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RUBENS VILHENA FONSECA
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Dados internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
F676t Fonseca, Rubens Vilhena. Teoria dos Números / Rubens Vilhena Fonseca — Belém: UEPA/ Centro de Ciências Sociais e de Educação, 2011. ISBN:978 – 85 – 88375 – 66 – 6 1. Teoria dos Números, 1ª ed. I. Universidade do Estado do Pará. II. Título. CDU: 511.68 CDD: 512.7 Índice para catálogo sistemático 1. Teoria dos Números, 1ª ed: 511.68 BELÉM – PARÁ – BRASIL - 2011 –
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
COLABORAÇÃO Maria da Glória Costa Lima Cleyton Isamu Muto
EDITORAÇÃO ELETRONICA Odivaldo Teixeira Lopes
ARTE FINAL DA CAPA Odivaldo Teixeira Lopes
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
SUMÁRIO CAPÍTULO 1: ............................................................................................................................................................................................. 7 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS ........................................................................................................................ 7 1.1 – NÚMEROS INTEIROS .................................................................................................................................................................................................... 8 1.2 – PROPRIEDADES DOS INTEIROS .................................................................................................................................................................................... 9 1.3 – VALOR ABSOLUTO DE UM INTEIRO ............................................................................................................................................................................ 10 1.4 – REPRESENTAÇÃO DOS INTEIROS EM OUTRAS BASES ............................................................................................................................................... 12 1.5 – FATORIAL E PRINCÍPIO FUNDAMENTAL DA CONTAGEM ............................................................................................................................................ 13 1.6 – PRINCÍPIO FUNDAMENTAL DA CONTAGEM - PFC ..................................................................................................................................................... 15 1.7 – NÚMERO BINOMIAL .................................................................................................................................................................................................... 15 1.8 – NÚMEROS BINOMIAIS COMPLEMENTARES ..............................................................................................................................................................16 1.9 – NÚMEROS BINOMIAIS CONSECUTIVOS ....................................................................................................................................................................16 1. 10 – PISO, TETO E NINT DE UM NÚMERO REAL. ........................................................................................................................................................... 18 1.11 – O PRINCÍPIO DA CASA DOS POMBOS (PRINCÍPIO DAS GAVETAS DE DIRICHLET) ............................................................................................... 22 1.12 – CAOS FATORIAL: !N. ................................................................................................................................................................................................ 23 1.13 – LEFT FATORIAL: L!N ................................................................................................................................................................................................. 24 CAPÍTULO 2:........................................................................................................................................................................................................................ 28
INDUÇÃO MATEMÁTICA ................................................................................................................................................................... 28 2.1 – ELEMENTO MÍNIMO DE UM CONJUNTO DE INTEIROS................................................................................................................................................. 28 2.2 – PRINCÍPIO DA BOA ORDENAÇÃO .............................................................................................................................................................................. 29 2.3 – PRINCÍPIO DE INDUÇÃO FINITA. .............................................................................................................................................................................. 30 2.4 – INDUÇÃO MATEMÁTICA ........................................................................................................................................................................................... 31 2.5. EXEMPLOS DE DEMONSTRAÇÃO POR INDUÇÃO MATEMÁTICA .................................................................................................................................. 33 2.6 . OUTRAS FORMAS DA INDUÇÃO MATEMÁTICA .......................................................................................................................................................... 35 CAPÍTULO 3: ........................................................................................................................................................................................................................ 41
SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS ...................................................................................................................................................... 41 3.1 . SOMATÓRIOS .............................................................................................................................................................................................................. 41 3.2. PROPRIEDADES DOS SOMATÓRIOS ........................................................................................................................................................................... 42 3.3. PRODUTÓRIOS ........................................................................................................................................................................................................... 43 3.4. PROPRIEDADES DOS PRODUTÓRIOS ......................................................................................................................................................................... 44 CAPÍTULO 4 ......................................................................................................................................................................................................................... 46
DIVISIBILIDADE .................................................................................................................................................................................. 46 4.1. RELAÇÃO DE DIVISIBILIDADE EM Z.................................................................................................................................................................. 46 4.2. CONJUNTO DOS DIVISORES DE UM INTEIRO .............................................................................................................................................................. 48 4.3. DIVISORES COMUNS DE DOIS INTEIROS .................................................................................................................................................................... 48 4.4. TEOREMA DA DIVISÃO ............................................................................................................................................................................................... 49 4.5. PARIDADE DE UM INTEIRO ......................................................................................................................................................................................... 52 CAPÍTULO 5......................................................................................................................................................................................................................... 56
MÁXIMO DIVISOR COMUM ..............................................................................................................................................................56 5.1. MÁXIMO DIVISOR COMUM DE DOIS INTEIROS ......................................................................................................................................................... 56 5.2. EXISTÊNCIA E UNICIDADE DO MDC. ...........................................................................................................................................................................57 5.3. INTEIROS RELATIVAMENTE PRIMOS (COPRIMOS OU PRIMOS ENTRE SI) ................................................................................................................ 59 5.4. CARACTERIZAÇÃO DO MDC DE DOIS INTEIROS ....................................................................................................................................................... 62 5.5. MDC DE VÁRIOS INTEIROS ....................................................................................................................................................................................... 62 CAPÍTULO 6 ........................................................................................................................................................................................................................ 66
ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM ......................................................................................................66 6.1. ALGORITMO DE EUCLIDES .......................................................................................................................................................................................... 66 6.2 . MÚLTIPLOS COMUNS DE DOIS INTEIROS ...................................................................................................................................................................73
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS 6.3. MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM DE DOIS INTEIROS ........................................................................................................................................................ 74 6.5. MMC DE VÁRIOS INTEIROS ....................................................................................................................................................................................... 75
CAPÍTULO 7 ........................................................................................................................................................................................... 78 NÚMEROS PRIMOS ............................................................................................................................................................................. 78 7.1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................................................................ 78 7.2. NÚMEROS PRIMOS (DO LAT. PRIMUS, PRINCIPAL. PRIME EM INGLÊS) ..................................................................................................................... 81 7. 3. TEOREMA FUNDAMENTAL DA ARITMÉTICA. .............................................................................................................................................................. 82 7.4. A SEQÜÊNCIA DOS NÚMEROS PRIMOS...................................................................................................................................................................... 84 7.5. O CRIVO DE ERATÓSTENES. ........................................................................................................................................................................................ 86 7.6. SEQÜÊNCIA DE INTEIROS CONSECUTIVOS COMPOSTOS .......................................................................................................................................... 93 7.7 . CONJECTURAS ............................................................................................................................................................................................................ 95 7.8. FÓRMULAS QUE GERAM ALGUNS NÚMEROS PRIMOS ................................................................................................................................................. 98 7.9. DECOMPOSIÇÃO DO FATORIAL EM FATORES PRIMOS ............................................................................................................................................. 101 7.10. MÉTODO DA FATORAÇÃO DE FERMAT ..................................................................................................................................................................... 104 7. 11 – ALGORITMO DE FERMAT ....................................................................................................................................................................................... 105 7. 12– O TEOREMA DOS NÚMEROS PRIMOS ................................................................................................................................................................... 106 CAPÍTULO 8: ...................................................................................................................................................................................................................... 112
EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES ........................................................................................................................................... 112 3.1. GENERALIDADES ......................................................................................................................................................................................................... 114 3.2. CONDIÇÃO DE EXISTÊNCIA DE SOLUÇÃO .................................................................................................................................................................. 115 3.3. SOLUÇÕES DA EQUAÇÃO AX + BY = C. ...................................................................................................................................................................... 116 CAPÍTULO 9 ...................................................................................................................................................................................................................... 120
CONGRUÊNCIAS ............................................................................................................................................................................... 120 9.1. CONGRUÊNCIAS ....................................................................................................................................................................................................... 120 9.2. CARACTERIZAÇÃO DE INTEIROS CONGRUENTES .................................................................................................................................................... 120 9.3. PROPRIEDADES DAS CONGRUÊNCIAS ...................................................................................................................................................................... 121 9.4. SISTEMAS COMPLETOS DE RESTOS ....................................................................................................................................................................... 124 9.5 – ARITMÉTICA MÓDULO M....................................................................................................................................................................................... 125 9.6. ADIÇÃO E MULTIPLICAÇÃO EM Z m ....................................................................................................................................................................... 127 9.7. SUBTRAÇÃO EM Z m ............................................................................................................................................................................................... 133 9.8. DIVISÃO EM Z m ..................................................................................................................................................................................................... 134 9.9. POTENCIAÇÃO EM Z m ............................................................................................................................................................................................ 137 CAPÍTULO 10 ................................................................................................................................................................................................................... 144 10.1. TEOREMA DE FERMAT....................................................................................................................................................................................... 145 10.2. TEOREMA DE WILSON ..................................................................................................................................................................................... 149 10.3. TEOREMA DE EULER ......................................................................................................................................................................................... 154 10.4. FUNÇÃO TOTIENT (N) ..................................................................................................................................................................................... 155 10.5 – CÁLCULO DE (N) ........................................................................................................................................................................................... 156 10.6. RESOLUÇÃO DE CONGRUÊNCIAS LINEARES PELO TEOREMA DE EULER .......................................................................................... 159 10. 7. RESOLUÇÃO DA EQUAÇÃO (N) = M. .......................................................................................................................................................... 159 10.8 – VALÊNCIA DA FUNÇÃO TOTIENTE: N ( m ) ........................................................................................................................................ 163 10.9. TEOREMA CHINÊS DO RESTO (TCR)........................................................................................................................................................... 165 10.10. POTENCIAÇÃO: UMA APLICAÇÃO DO TEOREMA DE EULER................................................................................................................ 169 10.11 – POTENCIAÇÃO: UMA APLICAÇÃO DO TEOREMA CHINÊS DO RESTO (TCR) ................................................................................ 169 CAPÍTULO 11 ...................................................................................................................................................................................................................... 175
CIFRA DE CÉSAR ................................................................................................................................................................................ 175
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS 11.1. FUNÇÕES POLINOMIAIS DE CODIFICAÇÃO ...............................................................................................................................................................178
CAPÍTULO 12 ...................................................................................................................................................................................... 183 CIFRA DE VIGENÈRE ......................................................................................................................................................................... 183 CAPÍTULO 13 ...................................................................................................................................................................................... 186 CIFRA DE HILL..................................................................................................................................................................................... 186 CAPÍTULO 14 ......................................................................................................................................................................................... 194 RSA ....................................................................................................................................................................................................... 194 14. 1. PRÉ-CODIFICAÇÃO ........................................................................................................................................................................................... 194 14.2 – CODIFICANDO E DECODIFICANDO ........................................................................................................................................................................ 195 14. 3. ASSINATURA DIGITAL UTILIZANDO A CRIPTOGRAFIA RSA .................................................................................................................................. 199 CAPÍTULO 15 ................................................................................................................................................................................................................... 205
PARTILHA DE SENHAS .................................................................................................................................................................... 205
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
apítulo 1:
NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS INTRODUÇÃO
A
Teoria dos Números nasceu cerca de 600 anos antes de Cristo quando Pitágoras e os seus discípulos começaram a estudar as propriedades dos números inteiros. Os pitagóricos rendiam verdadeiro culto místico ao conceito de número, considerandoo como essência das coisas. Acreditavam que tudo no universo estava relacionado com números inteiros ou razões de números inteiros (em linguagem atual, números racionais). Aliás, na antiguidade a designação número aplicava-se só aos inteiros maiores do que um. http://nonio.fc.ul.pt/analise1/cap1/hnum.htm O conceito de número tomou forma num longo desenvolvimento histórico. A origem e formulação deste conceito ocorreu simultaneamente com o despontar, entenda-se nascimento, e desenvolvimento da Matemática. As atividades práticas do homem, por um lado, e as exigências internas da Matemática por outro determinaram o desenvolvimento do conceito de número. A necessidade de contar objetos levou ao aparecimento do conceito de número Natural. Todas as nações que desenvolveram formas de escrita introduziram o conceito de número Natural e desenvolveram um sistema de contagem. O desenvolvimento subsequente do conceito de número prosseguiu principalmente devido ao próprio desenvolvimento da Matemática. Os números negativos aparecem pela primeira vez na China antiga. Os chineses estavam acostumados a calcular com duas coleções de barras - vermelha para os números positivos e preta para os números negativos.No entanto, não aceitavam a idéia de um número negativo poder ser solução de uma equação. Os Matemáticos indianos descobriram os números negativos quando tentavam formular um algoritmo para a resolução de equações quadráticas. São exemplo disso as contribuições de Bramaghupta, pois a aritmética sistematizada dos números negativos encontra-se pela primeira vez na sua obra. As regras sobre grandezas eram já conhecidas através dos teoremas gregos sobre subtração, como por exemplo (a - b)(c - d) = ac + bd - ad - bc, mas os hindus converteram-nas em regras numéricas sobre números negativos e positivos. Diofanto (Séc. III) operou facilmente com os números negativos. Eles apareciam constantemente em cálculos intermédios em muitos problemas do seu "Aritmetika", no entanto havia certos problemas para o qual as soluções eram valores inteiros negativos como por exemplo: 4x + 20 = 4 ou 3x – 18 = 5x2
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Nestas situações Diofanto limitava-se a classificar o problema de absurdo. Nos séculos XVI e XVII, muitos matemáticos europeus não apreciavam os números negativos e, se esses números apareciam nos seus cálculos, eles consideravam-nos falsos ou impossíveis. Exemplo deste fato seria Michael Stifel (1487- 1567) que se recusou a admitir números negativos como raízes de uma equação, chamando-lhes de "numeri absurdi". Cardano usou os números negativos embora chamando-os de "numeri ficti". A situação mudou a partir do (Séc.XVIII) quando foi descoberta uma interpretação geométrica dos números positivos e negativos como sendo segmentos de direções opostas. http://www.somatematica.com.br/historia.php
1.1 – Números Inteiros Os números inteiros ou apenas os inteiros são: ..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,... cujo conjunto representa-se pela letra Z, isto é: Z = {..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,...} Neste conjunto Z destacam-se os seguintes subconjuntos: 1) Conjunto Z* dos inteiros não nulos ( 0 ): Z* = {x Z | x 0} {1, 2, 3,...} 2) Conjunto Z dos inteiros não negativos ( 0 ):
Z {x Z | x 0} = {0, 1, 2, 3,...} 3) Conjunto Z dos inteiros não positivos ( 0 ):
Z {x Z | x 0} = {0, -1, -2, -3,...} 4) Conjunto Z* dos inteiros positivos (> 0):
Z* {x Z | x 0} = {1, 2, 3,...} 5) Conjunto Z* dos inteiros negativos (< 0):
Z* {x Z | x 0} = {-1, -2, -3,...}
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Os inteiros positivos são também denominados inteiros naturais e por isso o conjunto dos inteiros positivos é habitualmente designado pela letra N (N = Z* ).
