Aritmetica modulare/Congruenze quadratiche

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Template:Aritmetica modulare In questo modulo verranno studiate le congruenze quadratiche, ossia di secondo grado, e in particolare verrà dimostrata la legge di reciprocità quadratica.

Introduzione

Partiamo da un'equazione qualsiasi di secondo grado in un'incognita con un modulo primo (maggiore di 2), ovvero ax2+bx+c≡0modp. Possiamo applicare ad essa gli stessi passaggi di un'equazione nei reali:

ax2+bx+c≡0modp⟺4a2x2+4abx+4ac≡0modp
4a2x2+4abx+b2≡b2−4acmodp⟺(2ax+b)2≡b2−4acmodp

A questo punto abbiamo bisogno di risolvere due congruenze diverse:

y2≡dmodp
2ax+b≡y‾modp

dove y‾ è una soluzione della prima congruenza. Poiché quest'ultima è sempre risolubile (se a non è divisibile per p), per risolvere la congruenza originaria basta concentrarsi su quelle del tipo y2≡dmodp.

È evidente che questa non sempre è risolubile, in quanto a2≡(−a)2modp per ogni a; quindi per almeno metà dei d non abbiamo soluzioni. Tuttavia, poiché l'equazione y2−d≡0modp non può avere più di due soluzioni, e visto che una soluzione a ne "chiama" un'altra -a, esattamente metà dei d hanno delle soluzioni. Chiameremo quelli la cui congruenza è risolubile residui quadratici.

C'è un altro modo, più generale, per vedere le cose. Consideriamo un generatore g modulo p. L'insieme dei numeri

12,22,32,…,(p−1)2

coincide, a parte l'ordine, con quello dei numeri

g2,g4,g6,…,g2(p−1)

Riducendo modulo p -1 gli esponenti, questi rimarranno pari (perché anche p -1 è pari); quindi i residui quadratici sono esattamente quegli elementi il cui indice è pari. Questo metodo può essere esteso per individuare i residui n-esimi, cioè gli a per cui ha soluzioni una congruenza del tipo

xn≡amodp

Se n divide p -1, allora i residui n -esimi sono esattamente gli elementi i cui indici sono divisibile per n; viceversa, se n e p -1 sono coprimi, tutti i numeri sono residui n -esimi. Nei casi intermedi è facile dimostrare che, se k = MCD(n,p -1), allora i residui n -esimi coincidono con i residui k -esimi.

Il simbolo di Legendre e il criterio di Eulero

Per indicare se un numero è residuo quadratico o meno, si può usare il cosiddetto simbolo di Legendre: questo è

(ap)={1a residuo quadratico modulo p0a divisibile per p−1a non residuo quadratico modulo p

Attraverso l'uso degli indici è facile dimostrare che

(abp)=(ap)(bp)

cioè il simbolo di Legendre è una funzione completamente moltiplicativa nel suo primo argomento. Questo avviene perché, se a e b sono entrambi residui o non residui, sommando i loro indici si avrà un indice pari, ovvero moltiplicandoli si avrà un residuo quadratico; viceversa, se uno è un residuo e l'altro no, l'indice del loro prodotto sarà dispari, e ab non è un residuo.

Un test generale ma di non molta utilità pratica è il criterio di Eulero. Posto P=p−12, questo afferma che

aPmodp=(ap)

Anche questo è banale se considerato con gli indici: se a è un residuo, allora esiste k tale che k2≡amodp; quindi

aP≡k2Pmodp≡ap−1modp≡1modp

Se viceversa a non è un residuo quadratico, allora a≡gnmodp, dove g è una radice primitiva e n è dispari, e

aP≡gnPmodp

Poiché n è dispari, nP è congruo a P modulo p -1, ovvero

aP≡gPmodp≡−1modp

perché l'ordine di g è esattamente p -1.

Attraverso questo criterio si determina immediatamente la caratteristica quadratica di -1 modulo un qualsiasi primo p. Se infatti p≡1mod4, ovvero p=4k+1, allora P=2k, e

(−1p)=(−1)2k=1

Se invece p≡3mod4, cioè p=4k+3, P=2k+1 e

(−1p)=(−1)2k+1=−1

L'unico caso rimanente è p =2, per cui -1=1 è (ovviamente) residuo quadratico.

Il lemma di Gauss

Avanzando nello studio dei residui quadratici, il prossimo passo è il lemma di Gauss. Sia p un primo e a un numero compreso tra 0 e p (esclusi). Consideriamo i numeri 1a,2a,…,Pa e sottraiamo p finché non rimane un numero compreso tra −12p e 12p (o, detto in un'altra maniera, prendiamo il valore assoluto modulo p di questi numeri). Sia k il numero di elementi negativi in questo insieme. Il lemma di Gauss afferma che

(ap)=(−1)k

La dimostrazione di questo lemma è simile, per certi versi, alla dimostrazione del piccolo teorema di Fermat. È infatti ovvio che, se

ia≡jamodp

allora i≡jmodp, e quindi i vari numeri considerati non sono tra loro congrui modulo p. Allo stesso modo, se

ia≡−jamodp

allora i≡−jmodp e quindi i e j non possono essere entrambi minori o uguali di P. Da questo segue che i numeri 1a,2a,…,Pa sono congrui, in qualche ordine, all'insieme

±1,±2,…,±P

dove si prende o il più o il meno. Sia k il numero di segni meno. Allora, moltiplicandoli tutti insieme abbiamo

(1a)(2a)⋯(Pa)≡(−1)k1⋅2⋯Pmodp

e semplificando

aP≡(−1)kmodp

come volevasi dimostrare.

