תורת המספרים ־ הרצאה 9
Transcription
תורת המספרים ־ הרצאה 9
תורת המספרים ־ הרצאה 9 26בנובמבר 2014 קונגרואנציות פולינומיאליות פולינום ]) p(x) ∈ Z[xעם מקדמים שלמים(. רוצים לפתור )p(x) ≡ 0 ( mod n משפט לגרנג' אם pראשוני ,אז למשוואה ) p(x) ≡ 0 ( mod pיש לכל היותר ) deg(pפתרונות. משפט כדי לפתור את )(∗) p(x) ≡ 0 ( mod n כאשר ל־ nהפירוק לראשוניים n = pe11 · ... · pel lמספיק לפתור ) p(x) ≡ 0 ( mod pei i )∗∗( ,ומהם ניתן לשחר את הפתרונות מודולו .n ראינו איך למצוא את הפתרונות בעזרת משפט השאריות הסיני. ראינו גם שאם ל־ )∗( יש sפתרונות ול־ )∗∗( יש siפתרונות אז si דוגמה )x3 + 3x − 4 ≡ 0 ( mod 175 ניתן לראות כי .175 = 52 · 7 המשוואה הנ"ל שקולה ל־ ( ) x3 + 3x − 4 ≡ 0 ( mod 52 )x3 + 3x − 4 ≡ 0 ( mod 7 1 Ql i=1 = .s כיצד נפתור ) p(x) ≡ 0 ( mod peכאשר pראשוני? נבחין שאם xפתרון ,אז xפותר גם את ) p(x) ≡ 0 ( mod pjעבור .1 ≤ j ≤ e נראה דרך לעבור מפתרון מודולו pלפתרון/נות מודולו p2ומשם הלאה עד .pe נשים לב ש־ p00 (r) 2 z + ... !2 p(r + z) = p(r) + p0 (r) · z + )טור טיילור(. המקדמים p(r), p0 (r), ...שלמים עבור rשלם ,כיוון ש־ = ai i(i − 1) · ... · (i − s + 1)xi−s m X = )p(s) (x i=s m X !i = xi−s (i − !)s i=s m X i i−s != s ai x s i=s {z } | ai = ∈Z כעת ,נייח כי קיים פתרון בו ) x ≡ r ( mod pל־ ) .p(x) ≡ 0 ( mod pנרשום ,x = r + pkונציב למעלה: p(r + pk) = p(r) + p0 (r) · pk + p2 · a כאשר aשלם ,כיוון ש־ aחזקה של שלם. לכן mod p2 p(r + pk) ≡ p(r) + p0 (r) · pk כעת ,נשתמש בכך ש־ ) p(r) ≡ 0 ( mod pונרשום p(r) ≡ a · pלכן אם נחפש פתרון מודולו ,p2 0 ≡ p(r + pk) ≡ a · p + p0 (r) · pk mod p2 ⇒⇐ 0 ≡ )a + p0 (r)k ( mod p )פשוט נוכל לצמצם את המשוואה העליונה ב־ .(p 2 כעת ישנם שלושה מקרים: .1אם ) p0 (r) 6≡ 0 ( mod pנקבל ) k ≡ (−a)[p0 (r)]−1 ( mod pומכאן שקיים פתרון יחיד x מודולו p2המקיים )) x ≡ r ( mod pהרמה יחידה(. ≡ ,aנסיק שאין פתרון xמודולו p2המקיים .2אם ) p0 (r) ≡ 0 ( mod pו־ )6 0 ( mod p )) x ≡ r ( mod pלא קיימת הרמה עבור rזה(. .3אם ) p0 (r) ≡ 0 ( mod pו־ ) ,a ≡ 0 ( mod pאז כל kהוא פתרון ,כלומר כל xמהצורה x ≡ r + pkהוא פתרון מודולו p2המקיים )) x ≡ r ( mod pהרמה ל־ pפתרונות שונים מודולו .