1.2 – Propriedades dos Inteiros O conjunto Z dos inteiros munido das operações de adição (+) e multiplicação ( . ) possui as propriedades fundamentais que a seguir enumeramos, onde a, b e c são inteiros quaisquer, isto é, elementos de Z: 1) a + b = b + a
e
ab = ba;
2) (a + b) + c = a + (b + c) e 3) 0 + a = a
(ab) c = a (bc);
e 1.a = a;
4) –a = (-1) a e
a – a = a + (-a) = 0;
5) a (b + c) = ab + ac; 6) 0.a = 0, e se ab = 0, então a = 0 ou b = 0. Também existe uma “relação de ordem” entre os inteiros, representada pelo sinal “< (menor que)”, que possui as seguintes propriedades: 7) Se a 0 , então a > 0 ou a < 0; 8) Se a < b e b < c, então a < c; 9) Se a < b, então a + c < b + c; 10) Se a < b e 0 < c, então ac < bc; 11) Se a < b e c < 0, então bc < ac. ➢ Destas propriedades podem ser deduzidas muitas outras propriedades dos inteiros. Exemplo 1.1: Demonstrar: -(a + b) = (-a) + (-b). Com efeito, temos sucessivamente: -(a + b) = (-1) (a + b) = = (-1) a + (-1) b = = (-a) + (-b)
(Propriedade 4) (Propriedade 5) (Propriedade 4)
Exemplo 1.2: Demonstrar que , se x 0 , então 0 x 2 . Com efeito: 1) Se x 0 , então x 0 ou 0 x 2) Se x 0 , então 0.x x.x 3)
0 x2 Se 0 x , então 0.x x.x 0 x2
(Propriedade 7) (Propriedade 11) (Propriedade 6) (Propriedade 10) (Propriedade 6)
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Nota: Com o mesmo significado de a < b, escreve-se b > a. Indica-se, de modo abreviado, que a < b ou a = b por a b . Por exemplo, temos 2 3 , porque 2 < 3, e 2 2 , porque 2 - 2. Com o mesmo significado de a b , escreve-se b a . Em lugar de a b e b c também se escreve a b c .
1.3 – Valor absoluto de um Inteiro Definição 1.1: Chama-se valor absoluto de um inteiro a, o inteiro que se indica por | a | , e tal que:
a, se a 0 | a | a, se a < 0
Assim, por exemplo: | 3 | 3
e
| 5 | ( 5) 5
Consoante a definição de | a | , para todo inteiro a, temos: | a | 0 , | a | ² a² , | a || a | , a | a |
O valor absoluto | a | de um inteiro a também pode ser definido pelas igualdades: | a | a² , | a | = máx [-a, a]
onde a² denota a raiz quadrada não negativa de a² e máx [-a, a] indica o maior dos dois inteiros –a e a.
Assim, por exemplo: | 4 | (4)² 16 4 | 6 | = máx [-6, 6] = 6
Teorema 1.1: Se a e b são dois inteiros, então:
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
| ab || a | . | b |
Demonstração: Com efeito: | ab | (ab)² a²b² a². b² | a | . | b |
Teorema 1.2: Se a e b são dois inteiros, então: | a b || a | | b |
Demonstração: Com efeito, pela definição de | a | , temos: | a | a | a | , | b | b | b |
Somando ordenadamente estas desigualdades, obtemos: (| a | | b |) a b | a | | b |
*
o que implica: | a b || a | | b |
* Usou –se o fato de que x a a x a . Corolário 1.1: Se a e b são dois inteiros, então: | a b | | a | | b |
Demonstração: Com efeito: | a b || a ( b) || a | | b || a | | b |
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
1.4 – Representação dos Inteiros em outras Bases Teorema 1.3: Dado um inteiro qualquer b 2, todo inteiro positivo n admite uma única representação da forma:
n ambm am1bm1
a2b2 a1b a0
onde os ai são tais que 0 ai < b , i = 0, 1, ... , m
Demonstração: Assim, dado um inteiro qualquer b 2 , todo inteiro positivo n pode ser representado por um polinômio inteiro em b do grau m (porque am 0 ), ordenado segundo as potencias decrescentes de b, e cujos coeficientes ai são inteiros que satisfaçam as condições:
0 ai b(i 0,1, 2,
, m) , sendo am 0
Este polinômio representa-se, de modo abreviado, pela notação:
n (am am1
a2 a1a0 )b
em que os coeficientes ai são indicados pela ordem respectiva, figurando o inteiro b como um índice. O inteiro b chama-se base e é costume dizer que n está escrito no sistema de base b.
Exemplos: a) Escrever 105 no sistema binário 105 = 1.26 + 1.25 + 0.24 + 1.23 + 0.22 + 0.2 + 1 = (1101001)2 Por outro lado, (100111)2 = 1.25 + 0.24 + 0.23 + 1.22 + 1.2 + 1 = 39 b) Escrever 31415 no sistema de base 8 Temos, sucessivamente: 31415 3926 490 61 7 4 3 2 Portanto 31415 = 7.8 + 5.8 + 2.8 + 6.8 + 7
12
= 8.3926 = 8.490 = 8.61 = 8.7 = 8.0 = (75267)8
+ + + + +
7 6 2 5 7
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
c) Escrever (3531)6 no sistema de base 10 Temos, (3531)6 = 3.63 + 5.62 + 3.6 + 1 = 847 d) Escrever (6165)7 no sistema de base 12 Temos, (6165)7 = 6.73 + 1.72 + 6.7 + 5 = 2154 Vamos escrever 2154 (base 10) na base 12: 2154 179 14 1
= 12.179 = 12.14 = 12.1 = 12.0
+6 + 11 +2 +1
No sistema de base 12 é hábito designar 10 e 11 por a e b, respectivamente, de modo que os algarismos deste sistema são: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, a, b. Portanto, 2154 = 1.123 + 2.122 + b.12 + 6 = (12b6)12 Assim, no sistema de numeração decimal, dado um inteiro n, temos que, n = am. 10m + am-1. 10m-1 + ... + a1. 10 + a0, 0 ≤ ak ≤ 10 é a representação no sistema decimal do inteiro positivo n. Podemos também dizer que todo inteiro positivo n pode ser expresso sob a forma: n = 10k + a0 Onde a0 é o algarismo das unidades de n
1.5 – Fatorial e Princípio Fundamental da Contagem Foi a necessidade de calcular o número de possibilidades existentes nos chamados jogos de azar que levou ao desenvolvimento da Análise Combinatória, parte da Matemática que estuda os métodos de contagem. Esses estudos foram iniciados já no século XVI, pelo matemático italiano Niccollo Fontana (1500-1557), conhecido como Tartaglia. Depois vieram os franceses Pierre de Fermat (1601-1665) e Blaise Pascal (1623-1662). A Análise Combinatória visa desenvolver métodos que permitam contar - de uma forma indireta - o número de elementos de um conjunto, estando esses elementos agrupados sob certas condições. Definição 1.2: Chama-se fatorial de um inteiro não negativo n ( n 0 ), o inteiro que se indica por n!, e tal que: 1, se n = 0 ou n = 1 n! n(n 1)(n 2)...3.2.1 se n 2
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Assim, por exemplo: 7! = 7.6.5.4.3.2.1 = 5040 Observe-se que n! = n.(n-1)!.
Exemplo 1.4: Escrever, usando o símbolo de fatorial, o produto dos n primeiros inteiros positivos pares e o produto dos n primeiros inteiros positivos ímpares. Os n primeiros inteiros positivos pares são: 2,4,6, ..., 2n – 2, 2n Isto é: 2.1,2.2,2.3, ..., 2 . (n – 1), 2n Portanto: 2,4,6, ..., 2n – 2, 2n = 2n (1.2.3... (n -1).n) = 2n . n! Os n primeiros inteiros positivos ímpares são: 1,3,5, ..., 2n – 3, 2n - 1 Portanto: 1.3.5...(2n 3).(2n 1)
1.2.3.4...(2n 2).(2n 1).2n (2n )! n 2.4.6...(2n 2).2n 2 .n !
Exemplo 1.5: Calcular a soma: 1.1! + 2.2 ! + 3.3! + ... + n.n! Tomemos a igualdade: k.k! = (k + 1)! – k! e nela façamos sucessivamente k = 1, 2, 3,..., n, o que dá: 1.1! = 2! – 1 2.2! = 3! – 2! 3.3! = 4! – 3! n.n! = (n + 1)! – n! Somando ordenadamente todas essas n igualdades e simplificando, obtemos: 1.1! + 2.2! + 3.3! +...+ n.n! = (n + 1)! – 1
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
1.6 – Princípio fundamental da contagem - PFC Se determinado acontecimento ocorre em n etapas diferentes, e se a primeira etapa pode ocorrer de k1 maneiras diferentes, a segunda de k2 maneiras diferentes, e assim sucessivamente , então o número total T de maneiras de ocorrer o acontecimento é dado por: T = k1. k2 . k3 . ... . kn
1.7 – Número Binomial Definição 1.3: Sejam n > 0 e k dois inteiros tais que 0 k n . Chama-se número binomial de
n k
numerador n e classe k, o inteiro que se indica por , e tal que:
n n! k k!(n k)!
Obviamente, também podemos escrever:
n n(n 1)...(k 1) n(n 1)...(n k 1) k (n k)! k! Em particular, para k = 0 ou k = n, temos:
n n 1 0 n Assim, por exemplo:
8 8! 8.7.6.5.4.3.2.1 8.7.6 56 3 3!5! 3.2.1.5.4.3.2.1 3.2.1 7 7.6.5 7.6.5 35 4 (7 4)! 3.2.1
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
1.8 – Números Binomiais Complementares Definição 1.4: Chamam-se números binomiais complementares dois números binomiais que têm o mesmo numerador e cuja soma das suas classes respectivas é igual ao numerador comum.
20 20 e são números binomiais complementares, pois, têm o mesmo 7 13
Assim, por exemplo,
numerador 20 e 7 + 13 = 20. Teorema 1.4: Dois números binomiais complementares são iguais.
Demonstração:
n k
n h
Sejam e dois números binomiais complementares. Então, k + h = n e k = n – h. Portanto:
n n n n! n! k n h (n h)!(n (n h))! (n h)!h! h
1.9 – Números Binomiais Consecutivos Definição 1.5: Chamam-se números binomiais consecutivos dois números binomiais que têm o mesmo numerador e cujas classes respectivas são inteiros consecutivos.
18 18 e são números binomiais consecutivos, pois, têm o mesmo 9 10
Assim, por exemplo,
numerador 18 e as suas classes respectivas são os inteiros consecutivos 9 e 10.
n n e , com 1 k n , k 1 k
Teorema 1.5: Entre dois números binomiais consecutivos subsiste a relação de Stifel:
n n n 1 k 1 k k
Demonstração: Com efeito:
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CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
n n n! n! k 1 k (k 1)!(n k 1)! k!(n k)! n! n! (k 1)!(n k 1)(n k)! k(k 1)!(n k)! n! 1 1 (k 1)!(n k)! n k 1 k n 1 n! (k 1)!(n k)! k(n k 1)
n 1 (n 1)! k!(n 1 k)! k
Assim, por exemplo:
18 18 19 9 10 10 13 12 12 8 8 7 n n 1 n 2 k k 1 ... k k 1 k 1 k 1 k 1
Corolário 1.2:
Demonstração: Com efeito, mudando na relação de Stifel n sucessivamente por n – 1, obtemos:
n – 2, n – 3,..., k,
n n 1 n 1 k k 1 k n 1 n 2 n 2 k k 1 k n 2 n 3 n 3 k k 1 k ...........................................
n 1 k k k k 1 k k k 1 . k k 1
Além disso, é evidente:
17
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Somando ordenadamente todas essas igualdades e suprimindo os termos comuns aos dois membros acha-se a relação desejada. Substituindo, nesta relação, cada número binomial pelo seu complementar, obtemos:
n n 1 n 2 k k 1 ... n k n k n k 1 1 0
n n 1 n 2 n k n k 1 ... k k k 1 1 0
Corolário 1.3:
Demonstração: Consoante a relação de Stifel, temos: n n 1 n 1 k k 1 k n 1 n 2 n 2 k 1 k 2 k 1 n 2 n 3 n 3 k 2 k 3 k 2 ........................................... n k 1 n k n k 1 0 1
Além disso, temos: n k n k 1 0 0
Somando ordenadamente todas essas igualdades e suprimindo os termos comuns aos dois membros acha-se a relação desejada.
1. 10 – Piso, Teto e Nint de um número real. É fácil perceber que qualquer número real está entre dois números inteiros, um inteiro menor que o dado número real e um inteiro maior que esse número real. Por exemplo, o número real 3 5 , está entre os inteiros 2 e 3 ( 2 5 3 ); o número real , está entre os inteiros -5 e 2 3 4 ( 5 4 ), etc.. Veremos a seguir que o inteiro à esquerda será chamado de Piso (floor) 2 e o inteiro à direita será chamado de Teto(ceiling).
Definição 1.6: Chamam-se partes inteiras de um número real r, os inteiros n e n+1 que verificam às condições:
18
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
n r n 1 A todo número real r podemos associar dois números inteiros chamados piso e teto. Keneth Iverson introduziu esses nomes, assim como a notação que será usada, no início da década de 1960. Definição 1.7: Chama-se piso de um número real r, ao maior número inteiro menor ou igual a r. Definição 1.8: Chama-se teto de um número real r, ao menor número inteiro maior ou igual a r. Definição 1.9: Chama-se nint de um número real r, o valor inteiro mais próximo de r. Para evitar ambiguidades, no caso de valores de r iguais à metade de um inteiro, convenciona-se arredondar o valor de nint sempre para o inteiro par. Notação: Usaremos as seguintes notações: r = piso de r r = teto de r
r
= nint de r
Assim, o piso e o teto de um número real r são os inteiros definidos pelas desigualdades: r 1 r r r r 1
Em linguagem da Teoria dos Conjuntos: r max{n Z\| n r} e r min{n Z | n r}/
Observe que r r r se, e somente se, r é um número inteiro, e que todo número real r pode ser escrito sob a forma: r r k , onde 0 k r r 1
e r r 1 k , onde 0 k r r 1 1
O número real k chama-se parte não-inteira de r.
Exemplos: piso e teto de r.
19
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
a) 2 1 e 2 2
1 1 d) 0 e 1 3 3
b) 3 e 4
1 1 e) 1 e 0 2 2
3 3 c) 2 e 1 2 2
f) 7 7 e 7 7
Exemplos: nint de r.
a) [2,3] = 2 e [2,7] = 3
d) [3,5] = 4 e [4,5] = 4
1 b) 0 3
1 e) 0 2
c) [] = 3
e
e
23 6 4
[e] = 3
e
1,5 2
f) [-3, 4] = -3 e [-3, 7] = -4
Abaixo, estão ilustrados os gráficos das funções piso, teto e nint, respectivamente.