Come conseguenza di questo lemma si può dimostrare un importante teorema: se p e q sono primi tali che p≡qmod4a oppure p≡−qmod4a, allora

(ap)=(aq)

Per il lemma di Gauss, infatti, il primo dei due simboli di Legendre dipende dal numero di interi dell'insieme a,2a,3a,…,Pa che sono negli intervalli

(12p,p),(32p,2p),(52p,3p),…,((b−12p),bp)

dove b=12(a−1) o b=12a, a seconda di quale dei due sia un intero. (Pa=12a(p−1)=12ap−12a≤12ap)

Questo può essere interpretato come il numero di multipli di a nei vari intervalli; ovvero, dividendo tutto per a, il numero di interi negli intervalli

(12pa,pa),(32pa,2pa),…,((b−12pa),bpa)

e ponendo p=4ak+r,

(124ak+ra,4ak+ra),(324ak+ra,24ak+ra),…,((b−124ak+ra),b4ak+ra)

cioè

(2k+12ra,4k+ra),(6k+32ra,8k+2ra),…,((2kb+(2b−1)ra),4kb+bra)

Poiché a noi interessa solamente la parità del numero degli interi, e nessuno degli estremi degli intervalli è un intero, possiamo eliminare i vari multipli di k; quindi (ap) dipende soltanto da r. Ma questo vuol dire che per ogni q congruo a r (cioè a p) modulo 4a la caratteristica quadratica è la stessa. Questo dimostra la prima parte del teorema. Se invece q≡−p≡4a−rmod4a, allora, sostituendo r con 4a-r negli intervalli, si ha

(2k+124a−ra,4k+4a−ra),(6k+324a−ra,8k+24a−ra),…,((2kb+(2b−1)(4a−r)a),4kb+b(4a−r)a)
(2k+2−12ra,4k+4−ra),(6k+6−32ra,8k+8−2ra),…,((2kb+4(2b−1)−(2b−1)ra),4kb+4b−b(4a−r)a)

che, come numero di interi, coincide col numero precedente.

Il caso a=2

Consideriamo in particolare il caso a=2. Questo può essere trattato con lo stesso metodo visto precedentemente: sia p=8k+r un primo; i numeri 2, 4, 6, ..., 2P sono tutti minori di p, e quindi per il lemma di Gauss la caratteristica quadratica di 2 corrisponde a (-1)n, dove n è la parità del numero di quegli elementi maggiori di p/2. Sia x un numero minore di P.

12p<2x<p

equivale a

2k+14r<x<4k+12r

e ignorando 2k e 4k, che non variano la parità, si ottengono, come soluzioni di x in interi:

  • 0 soluzioni se r=1;
  • 1 soluzione se r=3 o r=5;
  • 2 soluzioni se r=7

e quindi 2 è residuo quadratico se p=8k±1 e non lo è altrimenti.

Naturalmente si poteva anche applicare il teorema generale dimostrato precedentemente, trovando un primo congruo a 1 modulo 8 e uno congruo a 3, e dedurne il comportamento per ogni p.

La legge di reciprocità

La legge di reciprocità quadratica, infine, afferma che

(pq)(qp)=(−1)p−12q−12

o, detto a parole, che pa caratteristica quadratica di p modulo q e di q modulo p è la stessa a meno che non siano entrambi congrui a 3 modulo 4.

Supponiamo innanzitutto che p≡qmod4, ovvero che p−q=4a (possiamo supporre p>q) per un qualche intero a. Allora

(pq)=(4a+qq)=(4aq)=(aq)

e similmente

(qp)=(p−4ap)=(−4ap)(−1p)(ap)

e quindi

(pq)(qp)=(aq)(ap)(−1p)

Ora p e q hanno lo stesso resto nella divisione per 4a (p=4a+q) e quindi due dei coefficienti di Legendre sono uguali, e quindi il loro prodotto è 1. Cioè

(pq)(qp)=(−1p)

che, per quanto abbiamo detto prima, è 1 se p è congruo a 1 modulo 4 e -1 altrimenti.

Se invece p≡−qmod4 si ha p+q=4a, e

(pq)=(4a−qq)=(4aq)=(aq)

così come

(qp)=(4a−pp)=(4ap)=(ap)

Questi due risultati sono di nuovo uguali per il teorema precedente, in quanto p e q hanno resti opposti nella divisione per 4a, e quindi sono uguali, e il loro prodotto è 1.

Esempi

Per mostrare la potenza di questo teorema, calcoliamo ad esempio

(637719)

Fattorizzando 637, abbiamo

(637719)=(7719)(91719)

719 è congruo a 3 modulo 4, così come 7 e 91; quindi

(7719)=−(7197)=−(57)=(−1)(−1)=1
(91719)=−(71991)=−(8291)=−(291)(4191)=(−1)(23)(9141)=(−1)(−1)(941)=1

(considerando che 91≡3mod8), e infine

(637719)=1⋅1=1

e 637 è un residuo quadratico modulo 719. Template:Avanzamento