(p2 כעת נרצה להרים פתרונות מודולו p2לפתרונות מודולו p3או .pjשוב ,אם x = r + p2 kאז p r + p2 k = p(r) + p0 (r) · p2 k + p4 · t כאשר שוב.t ∈ Z , כלומר p r + p2 k = p(r) + p0 (r) · p2 k mod p3 ושוב נרשום p(r) = ap2ואז mod p3 p(r) + p0 (r)p2 k )a + p0 (r) · ( mod p ≡ ⇒⇐ ≡ ונוכל להמשיך כמו קודם .עדיין ) p0 (r) ( mod pכפי שהיה קודם. נחזור לקודם שראינו מקודם. דוגמה p(x) = x3 + 3x − 4 ( ) x3 + 3x − 4 ≡ 0 ( mod 52 )x3 + 3x − 4 ≡ 0 ( mod 7 3 0 0 נתחיל בלפתור מודולו :7נעבור על האפשרויות: ( p(0) ≡ −4 )( mod 7 p(1) ≡ 0 כעת ,נוכל לחלק את ) p(xב־ .x − 1נקבל: x3 + 3x − 4 )= x2 + x + 4 = q(x x−1 כלומר ,מספיק לנו רק לבדוק את ) .q(xנמשיך עם המספרים מודולו :7 q(2) ≡ 3 q(3) ≡ 2 ( mod 7) q(4) ≡ 3 q(5) ≡ −1 q(6) ≡ 4 קיבלנו שרק ).p(1) ≡ 0 ( mod 7 נפתור כעת מודולו .52נפתור קודם מודולו .5 ≡ −4 ≡0 ≡0 ≡2 ≡2 )p(0 )p(1 )( mod 5) p(2 )p(3 )p(4 לכן ישנם שני פתרונות מודולו x = 1 :5ו־ .x = 2 נרצה למצוא את כל ההרמות לפתרונות אלה. )x ≡ 1 ( mod 5 נרשום .x = 1 + 5kנחשב .p0 (x) = 3x2 + 3כעת ,נרצה ש־ p(r) + p0 (r) · 5k ≡ 0 mod 52 ][r ≡ 1 נציב ) ,p(r) ≡ p(1) ≡ 0 ( mod 52ו ) p0 (r) ≡ p0 (1) ≡ 6 ( mod 52 mod 52 0 )0 ( mod 5 ⇒⇐ ≡ ⇒⇐ ≡ 4 0+6·5·k 6k )x ≡ 2 ( mod 5 ).x = 2 + 5k ,r ≡ 2 ( mod 5 mod 52 mod 52 p(2) = 10 ≡ 10 p0 (2) = 15 ≡ 15 לכן 2 mod 5 0 )0 ( mod 5 )0 ( mod 5 ≡ ⇒⇐ ≡ ⇒⇐ ≡ p(r) + p0 (r) · 5k 10 + 15 · 5k 2 כלומר ,אין הרמה. מצאנו שהפתרונות היחידים מודולו 52ו־ 7הם ) x ≡ 1 ( mod 52ו־ ).x ≡ 1 ( mod 7 נחפש פתרון מודולו .175כלומר x ,כך ששתי המשוואות הנ"ל מתקיימות .נקבל )x ≡ 1 ( mod 175 הוא הפתרון היחיד מודולו .175 שורשים פרימיטיביים ניזכר במשפט אוילר ,לכל aזר ל־ nמתקיים ).aφ(n) ≡ 1 ( mod n הגדרה יהי nטבעי .מספר aזר ל־ nנקרא שורש פרימיטיבי מודולו nאם הטבעי המינימלי bכך ש־ ( ab ≡ 1 ) mod nהוא ).φ(n הגדרה יהי nטבעי a ,זר ל־ .nהסדר של ) a ( mod nמסומן ) ordn (aהוא הטבעי המינימלי bכך ש־ ).ab ≡ 1 ( mod n למשל ordn (1) = 1 ,ו־ ) a ⇐⇒ ordn (a) = φ(nהוא שורש פרימיטיבי. ממשפט אוילר.ordn (a) ≤ φ(n) , ניזכר בדוגמה שהייתה :אם n = r · sעבור r, s > 2זרים ,אז לכל aזר ל־ ≡ 1 ( mod n) n 1 )φ(n 2 כלומר ,עבור nכזה אין שורש פרימיטיבי .נראה בהמשך שקיים שורש פרימיטיבי מודולו nאמ"מ n = 2, n = 4, n = pj , n = 2pj עבור p ≥ 3ראשוני. 5 .a טענה יהי nטבעי a .