20
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
f ( x) x
f ( x) x
21
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
f ( x) x
1.11 – O Princípio da Casa dos Pombos (Princípio das Gavetas de Dirichlet) O princípio da Casa dos Pombos é a afirmação de que se n pombos devem ser postos em m casas, sendo n > m então pelo menos uma casa irá conter mais de um pombo. É também conhecido como Princípio das Gavetas de Dirichlet, acredita-se que o primeiro relato deste principio foi feito pôr Dirichlet em 1834, com o nome de Schubfachprinzip ("Princípio das Gavetas"). O princípio da casa do pombo é um exemplo de um argumento de calcular que pode ser aplicado em muitos problemas formais, incluíndo aqueles que envolvem um conjunto infinito. Exemplo: Quantas pessoas são necessárias para se ter certeza que haverá pelo menos duas delas façam aniversário no mesmo mês? Resposta: 13 pessoas. Pelo princípio da casa dos pombos se houver mais pessoas (13) do que meses (12) é certo que pelos menos duas pessoas terão nascido no mesmo mês. Embora o princípio da casa dos pombos seja uma observação trivial, pode ser usado para demonstrar resultados possivelmente inesperados . Por exemplo, em toda grande cidade, digamos com mais de 1 milhão de habitantes existem pessoas com o mesmo número de fios de cabelo. Demonstração: Tipicamente uma pessoa tem cerca de 150 mil fios de cabelo. É razoavel supor que ninguém tem mais de 1.000.000 de fios de cabelo em sua cabeça. Se há mais habitantes do que o número máximo de fios de cabelo, necessariamente pelo menos duas pessoas terão exatamente o mesmo número de fios de cabelo.
22
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
1.12 – Fatorial Caótico. Suponha que queremos calcular todos os anagramas da palavra ESCOLA, de modo que nenhuma letra ocupe o seu lugar original, ou primitivo. Um deles seria SEOCAL, uma vez que nenhuma letra ocupa seu lugar inicial. Esse tipo de permutação é chamada de caótica ou desordenada e o fatorial caótico de n ( também chamado de subfatorial ou derangements em Inglês), simbolizado por !n , é usado para calcular o número dessas permutações caóticas. Lembre-se que o fatorial calcula o total de permutações de um conjunto. Definição 1.11.: Chama-se fatorial caótico de um inteiro não negativo n ( n 0 ), o inteiro que se indica por !n, e tal que:
1 1 1 1 (1) n !n n! ... n! 0! 1! 2! 3!
n (1) n n! k! k 0
Para n 1 , temos:
1 1 (1) n !n n! ... n! 2! 3! n! Pode-se provar que !n . e
n (1) n n! k! k 2
M. Hassani deu outras formas para o fatorial caótico:
n! 1 !n ,n 1 e e
!n e e 1 n! en! , n 1 Os 10 primeiros valores !n, são: n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
n! 1 0 1 2 9 44 265 1854 14833 133496 1334961
23
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
Voltando ao problema comentando no início, podemos afirmar que o número de permutações caóticas da palavra ESCOLA é !6 = 265.
Exemplos: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 a) !6 6! 6! 2! 3! 4! 5! 6! 2 6 24 5! 6! 9 1 1 9 1 1 !6 6! 6! 24 5! 6! 4! 5! 6! 6.5.4!.9 6.5! 6! !6 270 6 1 4! 5! 6! !6 265
6! 720 264,87... 265 e 2, 718...
b) !6
6! 1 721 265, 241... 265 e 2, 718...
c) !6
d) !6 2,718...
1 .720 2,718... .720 3,086... .720 2, 718... .720 2,718...
!6 2221,92 1956,96 2221 1956 265
1.13 – Left Fatorial: L!n
Dura Kurepa , em 1971 publicou a o conceito de L!n, o left factorial, definido como n 1
L !n 0! 1! 2! ... ( n 1)! k ! k 0
Um famoso problema em aberto na Teoria dos Números, é uma conjectura feita por Kurepa de que o MDC (n!, L!n) = 2 para todo n maior que 1. Abaixo colocamos os 10 primeiros valores do left fatorial. Por definição, L!0 = 0. n 0 1 2
24
L!n 0 1 2
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
3 4 5 6 7 8 9 10
4 10 34 154 874 5914 46234 409114
O left fatorial é sempre par para qualquer inteiro maior que 1. Se dividirmos o left fatorial por 2, obtemos alguns valores primos. Veja L !n n 2 3 2 4 5 5 17 8 2957 9 23117 10 204557 L !n Uma questão em aberto é saber se existem infinitos primos da forma . 2 EXERCÍCIOS 1) Sem usar P.A., calcule a soma dos “n” primeiros inteiros positivos. 2)
Calcular o inteiro positivo n, sabendo que 3n+2 . 2n+3 = 2592.
10) Determinar todos os inteiros positivos de dois algarismos que sejam igual ao quádruplo da soma dos seus algarismos. 11) Achar o menor e o maior inteiro positivo de n algarismos.
3) Calcule o inteiro positivo n, sabendo-se que: 3n + 3n+1 + 3n+2 + 3n+3 = 1080.
12) Resolva a equação: (x + 2)! = 72.x!
4) Com uma calculadora, achar os valores de n < 10 para os quais n! + 1 é um quadrado perfeito.
13) Resolver a equação:
5) Sendo m e n inteiros positivos, dizer se é verdadeiro ou falso: a) (mn)! = m!. n!
7
7 x x 2x 2
n k
14) Demonstrar :
2
n k 1 n k k 1
b) (m + n)! = m! + n! 6) Demonstrar: (n – 1)! [(n + 1)! – n!] = (n!)
2
7) Sendo n > 2, demonstrar: (n2)! > (n!)2. 8) Decompor o inteiro 565 numa soma de cinco inteiros ímpares consecutivos. 9) Achar todas as soluções inteiras e positivas da equação (x + 1)(y + 2) = 2xy.
15) Achar todas as soluções inteiras e positivas da equação: x2 – y2 = 88.; 16) Verificar se o quadrado de um inteiro pode terminar em 2, 3, 7 ou 8. 17) Hilbert escreveu os inteiros de 1 até 1000 (inclusive), em ordem decrescente. Sem usar P.A, determine qual foi o 3330 inteiro escrito? 18) Calcular o número de algarismos necessários para ser escrever os números positivos de 1, 2. 3, 4, ......, n algarismos.
25
CAPÍTULO 1 NÚMEROS INTEIROS – NOÇÕES FUNDAMENTAIS
19) O produto de um inteiro positivo de três algarismos por 7 termina à direita por 638. Achar esse inteiro. 20) Determinar quantos algarismos se emprega para numerar todas as páginas de um livro de 2748 páginas. 21) Dois homens estavam conversando num bar quando um virou para o outro e disse: -
-
Tenho três filhas a soma de suas idades é igual ao número da casa em frente e o produto é 36. Posso determinar as idades de suas filhas apenas com esses dados? Não. Dar-lhe-ei um dado fundamental: minha filha mais velha toca piano.
Determine as idades das filhas e o número da casa em frente. 22) Calcular a soma dos três maiores números inteiros de, respectivamente, três, quatro e cinco algarismos. 23) Determinar a diferença entre o maior número inteiro com seis algarismos diferentes e o maior inteiro com cinco algarismos também diferentes.s 24) Um livro tem 1235 páginas. Determinar o número de vezes que o algarismo 1 aparece na numeração da páginas deste livro. 25) Os números abaixo estão dispostos em linhas e colunas. 1 2 8 9 15 16 22 23 29 30
29) Determinar o inteiro n > 1 de modo que a soma 1! + 2! + 3! + ... + n! seja um quadrado perfeito. 30) A média aritmética de dois inteiros positivos é 5 e a média geométrica é 4. Encontre esses números. 31) Achar cinco inteiros positivos consecutivos cuja soma dos quadrados é igual a 2010. 32) O resto por falta da raiz quadrada de um inteiro positivo é 135 e o resto por excesso é 38. Achar esse inteiro.
33) Resolver a equação
x ! 3( x 2)! 31 x ! 3( x 2)! 29
34) Achar o inteiro que deve ser somado a cada um dos inteiros 2, 6 e 14 para que, nesta ordem, formem uma proporção contínua. 35) Coloque em ordem crescente: .
260 ; 340 ; 7 20
36) Achar o valor mínimo de uma soma de 10 inteiros positivos distintos, cada um dos quais se escreve com três algarismos. 37) O menor número natural n, diferente de zero, que torna o produto de 3888 por n um cubo perfeito é: 38) Um estudante ao efetuar a multiplicação de 7432 por um certo inteiro achou o produto 1731656, tendo trocado, por engano, o algarismo das dezenas do multiplicador, tomando 3 em vez de 8. Achar o verdadeiro produto. 39) Achar o menor inteiro cujo produto por 21 é um inteiro formado apenas por 4 algarismo. 40) Escreve-se a seqüência natural dos inteiros positivos, sem separar os algarismos:
Determine a posição (linha e coluna) ocupada pelo número 107. 26) Mostrar que o produto de quatro algarismos consecutivos, aumentado de 1, é um quadrado perfeito. 27) A soma dos quadrados de dois inteiros é 3332 e um deles é o quádruplo do outro. Achar os dois inteiros. 28) Escrever os inteiros de 1 a 1993, inclusive, quantas vezes o algarismo 1 é escrito?
26
123456789101112131415... Determinar: a)
o 435º algarismo
b) o 1756º algarismo. c)
o 12387º algarismo.
41) Escreve-se a seqüência natural dos inteiros positivos pares, sem separar os algarismos: 24681012141618...
CAPĂ?TULO 1 NĂ&#x161;MEROS INTEIROS â&#x20AC;&#x201C; NOĂ&#x2021;Ă&#x2022;ES FUNDAMENTAIS Determinar o 2574Âş algarismo que se escreve.
Apertando 2, trocam de cor 1, 2, 3, 4, 5 e 6. Apertando 5, trocam de cor 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8 e 9.
1999
42) As representaçþes decimais dos nĂşmeros 2 e 51999 sĂŁo escritos lado a lado. O nĂşmero de dĂgitos escritos ĂŠ igual a:
Inicialmente todos os botĂľes estĂŁo verdes. Ă&#x2030; possĂvel, apertando sucessivamente alguns botĂľes, tornĂĄ-los todos vermelhos?
43) Mostrar que o produto de dois fatores entre 10 e 20 ĂŠ o dĂŠcuplo da soma do primeiro com as unidades do segundo mais o produto das unidades dos dois.
50) Escrevemos abaixo os nĂşmeros naturais de 1 a 10.
44) Achar o menor inteiro positivo que multiplicado por 33 dĂĄ um produto cujos algarismos sĂŁo todos 7.
Antes de cada um deles, coloque sinais â&#x20AC;&#x153;+â&#x20AC;? ou â&#x20AC;&#x153;â&#x20AC;&#x201C;â&#x20AC;? de forma que a soma de todos seja zero.
45) Os inteiros a e b sĂŁo tais que 4 < a < 7 e 3 < b < 4. Mostrar que 0 < a â&#x20AC;&#x201C; b < 4. 46) Os inteiros a e b sĂŁo tais que â&#x20AC;&#x201C;1 < a < 3 e â&#x20AC;&#x201C;2 < b < 0. Mostrar que â&#x20AC;&#x201C;1 < a â&#x20AC;&#x201C; b < 5. 47) Os inteiros a e b sĂŁo tais que -2 < a < 2 e 2 < b < 2. Mostrar que â&#x20AC;&#x201C;4 < a â&#x20AC;&#x201C; b < 4. 48) Em um quartel existem 100 soldados e, todas as noites, trĂŞs deles sĂŁo escolhidos para trabalhar de sentinela. Ă&#x2030; possĂvel que apĂłs certo tempo um dos soldados tenha trabalhado com cada um dos outros exatamente uma vez? 49) Um jogo consiste de 9 botĂľes luminosos (de cor verde ou vermelha) dispostos da seguinte forma: 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Apertando um botão do bordo do retângulo, trocam de cor ele e seus vizinhos (do lado ou em diagonal). Apertando o botão do centro, trocam de cor todos os seus 8 vizinhos porÊm ele não.
Exemplos:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10.
51) Escrevemos abaixo os nĂşmeros naturais de 1 a 11. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Antes de cada um deles, coloque sinais â&#x20AC;&#x153;+â&#x20AC;? ou â&#x20AC;&#x153;â&#x20AC;&#x201C;â&#x20AC;? de forma que a soma de todos seja zero. 52) Para numerar as pĂĄginas de um livro foram utilizados 663 algarismos. Quantas pĂĄginas tinha o livro? 53) Seja Q = 1! + 2! + 3! + ... + n!. Para quantos valores de n tem-se Q quadrado perfeito? 54) Quantos sĂŁo os nĂşmeros naturais de 4 dĂgitos que possuem pelo menos dois dĂgitos iguais? 55) Quantos sĂŁo os nĂşmeros de 5 algarismos, na base 10: a) Nos quais o algarismo 2 figura? b) Nos quais o algarismo 2 nĂŁo figura? 56) Permutam-se de todos os modos possĂveis os algarismos 1, 2, 4, 6, 7 e escrevem-se os nĂşmeros assim formados em ordem crescente. a) Que lugar ocupa o nĂşmero 62417? b) Qual o nĂşmero que ocupa o 66Âş lugar? c) Qual o 200Âş algarismo escrito? d) Qual a soma dos nĂşmeros assim formados?
57) Sejam đ?&#x2018;&#x17D; e đ?&#x2018;? inteiros positivos tal que đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;? + 1 divide đ?&#x2018;&#x17D;2 + đ?&#x2018;? 2 . Mostre em que condiçþes đ?&#x2018;&#x17D;2 +đ?&#x2018;? 2 đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?+1
ĂŠ um quadrado perfeito.
Apertando 1, trocam de cor 1, 2, 4 e 5.
27
Capítulo 2:
INDUÇÃO MATEMÁTICA INTRODUÇÃO
A
s ciências naturais utilizam o método chamado indução empírica para formular leis que devem reger determinados fenômenos a partir de um grande número de observações particulares, selecionadas adequadamente. Esse tipo de procedimento, embora não seja uma demonstração de que um dado fato é logicamente verdadeiro, é frequentemente satisfatório. Por exemplo: ninguém duvidaria de que quando um corpo é liberado ao seu próprio peso, no vácuo, na superfície da terra, ele cai segundo a vertical do local. A validade de um teorema matemático se estabelece de forma totalmente diferente. Verificar que uma certa afirmação é verdadeira num grande número de casos particulares não nos permitirá concluir que ela é válida. Para demonstrar a verdade de uma sequência infinita de proposições, uma para cada inteiro positivo, introduziremos o chamado método de recorrência ou indução matemática.
2.1 – Elemento mínimo de um conjunto de inteiros Definição 2.1: Seja A um conjunto de inteiros. Chama-se elemento mínimo de A um elemento a A tal que a x para todo x A . Representa-se pela notação “minA”, que se lê: “mínimo de A”. Portanto, simbolicamente: minA = a ( a A e ( x A ) ( a x )) Teorema 2.1: Se a é elemento mínimo de A, então esse elemento é único. Demonstração: Com efeito, se existisse um outro elemento mínimo b de A, teríamos: i) a b , porque a = minA. ii) b a , porque b = minA..
