Aritmetica modulare/Congruenze lineari

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Template:Aritmetica modulare Questo modulo tratta delle cosiddette congruenze lineari, ovvero le congruenze che coinvolgono polinomi di primo grado. In particolare sarà dimostrato il cosiddetto teorema cinese del resto, che riguarda la risolubilità di un sistema di congruenze lineari.

Congruenze semplici

Abbiamo già incontrato la congruenza lineare ax1modn, stabilendo che è risolubile se e solo se a è coprimo con n. Una congruenza più generale è

axbmodn

che rappresenta la "congruenza lineare base". Una caratteristica importante di questa congruenza è che può avere un qualunque numero di soluzioni, eccetto infinito; tuttavia, se esistono soluzioni, è sempre possibile ridursi ad un'unica soluzione variando opportunamente il modulo n.

Una condizione necessaria e sufficiente perché la congruenza sia risolubile è che b sia un multiplo del massimo comun divisore tra a e n. La dimostrazione segue immediatamente dalle proprietà dell'identità di Bézout: risolvere axbmodn equivale infatti a trovare x e y tali che

ax+ny=b

e questo è possibile se e solo se MCD(a,n)|b. Un altro modo di vedere la cosa, nel caso che a ed n siano coprimi, è osservare (in modo simile a quanto fatto nella dimostrazione del piccolo teorema di Fermat e del teorema di Eulero) che i numeri

1a,2a,,(n1)a

sono tutti distinti (altrimenti si avrebbe (ij)a0modn, e poiché MCD(a,n)=1, i = j) e diversi da 0. Quindi ogni elemento di n appare tra quei numeri, ed esattamente uno è uguale a b.

Supponiamo ora che la congruenza sia risolubile, sia d =MCD(a,n), e poniamo a=Ad, n=Nd, b=Bd. Allora possiamo riscrivere ax+ny=b come

Adx+Ndy=Bd

e semplificando d,

Ax+Ny=B

Poiché abbiamo tolto tutti i fattori comuni tra a ed n, abbiamo che A ed N sono coprimi, inoltre, portandoci nelle congruenza modulo N, abbiamo

AxBmodN

che ammette esattamente una soluzione, come dimostrato prima: sia x. I valori

xk=x+kN

sono ancora soluzioni delle congruenza per ogni valore intero di k (in particolare, x0=x). Per k < d, inoltre, questi valori sono minori di n, e quindi sono incongruenti modulo n. Questi sono tutti e soli i valori minori di n che, modulo N, sono congrui a x. Se y, modulo n, è diverso da tutti gli xi, allora non è una soluzione della congruenza perché non vi sono altre soluzioni modulo N: quindi la congruenza originale ammette esattamente d soluzioni modulo n.

Sistemi di congruenze lineari

Una volta risolte congruenze in un unico modulo, è possibile passare a risolvere sistemi di congruenze lineari: la situazione di partenza è un sistema del tipo

{xa1modn1xa2modn2xakmodnk

dove MCD(ni,nj)=1 per ogni ij.

Ci si può sempre ridurre a questo caso a partire da un sistema in cui ogni equazione è del tipo

aixbimodni

nel caso in cui in quest'ultima esistono soluzioni, risolvendo la congruenza lineare come nel paragrafo precedente, eventualmente modificando il modulo.

Poiché esistono N=n1n2nk diverse scelte di sequenze (a1,a2,ak), è naturale cercare le soluzioni del sistema nel modulo N: dimostreremo che, in questo modulo, la soluzione esiste ed è unica.

Definiamo infatti Ni=j=1knjni, ovvero il prodotto di tutti gli nj eccetto ni: questo è ovviamente divisibile per tutti gli nj, eccetto ni, con cui è coprimo perché è il prodotto di fattori coprimi con ni. Di conseguenza ogni Ni ha un inverso modulo ni; sia Ni*. Consideriamo il numero

x=a1N1N1*+a2N2N2*++akNkNk*

Modulo ni (per ogni i), si cancellano tutti i termini meno aiNiNi*. Quindi

xaiNiNi*modniaimodni

perché il prodotto NiNi* è per definizione, congruo a 1 modulo ni. Quindi il numero x è una soluzione del sistema.

Abbiamo quindi N soluzioni diverse, una per ogni sequenza degli a. Consideriamo un'altra soluzione y del sistema. La differenza xy è congrua a 0 per ogni ni, cioè è divisibile per ogni ni, e quindi è divisibile per il loro prodotto N. Quindi la soluzione è unica modulo N.

Isomorfismi

Modulo 45 visto come modulo 9 per modulo 5
mod 5
0 1 2 3 4
mod 9 0 0 36 27 18 9
1 10 1 37 28 19
2 20 11 2 38 29
3 30 21 12 3 39
4 40 31 22 13 4
5 5 41 32 23 14
6 15 6 42 33 24
7 25 16 7 43 34
8 35 26 17 8 44

L'esistenza e l'unicità modulo N delle soluzioni dei sistemi di congruenze lineari permette di stabilire una corrispondenza biunivoca dal prodotto cartesiano n1×n2××nk a N che, come si può vedere facilmente, rispetta le operazioni. In linguaggio algebrico, questo equivale a dire che c'è un isomorfismo tra il prodotto cartesiano e l'insieme N.