זר ל־ .nבעצם ak ≡ 1 ( mod n) ,אמ"מ .ordn (a)|kבפרט.ordn (a)|φ(n) , הוכחה ⇒ ברור ⇐ נחלק את kב־ ) ordn (aעם שארית k = q · ordn (a) + r, )0 ≤ r < ordn (a ונבחין ש־ q )1 ≡ ak ≡ aq·ordn (a)+r ≡ aordn (a) · ar ≡ ar ( mod n מהגדרת ) ordn (aנובע ש־ ) r = 0כי הסדר הוא הטבעי המינימלי שמקיים את הנ"ל ,ולקחנו את r להיות קטן ממש מהסדר( ,כלומר .ordn (a)|kכנדרש. דוגמה מצא ).ord19 (5 ראשית .φ(19) = 18 ,לכן }.ord19 (5) ∈ {1, 2, 3, 6, 9, 18 כעת, )6 ( mod 19 )6 · 5 ≡ 11 ( mod 19 )112 ≡ (−8)2 ≡ 64 ≡ 7 ( mod 19 )56 · 53 ≡ 7 · 11 ≡ 77 = 1 ( mod 19 כלומר.ord19 (5) = 9 , נראה כעת שאם ידוע ) ordn (aקל לחשב את ) .ordn (am נניח כי )am·r ≡ 1 ( mod n עבור .r ≥ 1ע"פ הטענה ,הנ"ל מתקיים אמ"מ d = ordn (a)|m · r 6 ≡ ≡ ≡ ≡ 52 53 56 59 כלומר .m · r ≡ 0 ( mod d) ,נסמן ) .g = gcd(m, dאז m d ⇒⇐ )( mod d r≡0 mod ⇒⇐ g g d )ordn (a d = ⇐⇒ r = k ·k r≡0 mod g g ))gcd (m, ordn (a כאשר המעבר הראשון טריוויאלי ,והשני נובע מהעובדה ש־ . dg m g ו d g ≡ mr ⇒⇐ זרים ,ולכן קיים הפיך ל־ m g מודולו ואז: )ordn (a ))gcd (m, ordn (a = ) ordn (am )כי אנחנו מחפשים את הטבעי המינימלי ,אז נציב .(k = 1 דוגמה 9 =3 )gcd(6, 9 = ord19 56 טענה אם aשורש פרימיטיבי מודולו ,nאז })Z∗n = {am : 1 ≤ m ≤ φ(n הוכחה מספיק להראות שכל המספרים בקבוצה זו שונים מודולו ,כיוון שברור שכולם ב־ .(???) Z∗nאילו ) ar ≡ as ( mod nעבור ) ,1 ≤ r ≤ s ≤ φ(nאז )as−r ≡ 1 ( mod n ולכן ,φ(n) = ordn (a)|s − rומכאן ש־ ) s = rכי כאמור.(r, s ≤ φ(n) , מסקנה יהי aשורש פרימיטיבי מודולו .nאז amשורש פרימיטיבי מודולו nאמ"מ ) gcd(m, φ(n)) = 1נובע ישירות מהנוסחה שראינו קודם ל־ ) .(ordn (am לכן ,ישנם בדיוק )) φ(φ(nשורשים פרימיטיביים מודולו ) nאם קיים שורש אחד(. 7 משפט יהי pראשוני ,אז קיים שורש פרימיטיבי מודולו .p שאלה פתוחה :האם קיימים אינסוף ראשוניים pכך שהמספר 2הוא שורש פרימיטיבי מודולו ?p הוכחה נשים לב כי φ(p) = p − 1ולכן הסדרים האפשריים ל־ aשזר ל־ pהם מחלקי .p − 1 יהי ,d|p − 1נגדיר את הפונ': |}ψ(d) = |{0 ≤ a < p | ordp (a) = d נראה כי ) ,ψ(d) = φ(dומכאן ינבע ש־ ,ψ(p − 1) = φ(p − 1) ≥ 1ולכן קיים שורש פרימיטיבי. לפי ההגדרה: ψ(d) = p − 1 X d|p−1 כי ??? ניזכר גם ש־ φ(d) = p − 1 X d|p−1 נסתמך על כך בהוכחה. שלב א' נראה כי אם ψ(d) > 0עבור ,d|p − 1אז ) φ(d) = ψ(dעבור dזה. שלב ב' נובע ש־ φ(d) = 0 X d|p−1 ψ(d)=0 ע"י החסרת הסכום התחתון מהסכום העליון. כיוון ש־ φ(d) ≥ 1לכל ,dינבע ש־ ψ(d) 6= 0לכל .d|p − 1 בסה"כ ) ψ(d) = φ(dלכל .d|p − 1 8