28
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Logo, pela propriedade anti-simétrica da relação de ordem natural “ ” em Z, temos a = b. O elemento mínimo de A, se existe, denomina-se também primeiro elemento de A ou menor elemento de A Exemplo 2.1: O conjunto N = {1, 2, 3,...} dos inteiros positivos tem o elemento mínimo, que é 1 (minN = 1), porque 1 N e 1 n para todo n N . Exemplo 2.2: O conjunto A x | x 12 13), porque 13 A e 13 x para todo x A .
tem o elemento mínimo, que é 13 (minA =
Exemplo 2.3: O conjunto Z 0, 1, 2, 3,... dos inteiros não positivos não tem o elemento mínimo, porque não existe a Z- tal que a x para todo x Z- .
2 Exemplo 2.4: O conjunto A x |3divide x tem o elemento mínimo 3 (min A = 3),
porque 3 A (3 divide 9) e 3 x para todo x A (1 A e 2 A).
2.2 – Princípio da boa ordenação Todo conjunto não vazio A de inteiros não negativos possui o elemento mínimo. Em outros termos, todo subconjunto não vazio A do conjunto
Z+ ={0 ,1, 2, 3, ...} dos inteiros não negativos ( A Z+ ) possui o elemento mínimo, isto é, simbolicamente: ( A Z , A ) min A
Exemplo 2.5: O conjunto A = {1, 3, 5, 7,...} dos inteiros positivos ímpares é um subconjunto não vazio de
Z+ ( A Z+ ). Logo, pelo “Princípio da boa ordenação”, A possui o elemento mínimo (minA = 1). Exemplo 2.6: O conjunto P = {2,3,5,7,11, ...} dos inteiros primos é um subconjunto não vazio de Z+ ( P Z+). Logo, pelo “Principio da boa ordenação”, P possui o elemento mínimo (minP = 2). Teorema 2.2 (de Archimedes): Se a e b são dois inteiros positivos quaisquer, então existe um inteiro positivo n tal que na b .
29
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Demonstração: Suponhamos que a e b são dois inteiros positivos para os quais na b para todo inteiro positivo n. Então, todos os elementos do conjunto: S = {b – na | n N } são inteiros positivos e, pelo “Princípio da boa ordenação”, S possui o elemento mínimo,
digamos minS = b – ka. E como b – (k + 1)a pertence a S, porque S contém todos os inteiros positivos desta forma, temos: b – (k + 1) a = (b – ka) – a < b – ka isto é, b – ka não é o elemento mínimo de S, o que é uma contradição. Logo, a propriedade archimediana é verdadeira. Assim, por exemplo: i) se a = 2 e b = 11, então n = 6, porque 6.2 > 11; ii) se a = 9 e b = 5, então n =1, porque 1.9 > 5.
2.3 – Princípio de Indução Finita. Quando uma proposição é enunciada em termos de números naturais, o Princípio de indução finita constitui um eficiente instrumento para demonstrar a proposição no caso geral. Na prática, o método pode ser entendido por um artifício muito simples. Vamos supor que temos uma série de dominós idênticos colocados em fila, que começa por um deles e prossegue indefinidamente. Nosso objetivo é - empurrando apenas um dominó - garantir que todos caiam. Como derrubar todos os dominós? Para isso, basta nos assegurarmos de que: 1) O primeiro dominó cai; 2) Os dominós estão dispostos de tal modo que qualquer um deles - toda vez que cai -, automaticamente, empurra o dominó seguinte e o faz cair também. Assim, mesmo que a fila se estenda indefinidamente, podemos afirmar que todos os dominós cairão.
30
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
➢ Vamos estabelecer matematicamente esses procedimentos. Teorema 2.3 Seja S um subconjunto do conjunto N dos inteiros positivos ( S N ) que satisfaz as duas seguintes condições: i) 1 pertence a S ( 1 S ); ii) para todo inteiro positivo k, se k S , então ( k 1) S . Nestas condições, S é o conjunto N dos inteiros positivo: S = N. Demonstração: Suponhamos, por absurdo, que S não é o conjunto N dos inteiros positivos ( S N ) e seja X o conjunto de todos os inteiros positivos que não pertencem a S, isto é: X = {x | x N e x S } = N – S Então, X é um subconjunto não vazio de N ( X N ) e, pelo “Princípio da boa ordenação”, existe o elemento mínimo x0 de X (minX = x0 ). Pela primeira condição, 1 S , de modo que x0 > 1 e, portanto, x0 - 1 é um inteiro positivo que não pertence a X. Logo, (x0 - 1) S e, pela segunda condição, segue-se que ( x0 - 1) + 1 = x0 S , o que é uma contradição, pois, x0 X N S , isto é, x0 S . Assim sendo, X e S = N. Consoante este “Princípio de indução finita”, o único subconjunto de N que satisfaz às duas condições é o próprio N.
2.4 – Indução Matemática Em matemática, conclusões como as que se obtêm a seguir são inadmissíveis. Por quê? Em que pecam os raciocínios utilizados? Vamos examiná-los... 1) Suponha que desejemos obter uma fórmula que dá o valor da soma Sn = 1 + 3 + 5 + 7 + ... + (2n - 1), para qualquer inteiro positivo de n. É fácil ver que: • n=1
S1 = 1 = 12;
• n=2
S2 = 1 + 3 = 4 = 22;
• n=3
S3 = 1 + 3 + 5 = 9 = 32
• n=4
S4 = 1 + 3 + 5 + 7 = 16 = 42
31
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Por meio de um raciocínio indutivo, os resultados obtidos nos levam a afirmar que para todo inteiro positivo n tem-se Sn = n2. 2) Consideremos o trinômio P(n) = n2 + n + 41. Considerando n = 0, obtemos P(0) = 41, que é um número primo. Substituindo n por 1, chegamos a outro número primo, o 43. Substituindo sucessivamente n por 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10, conseguimos como resultados outros números primos (47, 53, 61, 71, 83, 97, 113, 131 e 151, respectivamente). Então, os resultados obtidos nos induzem a afirmar que, para todo n natural, o trinômio P(n) = n2 + n + 41, sempre produz como resultado um número primo. Nos dois exemplos, propôs-se um resultado geral, supostamente válido para todo n, com base no fato de que ele é correto para alguns valores particulares de n: tal procedimento, entretanto, pode conduzir a conclusões falsas. Assim, ainda que em no primeiro caso a proposição geral enunciada resulte correta - por mero acaso! -, a proposição geral do segundo exemplo é falsa. De fato, P(n) gera números primos para n= 0, 1, 2, 3, ..., 39, mas para n = 40, ele vale 412, que não é um número primo. Portanto, no exemplo 2), encontramos uma proposição que - apesar de válida em 40 casos particulares - não é válida em geral. Note bem: Uma proposição pode ser válida em uma série de casos particulares, mas, mesmo assim, não o ser de maneira geral. Coloca-se, então, o seguinte problema: temos uma proposição que se mostrou correta em muitos casos particulares. No entanto, é impossível verificar todos os casos particulares. Assim sendo, como podemos saber se a proposição é correta de modo geral? O Teorema abaixo, esclarece essa questão. Teorema 2.4: Seja P(n) uma proposição associada a cada inteiro positivo n e que satisfaz às duas seguintes condições: i)
P(1) é verdadeira;
ii) para todo inteiro positivo k, se P(k) é verdadeira, então P(k + 1) também é verdadeira. ➢ Nestas condições, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n.
Demonstração: Seja S o conjunto de todos os inteiros positivos n para os quais a proposição P(n) é verdadeira, isto é: S = { n N | P(n) é verdadeira} Pela primeira condição, P(1) é verdadeira e, portanto, 1 S . Pela segunda condição, para todo inteiro positivo k, se k S , então ( k 1) S . Logo, o conjunto S satisfaz às duas condições do “Princípio de indução finita” e, portanto, S = N, isto é, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n.
32
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Nota: O teorema 2.4 é geralmente denominado “Teorema da indução matemática” ou “Princípio de indução matemática”, e a demonstração de uma proposição usando-se este teorema chama-se “demonstração por indução matemática” ou “demonstração por indução sobre n”. Na “demonstração por indução matemática” de uma dada proposição P(n) é obrigatório verificar que as condições i e ii são ambas satisfeitas. A verificação da condição i é geralmente muito fácil, mas a verificação da condição ii implica em demonstrar o teorema auxiliar cuja hipótese é: H: proposição P(k) é verdadeira, k N . denominada “hipótese de indução”, e cuja tese ou conclusão é: T: proposição P(k + 1) é verdadeira.
2.5. Exemplos de demonstração por Indução Matemática Exemplo 2.7: Demonstrar a proposição: P(n): 1 + 3 + 5 + ... + (2n – 1) = n², n N Demonstração: i)
P(1) é verdadeira, visto que 1 = 1².
ii) A hipótese de indução é que a proposição: P(k): 1 + 3 + 5 + ... + (2k – 1) = k², k N é verdadeira. Adicionando (2k + 1) a ambos os membros desta igualdade, obtemos: 1 + 3 + 5 + ... + (2k – 1) + (2k + 1) = k² + (2k + 1) = (k + 1)² e isto significa que a proposição P(k + 1) é verdadeira. Logo, pelo “Teorema da indução matemática”, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n.
33
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Exemplo 2.8: Demonstrar a proposição:
P(n) :
1 1 1 1 n ... , n N 1.2 2.3 3.4 n(n 1) n 1
Demonstração: 1 1 1.2 1 1 2) A hipótese de indução é que a proposição:
1) P(1) é verdadeira, visto que
P(k) :
1 1 1 1 k ... ,kN 1.2 2.3 3.4 k(k 1) k 1
é verdadeira. Adicionando
1
k 1 k 2
a ambos os membros desta igualdade, obtemos:
1 1 1 1 1 ... 1.2 2.3 3.4 k(k 1) k 1 k 2
k 1 k 2 2k 1 k 1 k 1 k 1 k 2 (k 1) k 2 k 2
e isto significa que a proposição P k 1 é verdadeira. Logo, pelo “Teorema da indução matemática”, a proposição P n é verdadeira para todo inteiro positivo n. Exemplo 2.9: Demonstrar a proposição:
P(n) : 3| 22n 1 , n N Demonstração:
1) P (1) é verdadeira, visto que 3 | 22 1 . 2) A hipótese de indução é que a proposição: P k : 3| 22k 1 , k N é verdadeira.
Portanto: 22k – 1 = 3q, com q Z
34
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
o que implica: 22 k 1 1 22.22k 1 4.22k 1 4.22k 4 4 1 4 22k 1 3 4.3q 3 3(4q 1)
isto é, a proposição P k 1 é verdadeira. Logo, pelo “teorema da indução matemática”, a proposição P n é verdadeira para todo inteiro positivo n. Exemplo 2.10: Demonstrar a proposição:
P(n) : 2n n, n N Demonstração: 1) P(1) é verdadeira, visto que 2¹ = 2 > 1. 2) A hipótese de indução é que a proposição: P(k): 2k k , k N
é verdadeira. Portanto: 2.2k > 2k ou 2k+1 > k + k k + 1 o que implica: 2k 1 k 1 , isto é, a proposição P(k+1) é verdadeira. Logo, pelo “Teorema da indução matemática”, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n.
2.6 . Outras formas da indução matemática Teorema 2.5 Seja r um inteiro positivo fixo e seja P(n) uma proposição associada a cada inteiro n r e que satisfaz às duas seguintes condições: i) P(r) é verdadeira; ii) para todo inteiro k r, se P(k) é verdadeira, então P(k + 1) também é verdadeira. ➢ Nestas condições, P(n) é verdadeira para todo inteiro n r..
35
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Demonstração: Seja S o conjunto de todos os inteiros positivos n para os quais a proposição P(r + n – 1) é verdadeira, isto é: S = {n N | P(r + n – 1) é verdadeira} Pela primeira condição, P(r) = P(r + 1 – 1) é verdadeira, isto é, 1 S. E, pela segunda condição, se P(r + k – 1) é verdadeira, então: P((r + k – 1) + 1) = P(r + (k + 1) – 1) também é verdadeira, isto é, se k S, então (k + 1) S. Logo, pelo “Princípio da indução finita”, S é o conjunto dos inteiros positivos: S = N, isto é, a proposição P(r + n – 1) é verdadeira para todo n N , ou seja, o que é a mesma coisa, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro n r . Exemplo 2.11: Demonstrar a proposição: P(n): 2n n ! , n 4 Demonstração: 1) P(4) é verdadeira, visto que 24 16 4! 24 . 2) Suponhamos, agora, que é verdadeira a proposição: P(k): 2k k ! , k 4 ( I ) Então, por ser 2 < k + 1 para k 4 ( II ), multiplicando termo a termo ( I ) e ( II ):
2k 1 k !.(k 1) ou 2k 1 (k 1)! isto é, a proposição P(k + 1) é verdadeira. Logo, pelo teorema 2.5, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro n 4 .
Observe-se que a proposição P(n) é falsa para n = 1, 2, 3, pois, temos: 2¹ > 1! , 2² > 2! , 2³ > 3! Exemplo 2.12: Demonstrar a proposição:
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CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
P(n) : n2 > 2n + 1, n 3 Demonstração: 1) P (3) é verdadeira, visto que 32 = 9 > 2. 3 + 1= 7. 2) Suponhamos, agora, que é verdadeira a proposição: P(k) : k2 > 2k + 1, k 3 Então, temos: k2 + (2k+ 1) > (2k+1) + (2k+1) ou (k +1)2 > 2 (k + 1) + 2k > 2 (k + 1) + 2 > 2 (k +1) + 1, k 3 e, portanto: (k +1)2 > 2 (k +1) + 1, k 3. Isto é, a proposição P k 1 é verdadeira. Logo, pelo teorema 2.5, a proposição P n é verdadeira para todo inteiro n 3 . Observa-se que a proposição P n é falsa para n = 1 e n = 2, pois, temos: 12 < 2.1+1 e 22 < 2.2 + 1 Teorema 2.6 Seja P(n) uma proposição associada a cada inteiro positivo n e que satisfaz às duas seguintes condições: i) P(1) é verdadeira; ii) para todo inteiro positivo k, se P(1), P(2),..., P(k) são todas verdadeiras, então P(k + 1) também é verdadeira. Nestas condições, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n.
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CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Demonstração: Seja S o conjunto de todos os inteiros positivos n para os quais a proposição P(n) é verdadeira, isto é: S = { n N | P(n) é verdadeira} Suponhamos por absurdo, que S N e seja X o conjunto de todos os inteiros positivos que na pertencem a S, isto é: X = {x | x N e x S } = N – S Então, X é um subconjunto não vazio de N e, pelo “Princípio da boa ordenação”, existe o elemento mínimo j de X (minX = j). Pela primeira condição, 1 S , de modo que j > 1, e como j é o menor inteiro positivo que não pertence a S, segue-se que as proposições P(1), P(2),..., P(j – 1) são todas verdadeiras. Então, pela segunda condição, a proposição P(j) é verdadeira e j S , o que é uma contradição, pois j X , isto é, j S . Assim sendo, S = N e a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro positivo n. Teorema 2.7 Seja r um inteiro positivo fixo e seja P(n) uma proposição associada a cada inteiro n r e que satisfaz às duas seguintes condições: 1) P(r) é verdadeira; 2) para todo inteiro k > r, se P(m) é verdadeira para todo inteiro m tal que r m k , então P(k) é verdadeira. ➢ Nestas condições, a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro n r .