Questo può essere sfruttato per risolvere delle congruenze, ad esempio di un polinomio di grado elevato, da un modulo n qualsiasi a diversi moduli più piccoli. Ad esempio, volendo trovare le soluzioni di

2x56x4+3x35x+50mod15

è possibile risolvere invece le due congruenze

2x56x4+3x35x+50mod32x52x+20mod3
2x56x4+3x35x+50mod52x5x4+3x30mod5

Ora x5 assume, per il piccolo teorema di Fermat, gli stessi valori di x; quindi la congruenza modulo 3 è impossibile, e così è quella originaria.

Questo sistema è utile per trovare il numero di soluzioni di un'equazione a partire dal numero di soluzioni della stessa equazione in moduli più piccoli: se ad esempio

f(x)0modn

è spezzata in

{f(x)0modn1f(x)0modn2f(x)0modnk

dove i vari moduli sono a due a due coprimi, e ρ(ni) indica il numero di soluzioni della congruenza modulo ni, allora ρ(n)=ρ(n1)ρ(n2)ρ(nk) perché ogni possibile gruppo di soluzioni nei diversi moduli genera una diversa soluzione modulo n.

Un'applicazione: la funzione di Eulero

A partire da queste considerazioni si può provare che la funzione di Eulero è moltiplicativa, cioè per ogni a e b coprimi si ha

ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b)

Il punto di partenza è la considerazione che un numero n è coprimo con un prodotto ab se e solo se è coprimo sia con a che con b. Infatti, se i fattori di n sono distinti da quelli di ab, saranno a maggior ragione diversi sia da quelli di a che da quelli di b, viceversa, se i fattori di n non compaiono né nella fattorizzazione di a né in quella di b, non potranno essere in quella di ab.

Consideriamo ora un xab: per quanto abbiamo detto prima, lo possiamo identificare come una coppia ya,zb (dove a e b sono tra loro coprimi), e si ha che

xymoda,xzmodb

Quindi, poiché ridurre modulo n non cambia l'essere coprimo con n, x è coprimo con ab se e solo se y è coprimo con a e z con b. Per quanto abbiamo dimostrato precedentemente, ogni coppia (y,z) di elementi coprimi (rispettivamente con a e b) corrisponde ad un unico x coprimo con ab e, viceversa, ogni x coprimo con ab corrispondente ad una coppia (y,z). Ora questo tipo di coppie sono ϕ(a)ϕ(b) (essendo ϕ(n) la quantità di numeri minori di n coprimi con n), mentre il numero di x coprimi con ab è ϕ(ab); poiché questi due numeri sono uguali,

ϕ(ab)=ϕ(a)ϕ(b)

per ogni coppia di a e b coprimi.

A partire da questo è facile calcolare il valore di ϕ(n) per ogni n: infatti questo può essere scomposto nel prodotto

n=p1a1p2a2pkak

dove i pk sono primi e diversi tra loro. A questo punto resta da calcolare solamente ϕ(pa): ma questo è facile, perché gli unici numeri minori di pa e non coprimi con esso sono i multipli di p, e questi sono in numero di pa1; quindi ϕ(pa)=papa1=pa1(p1).

A questo punto si ottiene

ϕ(n)=p1a11(p11)p2a21(p21)pkak1(pk1)

o, in forma più elegante,

ϕ(n)=n(11p1)(11p2)(11pk)

Il lemma di Thue

Un'altra congruenza lineare interessante, questa volta nella due incognite x e y, è

axymodp

dove p è un numero primo

È ovvio che questa congruenza ha p soluzioni, una per ogni scelta di x: il lemma di Thue afferma che esiste una coppia (x0,y0) che la verifica tale che |x0|,|y0|<p ed entrambi sono diversi da 0.

Consideriamo infatti i numeri ax - y (modulo p) tali che

0x[p],0y[p]

dove [a] indica la parte intera di a, ovvero il più piccolo intero non maggiore di a. Questi valori sono in numero di ([p]+1)2>(p1+1)2=p. Quindi esistono due coppie (x1,y1) e (x2,y2) tali che ax1y1ax2y2modn; inoltre x1x2, perché altrimenti si avrebbe

{ax1y1cmodpax1y2cmodp

e quindi

y1ax1cmodp

e

y2ax1cmodp

ovvero y1=y2 e le coppie non sarebbero distinte. Consideriamo l'espressione

a(x1x2)(y1y2)=(ax1y1)(ax2y2)

Questa è palesemente congrua a 0 modulo n. x1x2 è la differenza tra due quantità minori di [p], e quindi è essa stessa minore di |p|. Allo stesso modo y1y2<p. Quindi ponendo

x0=x1x2,y0=y1y2

si ha la coppia desiderata.

Questo lemma può essere usato per dimostrare il teorema di Fermat sulle somme di due quadrati, che afferma che un primo p è rappresentabile come somma di due quadrati se e solo se p1mod4. La dimostrazione è presentata nell'ultimo modulo. Template:Avanzamento