• Nem Talált Eredményt

Bizonyítsuk be, hogy

In document Számelmélet (Pldal 87-93)

3.1 Megoldásszám és redukció

3.2.13 Bizonyítsuk be, hogy

(a) , ;

(b) .

3.2.14 Az számok között hány másodrendű elem van mod 1000?

3.2.15 (*) Legyen , . Igazoljuk, hogy

(a) ;

(b) .

3.2.16 (*) Tegyük fel, hogy . Lássuk be, hogy .

3.2.17 Bizonyítsuk be, hogy bármely és esetén teljesül.

3.2.18 (*) Legyen redukált maradékrendszer modulo . Mutassuk meg, hogy mindig páratlan szám.

3.2.19 Legyen prím és . Milyen maradékot ad -vel osztva az alábbi összeg és szorzat:

(a) ;

(b) ?

3.2.20 Tizedes törtek. Csak a tizedesvessző után következő jegysorozattal foglalkozunk, ezért elegendő számokat tekintenünk. A feladatban kizárjuk azokat a végtelen tizedes törteket, amelyekben egy határtól kezdve minden számjegy 9-es. Egy tizedes tört véges, ha csak véges sok

jegyből áll; ezt a legrövidebb alakban írjuk fel, azaz az utolsóként szereplő tizedesjegy nem nulla. Egy végtelen tizedes tört szakaszos, ha a tizedesjegyek sorozata egy határtól kezdve periodikus, ezen belül tiszta szakaszos, illetve vegyes szakaszos, attól függően, hogy a periodicitás (azaz az első szakasz) közvetlenül a tizedesvessző után, illetve csak később kezdődik. A racionális számok közönséges tört alakjában feltesszük, hogy és .

(a) Mutassuk meg, hogy egy valós szám tizedestört-alakja akkor és csak akkor véges vagy végtelen szakaszos, ha racionális.

(b) Az racionális szám tizedestört-alakja akkor és csak akkor véges, ha kanonikus alakjában legfeljebb a 2 és az 5 prímszámok szerepelnek: . Ekkor a tizedesvessző után szereplő jegyek

száma , azaz , de .

(c) Az racionális szám tizedestört-alakja akkor és csak akkor tiszta szakaszos, ha . Ekkor a (legkisebb) szakasz hossza .

(d) Az racionális szám tizedestört-alakja akkor és csak akkor vegyes szakaszos, ha , de a -nek létezik a 2-től és 5-től különböző prímosztója is: , ahol , és . Ekkor a(z első) szakasz a tizedesvessző utáni -edik jegyben kezdődik és hossza .

3.3 Primitív gyök

Mint láttuk, az Euler–Fermat-tételből következik, hogy bármely esetén . Különösen fontos az az eset, amikor itt egyenlőség teljesül:

3.3.1 Definíció . D 3.3.1

Egy számot primitív gyöknek nevezünk modulo , ha .

A definícióból világos, hogy egy primitív gyök szükségképpen relatív prím az modulushoz, továbbá egy redukált maradékosztálynak vagy minden eleme primitív gyök, vagy pedig egyetlen eleme sem az.

Példák:

P1 A 3 primitív gyök modulo 10, mert .

P2 A 2 nem primitív gyök modulo 31, mert .

P3 Modulo 12 egyáltalán nem létezik primitív gyök: elég például a redukált maradékrendszer elemeinek a rendjét megvizsgálni, és itt az 1 rendje 1, a többi elemé 2, vagyis mindegyik rend kisebb, mint .

Amikor egy számról (ahol ) el akarjuk dönteni, hogy primitív gyök-e modulo , akkor fennállását fölösleges ellenőrizni, hiszen ez az Euler–Fermat-tétel miatt biztosan igaz. Az összefüggés alapján azt kell megvizsgálni, hogy a valamely osztójára teljesül-e ; ha van ilyen , akkor nem primitív gyök, ha nincs ilyen , akkor pedig primitív gyök. Könnyen látszik, hogy a osztói közül is elég a

„maximálisakat” tekinteni, vagyis azokat, amelyek alakúak, ahol prímszám.

A primitív gyökök alkalmazhatósága elsősorban az alábbi egyszerű tételben megfogalmazott tulajdonságon alapul:

3.3.2 Tétel . T 3.3.2

Egy szám akkor és csak akkor primitív gyök az modulusra nézve, ha redukált maradékrendszert alkotnak modulo .