Demonstração: Seja S o conjunto de todos os inteiros n r para os quais a proposição P(n) é falsa, isto é: S = { n N | n r e P(n) é falsa} Suponhamos, por absurdo, que S não é vazio ( S ). Então, pelo “Princípio da boa ordenação”, existe o elemento mínimo j de S (minS = j). Pela primeira condição, r S , de modo que j > r, e, por conseguinte P(m) é verdadeira para todo inteiro m tal que r m j . Assim sendo, pela segunda condição, P(j) é verdadeira e j S , o que é uma contradição, pois, j S . Logo, o conjunto S é vazio ( S ), e a proposição P(n) é verdadeira para todo inteiro n r .
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CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
Nota Histórica
Era ideia assente na comunidade matemática do século XIX, que a indução era obra do matemático francês Blaise Pascal , tendo em conta diversas demonstrações que apresenta no seu Traité du Triangle Arithmétique. Essa situação seria integralmente modificada, vinte anos após a formulação moderna de indução matemática fixada por Giuseppe Peano , quando Giovanni Vacca , em 1909, num artigo de três páginas publicado no Bulletin of American Mathematical Society, vem defender que o italiano Francesco Maurolico , pelos trabalhos que desenvolveu no primeiro livro de aritmética incluído na sua Opuscula Mathematica, escrita em 1557 e publicado em Veneza no ano de 1575, como "the first discoverer of the principle of mathematical induction". O artigo de Vacca encontrou eco, ainda que eventualmente sem verificação posterior, em autores importantes como Moritz Cantor ou Siegmund Günther . M. Cantor, por exemplo, que atribuiu inicialmente a Pascal a principal origem do método de indução completa (em Vorlesungen uber Geschichte der Mathematik, vol. 2, p. 749), viria a transferir esse atributo para Maurolico (em Zeichrift fur Mathematischen und Naturwissenschaftlichen Unterricht, vol 33, 1902, p. 536), segundo conta devido a uma informação oral que lhe foi prestada pelo próprio Vacca. Passar-se-iam mais de quarenta anos sem que o artigo de Vacca fosse alvo de qualquer crítica. Até que Hans Freudenthal (em Zur Geschichte der vollständigen Induktion, Archive Internationale d'Histoire des Sciences 6 (1953) 17-37) depois de um exame detalhado dos trabalhos de Maurolico, vem sustentar que em apenas três pontos conseguiu reconhecer uma certa forma de indução matemática: uma forma arcaica, contudo, ao contrário do que observou em Pascal, onde a indução é formulada pela primeira vez de uma maneira abstrata.
39
CAPÍTULO 2 INDUÇÃO MATEMÁTICA
EXERCÍCIOS 1) Demonstrar por "indução matemática": a)
12 + 22 + 32 + ... + n2 =
c)
n (n 1)(2n 1) 6
d) 24 | (52n – 1) n
n N
n (n 1) 4 2
b)
13 + 23 + 33 + ... + n3 =
2
n
N c)
n (4n 1) n N 3
7 | (23n – 1) n N
f)
8 | 32n + 7, n N.
4) Demonstrar que 10n + 1 – 9n – 10 é um múltiplo de 81 para todo inteiro positivo n
5) Demonstrar que
n 3 n 5 7n é um inteiro 3 5 15
positivo para todo n N
d) 13 + 33 + 53 + ... + (2n –1)3 = n2(2n2 – 1)
f)
e)
12 + 32 + 52 + ... + (2n – 1)2 = 2
e)
5 | (8n – 3n) n N
6) Prove que, para todo inteiro n 1 , o número
4n 1 an é inteiro e ímpar. 3
1.2 + 2.3 + 3.4 + ... + n(n + 1) =
n (n 1)(n 2) 3 1 1 1 1 1 1 1 ... 1 n 1 2 3 n
n
7) Para n 1, mostre que
, n N
S n k ! é um k 1
inteiro ímpar. n 1
g) a + aq + aq2 + ...+aqn =
a (q 1) ,q1 q 1
2) Demonstrar por "indução matemática" a)
2n < 2n+1 n N
b) 2 > n n 5 n
c)
2
4n > n4 n 5
d) 2n > n3 n 10 e)
n ! > n2 n 4
f)
n! > n3 n 6
g)
1
1 1 1 1 ... 2 2 – , n N 4 9 n n
3) Demonstrar por "indução matemática" a)
2 | (3n – 1) n N
b) 6 | (n3 – n) n N
40
n2
8) Para n 0 , mostre que an 11 é um inteiro divisível por 133.
9)
122 n 1
Para n 3 , mostre que a) b)
n 1 n n 1 2 n! n n . . n
10) Mostre que é sempre possível pagar, sem receber troco, qualquer quantia inteira de $, maior que $7, com notas de $3 e $5.
Capítulo 3:
SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS 3.1 . Somatórios Sejam os n > 1 inteiros a1 , a 2 ,..., a n . Para indicar, de modo abreviado, a soma a1 a 2 ... a n desses n inteiros usa-se a notação: n
a i 1
i
que se lê: “somatório de a i de 1 a n”. Em particular, para n = 2, 3,..., temos: 2
a i a1 a 2 , i 1
3
a i 1
i
a1 a 2 a 3 , ...
A letra i chama-se o índice do somatório e pode ser substituída por qualquer outra diferente de a e de n – é um índice mudo. E os inteiros 1 e n que figuram abaixo e acima da letra grega maiúscula (sigma) chamam-se respectivamente limite inferior e limite superior do índice i. O número de parcelas de um somatório é sempre igual à diferença entre os limites superior e inferior do seu índice mais uma unidade. Se m e n são dois inteiros, com m n , então, por definição: n
a im
i
a m a m 1 a m 2 ...a n
Exemplo 3.1: Temos: 7
5i 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 i 1
5 10 15 20 25 30 35 140
41
CAPÍTULO 3 SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS 4
8 j 3 8.1 3 8.2 3 8.3 3 8.4 3 j 1
5 13 21 29 68 8
k.2
3.23 4.44 5.25 6.26 7.27 8.28
k
k 3
24 64 160 384 896 2048 3576
Exemplo 3.2: Temos: 6
2 4 8 16 32 64 2i i 1
15
1 3 5 ... 29 2 j 1 j 1
3.2. Propriedades dos somatórios n
Teorema 3.1:
(a i 1
i
n
n
i 1
i 1
bi ) a i bi
Demonstração: Com efeito, desenvolvendo-se o primeiro membro, temos: n
(a i 1
i
bi ) (a1 b1 ) (a 2 b 2 ) ... (a n b n ) n
n
i 1
i 1
(a1 a 2 ... a n ) (b1 b 2 ... b n ) a i b i n
Teorema 3.2
a na i 1
Demonstração: Seja a i a para i = 1, 2,..., n. Então, temos: n
n
i 1
i 1
a a i a1 a 2 ... a n a a ... a na Teorema 3.3
42
n
n
i 1
i 1
(a i a) a i na
CAPÍTULO 3 SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS
Demonstração: Consoante os dois teoremas anteriores, temos: n
n
n
n
i 1
i 1
i 1
i 1
(a i a) a i a a i na n
n
i 1
i 1
Teorema 3.4 ka i k a i Demonstração: Com efeito, desenvolvendo o primeiro membro, temos: n
n
i 1
i 1
ka i ka1 ka 2 ... ka n k(a1 a 2 ... a n ) k a i 20
Exemplo 3.3: Calcular
(5i 2) i 1
Consoante os teoremas anteriores temos, sucessivamente: 20
20
20
20
i 1
i 1
i 1
i 1
(5i 2) 5i 2 5 i 20.2 5(1 2 ... 20) 40 1 5. (1 20)20 40 5.210 40 1090 2
3.3. Produtórios Sejam os n > 1 inteiros a1 , a 2 ,..., a n . Para indicar, de modo abreviado, o produto a1a 2 ...a n desses n inteiros usa-se a notação: n
a i 1
i
que se lê: “produtório de a i de 1 a n”. Em particular, para n = 2, 3,..., temos: 2
a i a1a 2 , i 1
3
a i 1
i
a1a 2 a 3 , ...
43
CAPÍTULO 3 SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS
A letra i chama-se o índice do produtório e pode ser substituída por qualquer outra diferente de a e de n – é um índice mudo. E os inteiros 1 e n que figuram abaixo e acima da letra grega maiúscula (pi) chamam-se respectivamente limite inferior e limite superior do índice i. O número de fatores de um produtório é sempre igual à diferença entre os limites superior e inferior do seu índice mais uma unidade. Se m e n são dois inteiros, m n , então, por definição: n
a im
i
a m .a m 1.a m 2 ...a n
Exemplo 3.4: Temos: 6
3i 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 i 1
=3.6.9.12.15.18=524880 4
5 j 3 5.1 3 5.2 3 5.3 3 5.4 3 j 1
=2.7.12.17 2856 Exemplo 3.5: Temos: 6
3.9.27.81.243.729 3i i 1
16
1.3.5.7....31 2 j 1 j 1
n
1.2.3... n 1 n n!= i i=1
3.4. Propriedades dos Produtórios Teorema 3.5
n
n
n
i 1
i 1
i 1
a i bi a i . bi
Demonstração: Com efeito, desenvolvendo o primeiro membro, temos: n
n
n
i 1
i 1
i 1
a i bi (a1b1 )(a 2b 2 )...(a n b n ) (a1a 2 ...a n )(b1b 2 ...b n ) a i . bi
44
CAPÍTULO 3 SOMATÓRIOS E PRODUTÓRIOS n
Teorema 3.6
a a
n
i 1
Demonstração: Seja a i a para i = 1, 2,..., n. Então, temos: n
n
i 1
i 1
a a i a1a 2 ...a n a.a...a a n Teorema 3.7
n
n
i 1
i 1
ka i k n a i
Demonstração: Com efeito, desenvolvendo o primeiro membro, temos: n
n
i 1
i 1
ka i (ka1 )(ka 2 )...(ka n ) k n (a1a 2 ...a n ) k n a i 4
Exemplo 3.6: Calcular
(2i 1)² i 1
Consoante o teorema 3.7, temos:
4 (2i 1)² (2i 1) ² (3.5.7.9)² 945² 893025 i 1 i 1 4
n
Exemplo 3.7: Demonstrar
n
n
a a i, j1
ij
i 1 j1
ij
Com efeito, desenvolvendo o primeiro membro, temos: n
a i, j1
ij
(a11a12 ...a1n )(a 21a 22 ...a 2n )...(a n1a n 2 ...a nn ) n
n
n
j1
j1
j1
n
n
a1j . a 2 j ... a nj a ij i 1 j1
45
Capítulo 4
DIVISIBILIDADE Um conceito chave em Teoria dos Números é o conceito de divisibilidade. Existem muitos aspectos interessantes referentes à divisão de números inteiros. Antes que possam ser analisados, é necessário que conceitos básicos como divisor e divide estejam bem estabelecidos.
4.1. RELAÇÃO DE DIVISIBILIDADE EM Z Definição 4.1: Sejam a e b dois inteiros, com a 0. Diz-se que a divide b se, e somente se, existe um inteiro q tal que b = aq Se a divide b também se diz que a é divisor de b, que b é múltiplo de a, que a é um fator de b ou que b é divisível por a. Notação: a | b ( a divide b) Observação: Se a | b , então –a | b Teorema 4.1: Quaisquer que sejam os inteiros a, b e c tem-se: 1) a | 0 a 0 , 1 | a e a | a a 0 2) Se a | 1 , então a = 1 3) Se a | b e se c | d , então ac | bd 4) Se a | b e se b | c , então a | c 5) Se a | b e se b | a , então a = b 6) Se a | b com b 0 , então | a | | b | 7) Se a | b e se a | c , então a |(bx + cy) para todo x e y em Z
46
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Demonstração: Em todas as demonstrações estaremos aplicando a Definição 1 e considerando aceitas todas as propriedades operatórias dentro do conjunto Z . 1) De fato: 0 = a.0;
a = 1.a;
a = a.1
2) De fato, se a|1, então 1 = a.q, o que implica a = 1 e q = 1 ou a = -1 e q = -1, ou seja: a = 1. 3) De fato, a | b b a.q
c | d d c.q1 Portanto:
bd ac.(q.q1 ) ac | bd 4) De fato: a | b b a.q
b | c c b.q1 Logo, c a.(q.q1 ) a | c . 5) De fato: a | b b a.q
b | a a b.q1 Logo: a a(qq1 ) qq1 1 q1 |1 q1 1 a b
6) De fato, nas condições da proprieade, temos: a | b b a.q, ou seja | b || a | . | q |
Como q 0 , temos que | q | 1 , desse modo temos | b || a | . 7) De fato: a | b b a.q
a | c c a.q1
47
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Logo, quaisquer que sejam os inteiros x e y: bx cy aqx aq1 y a(qx q1 y ) a | (bx cy )
Esta propriedade (7) pode ser generalizada; ou seja, se
a | bk , k 1, 2,3,..., n então, quaisquer que sejam os inteiros
x1 , x2 ,..., xn temos:
a | (bx1 bx2 ... bxn )
De acordo com as propriedades (1) e (4), a relação de divisibilidade em Z é reflexiva e transitiva, mas não é simétrica.
4.2. Conjunto dos divisores de um inteiro O conjunto de todos os divisores de um inteiro qualquer a indica-se por D(a) = {x Z* | x | a } É imediato que, para todo inteiro a, se tem D(a) = D(-a). Qualquer que seja o inteiro a 0 , se x | a , então: a x a D(a ) [ | a |,| a |]
significando que qualquer inteiro a 0 tem um número finito de divisores.
