרונות הללו ב־ ) .(ai ממשפט השאריות הסיני ,קיים aיחיד מודולו nהמקיים )קיים כי כל ה־ piזרים בזוגות(: ) a = ai ( mod pei i לכל .iנראה כי ) .p(a) ≡ 0 ( mod nהדבר נובע ממשפט השאריות הסיני .נסמן ( )y ≡ p(a ) .mod nאז ) 0 .y ≡ p (ai ) ≡ 0 ( mod pei iהוא מספר שמקיים את כל הקונגרואנציות הללו מודולו ,nומהיחידות במשפט השאריות הסיני 0 ,הוא המספר היחיד ,ולכן ).y ≡ 0 ( mod n כדי להראות את טענת הספירה של פתרונות נסמן ב־ Siאת קבוצת הפתרונות ל־ ≡ )p(x ) .0 ( mod pei iנסמן ב־ Sאת קבוצת הפתרונות ל־ ).p(x) ≡ 0 ( mod n נרצה להוכיח ש־ | .|S| = |S1 | · ... · |Slהדבר ינבע מקיום T : S1 × ... × Sl → S שהיא חח"ע ועל )וכך נראה שהגדלים של הקבוצות שווים(. ראינו התאמה שמקבלת את ai ∈ Siומחזירה .a ∈ Sנותר להראות שהיא חח"ע ועל. חח"ע אם a = a1 , .., alשונה מ־ ) b = b1 , ..., blבמודולואים המתאימים( אז ) T (a) 6≡ T (bמודולו ,nכי לפי הגדרת ,b ≡ bi , a ≡ ai ( mod pei i ) Tאבל aנבדל מ־ .b על צ"ל שלכל p(a) ≡ 0 aמודולו ,nקיימים a1 , ..., alמודולו peiכך ש־ ) .p (ai ) ≡ 0 ( mod pei i אכן ,ניתן לקחת ) .ai ≡ a ( mod pei i 7