Bizonyítás: Tegyük fel, hogy primitív gyök, azaz . Ekkor a T 3.2.2 Tétel (ii) állítása alapján páronként inkongruensek modulo , továbbá számuk és miatt valamennyien relatív prímek -hez. A T 2.2.9 Tétel szerint így valóban redukált maradékrendszert alkotnak mod .

A megfordításhoz tegyük fel, hogy a fenti -hatványok redukált maradékrendszert alkotnak mod . Ekkor , tehát létezik és az Euler–Fermat-tétel szerint . Továbbá

egyike sem lehet kongruens a szintén a megadott redukált maradékrendszerben szereplő 1-gyel, tehát . ∎

A következőkben azt vizsgáljuk meg, milyen modulus esetén létezik primitív gyök. Megjegyezzük, hogy ezt csoportelméleti terminológiával úgy is fogalmazhatjuk, hogy mely esetén lesz a modulo

redukált maradékosztályok multiplikatív csoportja ciklikus.

Először azt igazoljuk, hogy prím modulus esetén mindig létezik primitív gyök:

3.3.3 Tétel . T 3.3.3 3.3.14 feladatban [84]. Mindhárom bizonyítás — értelemszerű módosításokkal — alkalmas az imént említett általánosabb tétel igazolására is.

Első bizonyítás: Ha , akkor (vagy bármely páratlan szám) primitív gyök.

Legyen és összes különböző prímosztója legyen .

tehát a kongruencia megoldásszáma pontosan .

Végezzük el (1)-ben a szorzásokat. Ekkor olyan tagok összegeként áll elő, ahol

illetve . Alkalmazzuk most a T 3.1.3 Tétel első bizonyításában szereplő redukciós eljárást:

írjunk helyére -et, amíg ez csak lehetséges. A keletkezett polinom legfeljebb -edfokú

és minden -re .

Ez azt jelenti, hogy a kongruencia megoldásszáma is pontosan , és így a T 3.1.2 Tétel szerint a polinom modulo vett foka pontosan kell hogy legyen.

Ekkor -ben szükségképpen szerepel -es tag. A redukciós eljárás során ez a tag csak olyan, az -ben előforduló tag(ok)ból keletkezhetett, amely(ek)ben

hiszen a ( -nél nagyobb) kitevőket mindig -gyel csökkentettük.

A (2) és (3) összevetéséből kapjuk, hogy (mondjuk)

A (4) egyenlőséget -rel beszorozva minden tag egész szám lesz, kivéve a jobb oldal első tagját, és így ellentmondásra jutottunk. _

Második bizonyítás: Jelölje az elemek közül azoknak az -knek a számát,

amelyekre . Ekkor nyilván , ha , továbbá

Megmutatjuk, hogy bármely -re

Ha nincs -edrendű elem, akkor (6) fennáll, hiszen .

Feltehetjük tehát, hogy valamely -ra . Ekkor az elemek páronként inkongruensek modulo , és miatt valamennyien gyökei az

kongruenciának.

Mivel ennek a kongruenciának a megoldásszáma nem lehet -nél nagyobb, ezért ha valamely -re teljesül, akkor a az számok valamelyikével kongruens.

Minden -edrendű szám is gyöke az kongruenciának, tehát minden -edrendű szám is valamelyikével kongruens. A 3.2.4b feladat [75] szerint akkor és csak akkor teljesül, ha , ennélfogva az számok között éppen -nek a rendje lesz , azaz . Ezzel (6)-ot beláttuk.

Felhasználva (5)-öt és (6)-ot, továbbá a 2.3.14 feladatban [45] bizonyított egyenlőséget azt kapjuk, hogy

ami nyilván csak úgy teljesülhet, ha minden -re .

Ezzel beláttuk, hogy egy mod redukált maradékrendszerben a -edrendű elemek száma . Ezt speciálisan -re alkalmazva adódik, hogy a primitív gyökök száma (tehát létezik primitív gyök). ∎

Megjegyzés: A második bizonyításban (látszólag) erősebb állítást bizonyítottunk be: a primitív gyök létezésén túlmenően megkaptuk a (páronként inkongruens) primitív gyökök, sőt még általánosabban bármely adott -re a -edrendű elemek számát. Ez a „többleteredmény” azonban könnyen következik a primitív gyök (bármilyen módon igazolt) létezéséből a T 3.3.2 Tétel és a 3.2.4 [75]b, illetve 3.2.4c feladat [75] felhasználásával (lásd a 3.3.9 feladatot [83]).