4.3. Divisores comuns de dois inteiros Definição 4.2 Chama-se divisor comum de dois inteiros a e b todo inteiro d 0 tal que
48
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
d | a e d | b. Notação: D(a,b) = { x Z * | x | a e x | b} ou seja, D(a,b) = D(a) D(b) Obs.: D(a,b) ; D(0,0) = Z * Exemplo 4.1: Sejam os inteiros a = 12 e b = -15. temos:
D 12 1, 2, 3, 4, 6, 12 D 15 1, 3, 5, 15 Portanto: D 12, 15 D 12 D 15 1, 3
4.4. Teorema da Divisão O Teorema da divisão, que veremos a seguir, usado por Euclides no seu livro Elementos, estabelece uma divisão com resto. É um teorema que foi "provado" uma vez através de um algoritmo que explica como se processa a divisão, por esse motivo ficou conhecido como Algoritmo de Euclides. Teorema 4.2 Se a e b são dois inteiros, com b > 0, então existem e são únicos os inteiros q e r que satisfazem às condições: a = bq + r e 0 r < b Demonstração:
Existência Seja S o conjunto de todos os inteiros não-negativos que são da forma a – bx, com x Z , isto é: S = {a – bx ; x Z , a – bx 0 }
Este conjunto S não é vazio, porque, sendo b > 0, temos b 1 e, portanto, para x = - | a |, resulta: a – bx = a + b |a | a + | a | 0 Assim sendo, pelo “Princípio da boa ordenação”, existe o elemento mínimo r de S tal que 0 r e r = a – bq ou a = bq + r, com q Z
49
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Além disso, temos r < b, pois, se fosse r b, teríamos: 0 r – b = a – bq – b = a – b( q+1 ) < r isto é, r não seria o elemento mínimo de S. Unicidade Para demonstrar a unicidade de q e r, suponhamos que existem dois outros inteiros q1 e r1 tais que a = bq1 + r1 e 0 r1 < b Então, teremos: bq1 + r1 = bq + r r1 – r = b(q – q1) b | (r1 – r) por outro lado, temos: - b < - r 0 e 0 r1 < b o que implica: - b < r – r1 < b, isto é | r1 – r | < b Assim, b | (r1 – r) e | r1 – r | < b e, portanto: r1 – r = 0, e como b 0, também temos q – q1 0. Logo, r1 = r e q1 = q. Nota: Aqui cabe uma pergunta: Por que o resto deve ser positivo? A resposta é simples: Quando se divide a por b, o que se procura é o maior múltiplo de b que é menor do que a, de modo que se a =b q + r, então r = a – bq é positivo porque a.b é menor do que a. Mas, não poderíamos definir divisão de modo que o resto fosse negativo? Neste caso b.q seria o menor múltiplo de b maior do que a, e teríamos situações como a do seguinte exemplo: para dividir R$10,00 entre 3 pessoas, cada uma delas receberia 4 reais e haveria um resto de -2(dívida de 2 reais? Quem iria pagar?) O exemplo mostra que esta maneira de se fazer a divisão não teria muito valor prático. (RPM 8)
Corolário 4.1 Se a e b são dois inteiros com b 0, existem e são únicos os inteiros q e r que satisfazem às condições: a = bq + r , 0 r < | b |
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CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Demonstração: Com efeito, se b > 0, nada há que demonstrar, e se b < 0, então | b | > 0, e por conseguinte existem e são únicos os inteiros q1 e r tais que a = | b |q1 + r e 0 r < | b | ou seja, por ser | b | = - b: a = b(- q1 ) + r e 0 r < | b | Portanto, existem e são únicos os inteiros q = - q1 e r tais que a = bq + r e 0 r < | b |. Os inteiros a, b, q e r chamam-se respectivamente o dividendo, o divisor, o quociente e o resto na divisão de a por b. Nota: As demonstrações acima garantem a validade do Teorema de Eudoxius: Sejam a e b 0 inteiros, então, I ) a é um múltiplo de b e, portanto, a= bq, q Z ; II ) a está situado entre dois múltiplos consecutivos de b, isto é, existe um inteiro q tal que, para b > 0, bq a < b(q+1) e, para b < 0, bq a < b(q-1). Exemplo 4.2: Achar o quociente q e o resto r na divisão de a = 59 por b = -14 que satisfazem as condições do algoritmo da divisão. Efetuamos a divisão usual dos valores absolutos de a e b, obtemos:
59 14.4 3 o que implica: 59 14 4 3
e
0 3 14
Logo, o quociente q 4 e o resto r 3 . Exemplo 4.3: Achar o quociente q e o resto r na divisão de a = -79 por b = 11 que satisfazem as condições do algoritmo da divisão. Efetuamos a divisão usual dos valores absolutos de a e b, obtemos: 79 = 11.7 + 2 o que implica: -79 = 11 7 2
51
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Como o termo r = 2 < 0 não satisfaz a condição 0 r 11 , somando e subtraindo o valor 11 de b ao segundo membro da igualdade anterior, obtemos: 79 11 7 11 11 2 11 8 9
com 0 9 11 . Logo, o quociente q = -8 e o r = 9. Exemplo 4.4: Sejam os inteiros a = 1, -2, 61, -59 e b = -7. Temos: 1 7 .0 1 e
2 7 .1 5
0 1 7 q 0 e r =1
e 0 5 7 q 1 e
61 7 8 5 e
59 7 .9 4
0 5 7 q 8
e
r=5 e
r=5
0 4 7 q 9 e r = 4
4.5. Paridade de um Inteiro Na divisão de um inteiro qualquer a por 2 os possíveis restos são r = 1 e r = 0. Se r = 0 , então o inteiro a = 2q é denominado par; e se r = 1, então o inteiro a = 2q + 1 é denominado ímpar, q Z . Dois inteiros que são ambos pares ou ambos ímpares dizem-se de mesma paridade, a dois inteiros tais que um é par e o outro é ímpar, dizemos que tem paridades diferentes. De modo geral, dado um inteiro a 2 , pode-se sempre escrever um inteiro qualquer n, de modo único, na forma n aq r , onde k , r Z e r a . Teorema 4.3 1) A soma ou a diferença de dois números pares é par. 2) A soma ou a diferença de dois números ímpares é par. 3) A soma ou a diferença de um número par com um número ímpar é ímpar.
Demonstração: 1) Sejam a = 2k1 e b = 2k2, então a b = 2k1 2k2 = 2(k1 k2). 2) Sejam a = 2k1 +1 e b = 2k2 +1, então a b = (2k1 +1) (2k2 +1) = 2(k1 + k2 + 1) ou 2(k1k2). 3) Sejam a = 2k1 e b = 2k2 +1, então a b = 2k1 (2k2 +1) = 2(k1 k2) +1.
52
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
Exemplo 4.5: Mostrar que o quadrado de qualquer inteiro ímpar é da forma 8k+1. Com efeito, pelo algoritmo da divisão, qualquer inteiro é de uma das seguintes formas: 4q, 4q 1, 4q 2, 4q 3
Nesta classificação, somente os inteiros das formas 4q +1 e 4q +3 são ímpares e , portanto, os seus quadrados são da forma:
4q 1
2
4q 3
2
8 2q 2 q 1 8k 1 8 2q 2 3q 1 1 8k 1
Assim, por exemplo, 7 e 13 são inteiros ímpares, e temos:
7 2 49 8.6 1 132 169 8.21 1
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CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
EXERCÍCIOS 1) Mostrar que se a | b, então (-a) | b, a | (-b) e a) | (-b).
(-
13) Sendo m e n dois inteiros quaisquer, mostrar que os inteiros m + n e m – n têm sempre a mesma paridade.
2) Sejam a, b e c inteiros. Mostrar que: a ) se a | b, então a | bc. b ) se a | b e se a | c, então a2 | bc. c ) a | b se e somente se ac | bc (c 0). 3) Verdadeiro ou falso: se a | (b + c), então a | b ou a | c. 4) Mostrar que, se a é um número inteiro qualquer, então um dos inteiros a, a + 2, a + 4 é divisível por 3. 5) Sendo a um inteiro qualquer, mostrar: a ) 2 | a(a + 1). b ) 3 | a(a + 1)(a + 2) . 6) Mostrar que um inteiro qualquer da forma 6k + 5 também é da forma 3t + 2. 7) Mostrar que todo inteiro ímpar é da forma 4k + 1 ou 4k + 3. 8) Mostrar que o quadrado de um inteiro qualquer é da forma 3k ou 3k + 1. 9) Mostrar que o cubo de um inteiro qualquer é de uma das formas 9k, 9k + 1 ou 9k + 8. 10) Mostrar que: a)
15) Determinar os inteiros positivos que divididos por 17 deixam um resto igual ao quadrado do quociente. 16) Verdadeiro ou falso: se a | c e se b | c, então a | b. 17) Mostrar que a diferença entre os cubos de dois inteiros consecutivos nunca é divisível por 2. 18) Na divisão do inteiro a = 427 por um inteiro positivo “b”, o quociente é 12 e o resto é r. Achar o divisor “b” e o resto “r”. 19) Na divisão do inteiro 525 por um inteiro positivo o resto é 27. Achar os inteiros que podem ser o divisor e o quociente. 20) Na divisão de dois inteiros positivos o quociente é 16 e o resto é o maior possível. Achar os dois inteiros, sabendo-se que sua soma é 341. 21) Achar os inteiros positivos menores que 150 e que divididos por 39 deixam um resto igual ao quociente. 22) Seja d um divisor de n (d | n). Mostrar que cd | n se e somente se c | (n/d). 23) Sejam n, r e s inteiros tais que 0 < r < n e 0 < s < n. Mostrar que se n | (r – s) então r = s.
n(n + 1)(2n + 1)/6 é um inteiro, qualquer que seja o inteiro positivo n.
24) Mostrar que o produto de dois inteiros ímpares é um inteiro ímpar.
b) Se “a “ é um inteiro ímpar, então 24 | a (a2 – 1).
25) Demonstrar que se m e n são inteiros ímpares, então 8 | (m4 + n4 – 2).
11) Mostrar que se a | (2x – 3y) e se a | (4x – 5y), então a | y. 12) Sendo a e b dois inteiros quaisquer, mostrar que os inteiros a e a + 2b têm sempre a mesma paridade.
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14) Demonstrar que: Se “a” e “b” são inteiros ímpares, então 8 | a2 – b2.
26) Demonstrar que 30 | (n5 – n) 27) Mostrar que, para todo inteiro n, existem inteiros k e r tais que n = 3k + r e r = -1, 0, 1. 28) Mostrar que (1 + 2 + . . . + n) | 3(12 + 22 + . . . + n2) para todo n > 1.
CAPÍTULO 4 DIVISIBILIDADE
29) Mostre que todo inteiro ímpar, quadrado perfeito, é da forma 4n + 1. 30) Na divisão de 392 por 45, determinar: a)
o maior inteiro que se pode somar ao dividendo sem alterar o quociente.
b) o maior inteiro que se pode subtrair ao dividendo sem alterar o quociente. 31) Numa divisão de dois inteiros, o quociente é 16 e o resto 167. Determinar o maior inteiro que se pode somar ao dividendo e ao divisor sem alterar o quociente. 32) Achar o maior inteiro de quatro algarismos divisível por 13 e o menor inteiro de cinco algarismos divisível por 15. 33) Achar um inteiro de quatro algarismos, quadrado perfeito, divisível por 27 e terminado em 6. 34) Mostre que se a, b e c são inteiros ímpares, a 2 equação ax bx c 0 não tem raiz racional. 35) Um tabuleiro 6 6 está coberto com dominós 2 1. Mostre que existe uma reta que separa as peças do tabuleiro sem cortar nenhum dominó. 36) Dividindo-se o número 245 por um número natural b, obtém-se quociente 5 e resto r. Determine o valor da soma dos valores possíveis para b. 37) A divisão de um certo número inteiro N por 1994 deixa resto 148. Calcule o resto da divisão de N + 2000 pelo mesmo número 1994. 38) Considere quatro números inteiros a, b, c e d. Prove que o produto: (a-b) . (c-a) . (d-a) . (d-c). (d-b). (c-b) é divisível por 12. n n 39) Prove que a b é divisível por a+b se n é ímpar.
55
Capítulo 5
MÁXIMO DIVISOR COMUM 5.1. Máximo Divisor Comum de Dois Inteiros Definição 5.1 Sejam a e b dois inteiros não conjuntamente nulos (a 0 ou b 0). Chama-se máximo divisor comum de a e b o inteiro positivo d (d 0) que satisfaz às condições: 1) d | a e d | b; 2) se c | a e se c | b, então c d. Observe-se que, pela condição (1), d é um divisor comum de a e b, e pela condição (2), d é o maior dentre todos os divisores comuns de a e b.
O máximo divisor comum de a e b indica-se pelas notações MDC(a,b), (a,b) ou aDb. Não havendo possibilidade de dúvidas, usaremos livremente as diferentes notações. É imediato que o (a,b) = (b,a). Em particular: (i) MDC(0,0) não existe. (ii) (a,1) = 1 (iii) se a 0, então (a,0) = | a | (iv) se a | b, então o (a,b) = | a | Assim, por exemplo: (8,1) = 1
(-3,0) = | -3 | = 3
(-6,12) = | -6 | = 6.
Exemplo 5.1 Sejam os inteiros a = 16 e b = 24. Os divisores comuns positivos de 16 e 24 são 1, 2, 4 e 8, e como o maior é 8, segue-se que o mdc(16,24) = 8.
Observa-se que (-16,24) = (16,-24) = (-16,-24) = 8. Exemplo 5.2 Sejam os inteiros a = -24 e b = 60. Os divisores comuns positivos de –24 e 60 são 1, 2, 3, 4, 6 e 12, e como o maior deles é 12, segue-se que o (-24,60) = 12.
56
CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
5.2. Existência e unicidade do MDC. Teorema 5.1 (Identidade de Bézout ) Se a e b são dois inteiros não conjuntamente nulos ( a 0 ou b 0), então existe e é único o mdc(a,b); além disso, existem inteiros x e y tais que MDC(a,b) = ax + by Isto é, o mdc(a,b) é uma combinação linear de a e b.
Nota: Algumas fontes creditam este teorema ao matemático francês Claude Gaspard Bachet de Méziriac e não ao também francês, Etienne Bézout.
Demonstração: Seja S o conjunto de todos os inteiros positivos da forma au + bv, com u, v Z, isto é: S = { au + bv | au + bv 0 e u, v Z } Este conjunto S não vazio (S ), porque, por exemplo, se a 0, então um dos dois inteiros: a = a.1 + b.0
e
-a = a.(-1) + b.0
é positivo e pertence a S. Logo, pelo “Princípio da boa ordenação”, existe e é único o elemento mínimo d de S: minS = d 0. E, consoante a definição de S, existem inteiros x e y tais que d = ax + by. Posto isto, vamos mostrar que d = aDb. Com efeito, pelo algoritmo da divisão, temos: a = dq + r, com 0 r d O que dá: r = a – dq = a – (ax + by)q = a(1 – qx) + b(-qy) Isto é, o resto r é uma combinação linear de a e b. Como 0 r d e d 0 é o elemento mínimo de S, segue-se que r = 0 e a = dq, isto é, d | a. Com raciocínio inteiramente análogo se conclui que também d | b. Logo, d é um divisor comum positivo de a e b. Finalmente, se c é um divisor comum positivo qualquer de a e b ( c | b, c 0), então: c | (ax + by) c | d c d Isto é, d é o maior divisor comum positivo de a e b, ou seja: aDb = d = ax + by
x, y Z
e o teorema fica demonstrado.
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CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
Nota: A demonstração do teorema 1 deixa ver que o (a,b) é o menor inteiro positivo da forma ax + by, isto é, que pode ser expresso como combinação linear de a e b. Mas, esta representação do (a,b) como combinação linear de a e b não pe punica, pois, temos:
(a,b) = d = a(x + bt) + b(y - at) qualquer que seja o inteiro t. Importa ainda notar que, se d = ar + bs. Para algum par de inteiros r e s, então d não é necessariamente o aDb. Assim, por exemplo, se: aDb = ax + by então t.aDb = atx + bty Para todo inteiro t, isto é: d = ar + bd onde d = t.aDb, r = tx e s = ty. Exemplo 5.3 Sejam os inteiros a = 6 e b = 27. Temos: (6,27) = 3 = 6(-4 + 27t) + 27(1 – 6t) qualquer que seja o inteiro t. Exemplo 5.4 Sejam os inteiros a = -8 e b = -36. Temos: (-8,-36) = 4 = (-8)4 + (-36)(-1) Teorema 5.2 Se a e b são dois inteiros não conjuntamente nulos (a 0 ou b 0), então o conjunto de todos os múltiplos do mdc(a,b) = d é T = { ax + by | x,y Z } Demonstração:
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CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
Como d | a e d | b, segue-se que d | (ax + by), quaisquer que sejam os inteiros x e y, e por conseguinte todo elemento do conjunto T e um múltiplo de d. Por outro lado, existem inteiros x0 e y0 tais que d = ax0 + by0, de modo que todo múltiplo kd de d é da forma: kd = k(ax0 + by0) = a(kz0) + b(ky0) isto é, kd é uma combinação linear de a e b e, portanto, kd é elemento do conjunto T.
5.3. Inteiros Relativamente Primos (coprimos ou primos entre si) Definição: Sejam a e b dois inteiros não conjuntamente nulos (a 0 e b 0). Diz-se que a e b são relativamente primos se, e somente se, o MDC(a,b) = 1. Assim, por exemplo, são relativamente primos os inteiros: 2 e 5, -9 e 16, -27 e –35, pois, temos: mdc(2,5) = mdc(-9,16) = mdc(-27,-35) = 1 Dois inteiros a e b coprimos admitem como únicos divisores comuns 1 e –1. Teorema 5.3 Dois inteiros a e b, não conjuntamente nulos (a 0 e b 0), são primos entre si se, e somente se, existem inteiros x e y tais que ax + by = 1. Demonstração: () Se a e b são relativamente primos, então o mdc(a,b) = 1 e por conseguinte existem inteiros x e y tais que ax + by = 1 () Reciprocamente, se existem inteiros x e y tais que ax + by = 1 e se o mdc(a,b) = d, então d | a e d | b. Logo, d | (ax + by) e d | 1, o que implica d = 1 ou mdc(a,b) =1, isto é, a e b são primos entre si. Corolário 5.1 Se o mdc(a,b) = d, então o mdc( a/d , b/d ) = 1. Demonstração: Preliminarmente, observa-se que a/d e b/d são inteiros, porque d é um divisor comum de a e b. Posto isso, se o mdc(a,b) = d, então existem inteiros x e y tais que ax + by = d, ou seja, dividindo ambos os membros desta igualdade por d:
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CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
(a/d)x + (b/d)y = 1 Logo, pelo teorema anterior, os inteiros a/d e b/d são primos entre si, isto é, o mdc ,b/d) = 1. Assim, por exemplo: mdc(-12,30) = 6 e mdc(-12/6 , 30/6) = mdc(-2,5) = 1. Corolário 5.2 Se a | b e se o mdc(b,c) = 1, então o mdc (a,c) = 1. Demonstração: Com efeito: a | b b = aq, com q Z mdc(b,c) = 1 bx + cy = 1, com x, y Z. Portanto: a(qx) + cy = 1 mdc(a,c) = 1 Corolário 5.3 Se a | c, se b | c e se o mdc(a,b) = 1, então ab | c. Demonstração: Com efeito: a | c c = aq1, b | c c = bq2, mdc(a,b) = 1 ax + by = 1, acx + bcy = c
com q1 Z com q2 Z com x,y Z
Portanto: c = a(nq2)x = b(aq1)y = ab(q2x + q1y) ab | c Observe-se que somente as condições a | c e b | c não implicam ab | c. Assim, por exemplo, 6 | 24 e 8 | 24, mas 6.8 | 24 (o mdc(6,8) = 2 1). Corolário 5.4 Se mdc(a,b) = 1 = mdc(a,c), então o mdc(a,bc) = 1.
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(a/d
CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
Demonstração: Com efeito: mdc(a,b) = 1 ax + by = 1, com x,y Z mdc(a,b) = 1 az + ct = 1, com z,t Z Portanto: 1 = ax + by(az + ct) = a(x + byz) + bc(yt) o que implica mdc(a,bc) = 1. Corolário 5.5 Se o mdc(a,bc) = 1, então mdc(a,b) = 1 = mdc(a,c). Demonstração: Com efeito: mdc(a,bc) = 1 ax + (bc)y = 1, com x,y Z. Portanto: ax + b(cy) = 1 mdc(a,b) = 1 ax + c(by) = 1 mdc(a,c) = 1 Note-se que esta proposição é a recíproca da anterior. Teorema 5.4 (de Euclides) Se a | bc e se o mdc(a,b) = 1, então a | c. Demonstração: Com efeito: a | bc bc = aq, com q Z mdc(a,b) = 1 ax + by = 1, com x, y Z acx + bcy = c Portanto: c = acx + aqy = a(cx + qy) a | c Note-se que somente a condição a | bc não implica que a | c. Assim, por exemplo, 12 | 9.8, mas 12 | 9 e 12 | 8 mdc(12,9) 1 e mdc(12,8) 1.
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CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
5.4. Caracterização do MDC de Dois Inteiros Teorema 5.5 Sejam a e b dois inteiros não conjuntamente nulos (a 0 ou b 0). Um inteiro positivo d (d 0) é o mdc(a,b) se e somente se satisfaz às condições: (1) d | a e d | b (2) se c | a e se c | b, então c | d Demonstração: () Suponhamos que o mdc (a, b) = d. Então, d | a e d | b, isto é, a condição (1) é satisfeita. Por outra parte, existem inteiros x e y tais que ax + by = d e, portanto, se c | a e se c | b, então c | (ax + by) e c | d, isto é, a condição (2) também é satisfeita. () Reciprocamente, seja d um inteiro positivo qualquer que satisfaz às condições (1) e (2). Então, pela condição (2), todo divisor comum c de a e b também é divisor de d, isto é, c | d, e isto implica c d. Logo, d é o mdc(a,b).
5.5. MDC de vários Inteiros O conceito de máximo divisor comum, definido para dois inteiros a e b, estende-se de maneira natural a mais de dois inteiros. No caso de três inteiros a, b e c, não todos nulos, o mdc(a,b,c) é o inteiro positivo d (d 0) que satisfaz às condições: (1) d | a, d | b e d | c (2) se e | a, se e | b e se e | c, então e d Assim, por exemplo: mdc(39,42,54) = 3 e mdc(49,210,350) = 7 Importa notar que três inteiros a, b e c podem ser primos entre si, isto é, o mdc(a,b,c) = 1, sem que sejam primos entre si dois a dois, que é o caso, por exemplo, dos inteiros 6, 10 e 15. Teorema 5.6 O mdc(a,b,c) = mdc(mdc(a,b),c). Demonstração: Com efeito, seja mdc(a,b,c) = d e mdc(a,b) = e. Então, d | a, d | b e d | c, e como existem inteiros x e y tais que ax + by = e, segue-se que d | (ax + by) ou d | e, isto é, d é um divisor comum de e e c (d | e e d | c).
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CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM
Por outro lado, se f é um divisor comum qualquer de e e c (f | e e f | c), então f | a, f | b e f | c, o que implica f d. Assim sendo, o mdc(e,c) = d, isto é, p mdc(mdc(a,b),c) = mdc(a,b,c). Exemplo 5.5 Determinar o mdc(570,810,495). Pelo teorema anterior, temos: mdc(570,810,495) = mdc(mdc(570,810),495) e como o mdc(570,810) = 30, segue-se que o mdc(570,810,495) = mdc(30,495) = 15
EXERCÍCIOS 1.
Determinar: a)
mdc(11, 99)
b) mdc(-21,14) c)
mdc(17, 18)
2.
Achar os elementos do conjunto A = {1, 2, 3, 4, 5} que são relativamente primos com 8.
3.
Seja o conjunto A = {1, 2, 3, 4, 5, 6}. Enumerar os elementos do conjunto X = {x A | mdc(x, 6) = 1}.
4.
Sabendo que o mdc(a, 0) = 13, achar todos os valores do inteiro a.
5.
Achar o menor inteiro positivo c, da forma c = 22x + 55y, onde x e y são dois inteiros. Prove que para todo inteiro positivo n e a um inteiro qualquer, mdc(a, a+n) divide n; então, calcule o mdc(n, n + 1).
6.
7.
Calcular
a)
mdc(n, n + 2), sendo n um inteiro par.
b) mdc(n, n + 2), sendo n um inteiro ímpar. 8.
9.
Sendo n um inteiro qualquer, achar os possíveis valores do máximo divisor comum dos inteiros n e n + 10.
10. Sendo a e b dois inteiros não conjuntamente nulos (a 0 ou b 0), mostrar: mdc (a, b) = mdc (-a, b) = mdc (a, -b) = mdc (-a, -b). 11. Sejam a, b e c inteiros. Demonstrar: a)
existem inteiros x e y tais que c = ax + by se e somente se o mdc(a, b) | c.
b) se existem inteiros x e y tais que ax + by = mdc(a, b) então mdc(x, y) = 1. 12. Sejam a, b e c inteiros. Demonstrar: a)
se o mdc(a, b) = 1 então o mdc (ac, b) = mdc (b, c)
b) Se o mdc(a, b) = 1 e se c | (a + b), então o mdc(a, c) = 1 e o mdc(b, c) = 1. c)
se b | c, então o mdc(a, b) = mdc (a + c, b).
d) Se mdc (a, b) = 1, então mdc (am, bn) = 1. e)
Se mdc (a, b)= 1, então ab+b²) =1 ou 3
mdc (a+b, a²-
f)
O mdc (a,b) = mdc (a, b + ac), com c positivo.
13. Calcular o mdc (a + b, a – b) sabendo que a e b são inteiros primos entre si.
Sendo n um inteiro qualquer, calcule mdc(n – 1, n2 + n + 1) = 1.
63
CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM 14. Seja 10 a 120 e mdc ( a, 120 ) =10. Determine o valor de a. 15. Achar o maior inteiro positivo pelo qual se devem dividir os inteiros 160, 198 e 370 para que os restos sejam respectivamente 7, 11 e 13. 16. Determinar os inteiros positivos a e b, sabendo-se que: a)
a + b = 63 e mdc(a, b) = 9
b) ab = 756 e mdc(a, b) = 6. 17. Os restos das divisões dos inteiros 4933 e 4435 por um inteiro positivo n são respectivamente 37 e 19. Achar o inteiro n.
32. O mdc(a, b) = p, sendo p um primo. Achar os possíveis valores do a) mdc (a2, b) b) mdc(a3, b) = p, mesma conclusão acima. c)
mdc(a2, b3) = p2. Pois aparecem 2 fatores iguais a p em a2 e 3 fatores iguais a p em b3.
33. Sabendo que o mdc(a, p2) = p e que o mdc(b, p3) = p2, onde p é um primo, calcular o mdc (ab, p4) e o mdc(a + b, p4).
18. Demonstrar que se n = abc + 1, então o mdc(n, a) = mdc(n, b) = mdc(n, c) = 1.
34. Demonstrar que se o mdc(a, b) = d então o mdc (a2, b2) = d2. 35. Demonstrar que mdc(a, b) = mdc(a, c) implica mdc(a2, b2) = mdc(a2, c2).
19. Demonstrar que mdc(mdc(a, b), b) = mdc(a, b)
36. Sejam a e k inteiros não conjuntamente nulos. Demonstrar que mdc(a, a + k) | k.
20. Demonstrar que o mdc(n + k, k) = 1 se e somente se o mdc(n, k) = 1.
37. Demonstrar que mdc(a, b) = mdc(a, c) implica mdc(a, b) = mdc(a, b, c).
21. Demonstrar que, se a | bc e se mdc(a, b) = d, então a | cd.
38. Demonstrar que mdc(a, b, c) = mdc(mdc(a, b), mdc(a, c).
22. Demonstrar que, se a | c, se b | c e se o mdc(a, b) = d então ab | cd.
39. Sejam a e b inteiros positivos tais que ab é um quadrado perfeito e o mdc(a, b) = 1. Demonstrar que a e b são quadrados perfeitos.
23. Demonstrar que se mdc(a, b) = 1 e se mdc(a,c) = d,então mdc(a, bc) = d. 24. O inteiro ímpar d é um divisor de a + b e de a – b. Demontrar que d também é um divisor do mdc(a, b). 25. Os inteiros positivos a, b e c são tais que o mdc(a, b) = 1, a | c e c | b. Demonstrar que a = 1. 26. O mdc(n, n + k) = 1 para todo inteiro positivo n. Demonstrar que k = 1 ou k = -1. 27. Demonstrar que mdc(a, b) = mdc(a + kb, b) para todo inteiro k. 28. O mdc(a, 4) = 2 = mdc(b, 4). Demonstrar que o mdc(a + b, 4) = 4. 29. Os inteiros positivos m e n são tais que o mdc(m, n) = d. Mostrar que o mdc (2m – 1, 2n – 1) = 2d – 1. 30. Demonstrar que mdc(a, b) = mdc(a, b, a + b).
64
31. Demonstrar que mdc(a, b) = mdc(a, b, ax + by), quaisquer que seja os inteiros x e y.
40. Demonstrar que mdc( a + b, a – b) > mdc(a, b) 41. Mostrar que o mdc (5n + 6, 5n + 8) = 1 onde n é um inteiro ímpar. 42. Sejam a, b, c, d (b d) inteiros tais que mdc(a, b) = mdc(c, d) = 1. Mostrar que a soma a/b + c/d não é um inteiro. 43. Determinar os inteiros positivos a e b, sabendo que a2 – b2 = 7344 e mdc(a, b) = 12. 44. Dividindo-se dois inteiros positivos pelo seu mdc, a soma dos quocientes é 8. Determinar os dois inteiros, sabendo-se que sua soma é 384. 45. Um enxadrista quer decorar uma parede retangular, dividindo-a em quadrados, como se fosse um tabuleiro de xadrez. A parede mede 4,40 metros por 2,75 metros.
CAPÍTULO 5 MÁXIMO DIVISOR COMUM Qual o menor número de quadrados que ele pode colocar na parede?