Az így adódó eredményeket fontosságuk miatt külön tételként is megfogalmazzuk:

3.3.4 Tétel . T 3.3.4

Legyen a modulus egy prímszám.

(i) Egy primitív gyök -edik hatványa akkor és csak akkor primitív gyök, ha . (ii) A páronként inkongruens primitív gyökök száma .

(iii) Általánosan is igaz, hogy ha , akkor egy mod redukált maradékrendszer elemei között a -edrendű elemek száma .

A következő tételben pontosan meghatározzuk, mely modulusokra létezik primitív gyök:

3.3.5 Tétel . T 3.3.5

Az modulusra nézve akkor és csak akkor létezik primitív gyök, ha vagy 4, ahol prím és .

Bizonyítás: Az és esetet a T 3.3.3 Tétel tartalmazza, ha pedig , akkor primitív gyök. A többi esetre a bizonyítást az alábbi lépésekben végezzük.

(L1) Modulo létezik primitív gyök.

(L2) Ha , akkor modulo létezik primitív gyök.

(L3) Modulo létezik primitív gyök ( ).

(N1) Ha osztható 4-gyel és van páratlan prímosztója, vagy ha -nek van (legalább) két különböző páratlan prímosztója, akkor nem létezik primitív gyök modulo .

(N2) Ha , ahol , akkor nem létezik primitív gyök modulo .

(L1) Legyen primitív gyök modulo . Megmutatjuk, hogy és közül legalább az egyik primitív gyök lesz modulo is.

Egyrészt

másrészt a 3.2.13a feladat [76] alapján

A és összefüggéseket beírva azt kapjuk, hogy

Így vagy .

A második esetben (definíció szerint) primitív gyök modulo .

Ha , akkor megmutatjuk, hogy primitív gyök mod .

Az előző gondolatmenetet helyett -re megismételve adódik, hogy értéke is csak vagy lehet. Így elég azt igazolni, hogy . A hatványozást elvégezve kapjuk, hogy

A jobb oldalon az első tag a feltételezésünk szerint 1-gyel kongruens mod , továbbá a harmadiktól kezdve minden tag osztható -tel. Így

(L2) Bebizonyítjuk, hogy ha primitív gyök modulo , akkor primitív gyök modulo is, tetszőleges -re. Az (L1) részben látott gondolatmenethez hasonlóan elég azt megmutatni, hogy

Ezt a következő formában igazoljuk:

A (7) összefüggést szerinti teljes indukcióval bizonyítjuk.

Az esetben valóban (ez a kis Fermat-tétel), és itt , mert primitív gyök modulo .

Tegyük fel most, hogy (7) teljesül valamely esetén; belátjuk, hogy ekkor ( helyett) -re is fennáll. Emeljük (7)-et -edik hatványra:

Itt a harmadik tag osztható a -nek -edik hatványával, a további tagokban pedig szintén legalább ekkora a kitevője. Ennélfogva

azaz (7) valóban fennáll -re is.

(L3) Legyen primitív gyök modulo . Jelöljük -val a és közül azt, amelyik páratlan;

belátjuk, hogy primitív gyök modulo . Mivel bármely -re , ezért

Ez azt jelenti, hogy

(N1) Megmutatjuk, hogy tetszőleges esetén található olyan , amelyre , és így nem lehet primitív gyök.

A szóban forgó -ek felírhatók alakban, ahol és . Igazolni fogjuk,

hogy megfelel.

Az , feltétel miatt és páros (lásd a 2.3.1 feladatot [44]), tehát . Ebből következik, hogy

Emellett, miatt , és ugyanez érvényes mod is, ezért , azaz (mod ) is teljesül.

(N2) Megmutatjuk, hogy ha , akkor bármely páratlan -ra

Az szerinti teljes indukcióval bizonyítunk. Ha , akkor valóban

Tegyük most fel, hogy (8) igaz valamely -ra; belátjuk, hogy ekkor -re is fennáll. Az

szorzatban az első tényező az indukciós feltevés szerint osztható -val, a második tényező osztható 2-vel, így a szorzat valóban osztható -gyel. ∎

Feladatok

3.3.1 Határozzuk meg az összes primitív gyököt modulo , ha értéke

In document Számelmélet (Pldal 87-93)