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Capítulo 6
ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
P
ouco se sabe sobre a vida e a personalidade de Euclides e se desconhece a data de seu nascimento. É provável que sua formação matemática tenha se dado na escola platônica de Atenas. Ele foi professor do Museu em Alexandria. Euclides escreveu cerca de uma dúzia de tratados, cobrindo tópicos desde óptica, astronomia, música e mecânica até um livro sobre secções cônicas; porém, mais da metade do que ele escreveu se perdeu. Entre as obras que sobreviveram até hoje temos: Os elementos, Os dados, Divisão de figuras, Os fenômenos e Óptica. Os elementos de Euclides não tratam apenas de geometria, mas também de teoria dos números e álgebra elementar (geométrica). O livro se compõe de quatrocentos e sessenta e cinco proposições distribuídas em treze livros ou capítulos, dos quais os seis primeiros são sobre geometria plana elementar, os três seguintes sobre teoria dos números, o livro X sobre incomensuráveis e os três últimos tratam sobre geometria no espaço. O livro VII começa com o processo, hoje conhecido como algoritmo euclidiano, para achar o máximo divisor comum de dois ou mais números inteiros e o usa para verificar se dois inteiros são primos entre si; encontramos também uma exposição da teoria das proporções numérica ou pitagórica. http://www.matematica.br/historia/euclides.html Comecemos com o seguinte Lema: Lema: Se a = bq + r, então o mdc(a,b) = mdc(b,r). Demonstração: Se o mdc(a,b) = d, então d | a e d | b, o que implica d | (a - bq) ou d | r, isto é, d é um divisor comum de b e r (d | b e d | r). Por outro lado, se c é um divisor comum qualquer de b e r (c | b e c | r), então c | (bq + r) ou c | a, isto é, c é um divisor comum de a e b, o que implica c d. Assim sendo, o mdc(b,r) = d.
6.1. Algoritmo de Euclides Sejam a e b dois inteiros não conjuntamente nulos ( a 0 ou b 0 ) cujo máximo divisor comum se deseja determinar.
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Sejam a e b dois inteiros não conjuntamente nulos ( a 0 ou b 0 ) cujo máximo divisor comum se deseja determinar. É imediato: (1) se a 0, então o mdc(a,0) = | a | (2) se a 0, então o mdc(a,a) = | a | (3) se b | a , então o mdc(a,b) = | b | Além disso, por ser mdc(a,b) = mdc( | a | , | b | ), a determinação do mdc(a,b) reduz-se ao caso em que a e b são inteiros positivos distintos, por exemplo, com a b, tais que b não divide a, isto é: a b 0 e b | a. nestas condições, a aplicação repetida do algoritmo da divisão dános as igualdades: a = bq1 + r1, b = r1q2 + r2, r1 = r2q3 + r3, r2 = r3q4 + r4,
0 r1 b 0 r2 r1 0 r3 r2 0 r4 r3
..............................
........................
Como os restos r1, r2, r3, r4, ... são todos inteiros positivos tais que b r1 r2 r3 r4 ... e existem apenas b – 1 inteiros positivos menores que b, necessariamente se chega a uma divisão cujo resto rn+1 = 0, isto é, finalmente, teremos: rn-2 = rn-1qn + rn, 0 rn rn-1 rn-1 = rnqn+1 + rn+1, rn-1 = 0 O último resto rn 0 que aparece nesta sequência de divisões é o máximo divisor comum procurado de a e b, isto é, o mdc(a,b) = rn, visto que, pelo lema anterior, temos: mdc(a,b) = mdc(b,r1) = mdc(r1,r2) = ... = = mdc(rn-2,rn-1) = mdc(rn-1,rn) = rn este processo prático para o cálculo do máximo divisor comum de dois inteiros positivos a e b é denominado algoritmo de EUCLIDES ou processo das divisões sucessivas. É usual o seguinte dispositivo de cálculo no emprego do algoritmo de EUCLIDES:
a r1
q1 b r2
q2 r1 r3
q3 r2 r4
...
qn rn-1 0
qn+1 rn
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Que se traduz na seguinte REGRA: Para se “ achar” o mdc de dois inteiros positivos, dividi-se o maior pelo menor, este pelo primeiro resto obtido, o segundo resto pelo primeiro, e assim sucessivamente até encontrar um resto nulo. O último resto não nulo é o máximo divisor comum procurado. O algoritmo de EUCLIDES também pode ser usado para achar a expressão do mdc(a,b) = rn como combinação linear de a e b, para o que basta eliminar sucessivamente os restos rn-1, rn-2, ..., r3, r2, r1 entre as n primeiras igualdades anteriores. Exemplo 6.1 Achar o mdc(963,657) pelo algoritmo de EUCLIDES e a sua expressão como combinação linear de 963 e 657, Temos, sucessivamente: 963 = 657.1 + 306 657 = 306.2 + 45 306 = 45.6 + 36 45 = 36.1 + 9 36 = 9.4 + 0
963
1 657 306
2 306 45
6 45 36
1 36 9
4 9 0
Portanto, o mdc(963,657) = 9 e a sua expressão como combinação linear de 963 e 657 se obtém eliminando os restos 36, 45 e 306 entre as quatro primeiras igualdades anteriores do seguinte modo: 9 = 45 – 36 = 45 – (306 – 45.6) = = - 306 + 7.45 = - 306 + 7(657 – 306.2) = = 7.657 – 15.306 = 7.657 – 15(963 – 657) = = 963(-15) + 657.2 isto é: 9 = mdc(963,657) = 963x + 657y onde x = -15 e y = 22. Esta respresentação do inteiro 9 = mdc(963,657) como combinação linear de 963 e 657 não é única. Assim, por exemplo, somando e subtraindo o produto 963.657 ao segundo mebro da igualdade: 9 = 963(-15) + 657.22 obtemos: 9 = 963(-15 + 657) + 657(22 - 963) = = 963.642 + 657(-941)
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
que é uma outra representação do inteiro 9 = mdc(963,657) como combinação linear de 963 e 657. Exemplo 6.2 Achar o mdc(252,-180) pelo algoritmo de EUCLIDES e a sua expressão como combinação linear de 252 e –180. Temos, sucessivamente: 252 = 180.1 + 72 180 = 72.2 + 36 72 = 36.2
Portanto, o mdc(252,-180) = mdc(252,180) = 36 e como 36 = 180 – 72.2 = 180 – (252 – 180)2 = = 252(-2) + (-180)(-3) temos: 36 = mdc(252,-180) = 252x + (-180)y onde x = -2 e y = -3, que é a expressão do mdc(252,-180) como combinação linear de 252 e – 180. Outra representação do inteiro 36 = mdc(252,-180) como combinação linear de 252 e –180 é a seguinte: 36 = 252(-2 + 180) + (-180)(-3 + 252) = = 252.178 + (-180)249 Exemplo 6.3 O mdc de dois inteiros positivos a e b é 74 e na sua determinação pelo algoritmo de EUCLIDES os quocientes obtidos foram 1, 2, 2, 5, 1 e 3. Calcular a e b.
a
1 b r
2 r r1
2 r1 r2
5 r2 r3
1 3 r3 74 74 0
Temos, sucessivamente: a = b + r, b = 2r + r1, r = 2r1 + r2 r1 = 5r2 + r3, r1 = r2 + 74, r3 = 74.3 = 222
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Portanto: r2 = 222 + 74 = 296, r1 = 5.296 + 222 = 1702 r = 2.1702 + 296 = 3700, b = 2.3700 + 1702 = 9102 a = 9102 + 3700 = 12802
Nota: Dispositivo prático para expressar o MDC...(José Paulo Q. Carneiro) Antes de deduzir o dispositivo prático, vamos vê-lo funcionando no exemplo citado. Forma-se uma matriz com duas colunas, intituladas “q” e “s, t”. Primeiramente, preenche-se a coluna “q” com os quocientes obtidos no algoritmo de Euclides (desprezando o último, correspondente ao resto zero), na ordem contrária ao de seu aparecimento no algoritmo, e deixando em branco a primeira linha.
Na coluna “s, t”, coloca-se o número 1 na primeira linha (é sempre 1 mesmo), e na segunda linha repete-se o valor do quociente que aparece ao seu lado na primeira coluna. No nosso exemplo, fica:
A partir daí, cada valor seguinte da coluna “s, t” vai sendo obtido de acordo com o seguinte esquema auto-explicativo: Observa-se que os dois últimos valores obtidos na segunda coluna são, justamente, em valor absoluto, s = 85e t = 539. Isso não é coincidência. Na realidade, essa matriz resume as contas que precisam ser feitas com os números relevantes que figuram no processo. Há a questão dos sinais, isto é, o esquema só fornece os valores absolutos de s e t. Para decidir sobre os sinais, aplica-se a seguinte regra: se o número de quocientes aproveitados (ou seja, o número de linhas preenchidas na coluna “q”) for ímpar, então s é positivo e t negativo; se for par, ocorrerá justamente o contrário: s é negativo e t é positivo. Deve ser notado que se pode também, em vez de decorar mais uma regra, experimentar, comparando os valores de e . No exemplo, | s | a = 85 x 7248 = 616080 e | t | b = 539 x 1143 = 616077, ficando claro que, para obter o mdc 3, é necessário fazer s = 85 e t = –539. Outro exemplo: a = 1741 e b = 85
1741
70
20
2
13
1
2
85
41
3
2
1
41
3
2
1
0
CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Formando então a matriz:
Como agora o número de quocientes aproveitados é par, tomase: s = 29 s = –29 e t = 549, de modo que ( 29) x 1741 + (594) x 85 = 50 489 + 40 490 = 1
Justificativa do dispositivo prático Vamos agora justificar o dispositivo prático, por meio da formulação literal do problema. Supondo > b > 0 inteiros, aplica-se o algoritmo de Euclides, encontrando:
onde rn = m = mdc (a, b). Os quocientes já foram numerados de trás para frente, isto é, o último quociente (correspondente ao resto 0) é q0, o penúltimo é q1, etc., e o primeiro é qn, para manter coerência com o dispositivo prático. Desprezando, como se fez nos exemplos, o último quociente q0, vê-se, da primeira equação, que r1 pode ser escrito como uma combinação linear de a e b, ou seja, r1 = a – qnb. Substituindo esse valor na penúltima equação, vê-se que r2 também pode ser escrito como uma combinação linear de a e b, a saber, r2 = –qn-1a + (1 + qnqn–1)b. E assim por diante, para todos os r. Em particular, calcula-se m = n = sa+ tb. Repare que acabamos de demonstrar o Teorema Fundamental da Teoria dos Números. Se o leitor não estiver satisfeito com o “e assim por diante”, pode formalizar a demonstração por indução. É realmente fácil. Basta observar que uma combinação linear de combinações lineares de a e b é também uma combinação linear de a e b. n
s
1 2 3 4 ...
1
...
t
...
A lei de formação é clara (e pode ser verificada por indução):
sk tk 1 para n 1: tk qk t k 1 Sk 1
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
com os valores iniciais: s1 = 1 e t1 = –q1. Observando que cada s repete o t anterior, basta trabalhar com os t e notar que, ao final do processo, o último valor é o t procurado, enquanto o penúltimo é o s. Foi por isso que introduzimos a coluna “s, t” na matriz da nossa regra prática. Além disso, levando em conta a alternância dos sinais, é suficiente lidar com os valores absolutos de t, tomando o cuidado de, no final, fazer a correção de sinal conveniente, conforme n seja par ou ímpar. Com essas providências, a lei de formação fica: | tx | = qx | tx -1 | + | tx-2 |, que é justamente o que se fez na regra prática. Alguém pode ainda perguntar: quando se escreve o máximo divisor comum de dois inteiros como uma combinação linear deles, essa representação é única? A resposta é não (ver [4], para maiores detalhes). Uma vez encontrados s e t tais que , basta tomar um inteiro qualquer u, e também será verdade que m = s’ a + t’b, onde s’ = s + bu e t’ = t – au, como pode ser verificado diretamente por substituição. Em nosso primeiro exemplo, tomando
, temos:
s' = 85 + 1143 = 1228, enquanto t’ = – 539 – 7248 = – 7728 Verificando: s'a + t'b= 1 228 x 7 248 + ( 7 787) x 1 143 = 8900544 – 8900541 = 3 Teorema 6.1 Se k 0, então o mdc(ka,kb) = k.mdc(a,b). Demonstração: Multiplicando ambos os membros de cada uma das n+1 igualdades que dão o mdc(a,b) = rn pelo algoritmo de EUCLIDES por k, obtemos: ak = (bk)q1 + r1k, 0 r1k bk bk = (r1k)q2 + r2k, 0 r2k r1k r1k = (r2k)q3 + r3k, 0 r3k r2k ............................. ..................... rn-2k = (rn-1k)qn + rnk, 0 rnk rn-1k rn-1k = (rnk)qn+1 + 0 Obviamente, estas n+1 igualdades outra coisa não são que o algoritmo de EUCLIDES aplicado aos inteiros ak e bk, e por conseguinte o mdc(ak,bk) é o último resto rnk 0, isto é: mdc(ak,bk) = rnk = k.mdc(a,b)
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Assim, por exemplo: mdc(12,30) = mdc(2.6,5.6) = 6.mdc(2,5) = 6.1 = 6 Corolário 6.1 Para todo k 0, o mdc(ka,kb) = | k |.mdc(a,b) Demonstração: Se k 0, nada há que demonstrar, e se k 0, então –k = | k | 0 e, pelo teorema anterior, temos: mdc(ak,bk) = mdc(-ak,-bk) = = mdc(a.| k |, b.| k |) = | k |.mdc(a,b)
6.2 . Múltiplos comuns de dois inteiros O conjunto de todos os múltiplos de um inteiro qualquer a 0 indica-se por M(a), isto é: M(A) = {x Z | a | x } = {aq | q Z} Assim, por exemplo: M(-1) = M(1) = Z M(5) = {5q | q Z} = {0, +5, +10, +15, +20, ...} É imediato que, para todo inteiro a 0, se tem M(a) = M(-a). Definição 6.1 Sejam a e b dois inteiros diferentes de zero (a 0 e b 0). Chama-se múltiplo comum de a e b todo inteiro x tal que a | x e b | x. Em outros termos, múltiplo comum de a e b é todo inteiro que pertence simultaneamente aos conjuntos M(a) e M(b). O conjunto de todos os múltiplos comuns de a e de b indica-se por M(a,b). Portanto, simbolicamente: M(a,b) = {x Z | a | x e b | x} Ou seja: M(a,b) = {x Z | x M(a) e x M(b)} E, portanto:
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
M(a,b) = M(a) M(b) A interseção ( ) é uma operação comutativa, de modo que M(a,b) não depende da ordem dos inteiros dados a e b, isto é: M(a,b) = M(b,a). Obviamente, 0 é um múltiplo comum de a e b: 0 M(a,b). E os produtos ab e –(ab) também são múltiplos comuns de a e b. Exemplo 6.4 Sejam os inteiros a = 12 e b = -18. Temos: M(12) = {12q | q Z} = {0, +12, +24, +36, +48, +60, +72, ...} M(-18) = {-18q | q Z} = {0, +18, +36, +54, +72, +90, ...} Portanto: M(12,-18) = M(12) M(-18) = {0, +36, +72, ...}
6.3. Mínimo Múltiplo comum de dois inteiros Definição 6.2 Sejam a e b dois inteiros diferentes de zero (a 0 e b 0). Chama-se mínimo múltiplo comum de a e b o inteiro positivo m (m 0) que satisfaz às condições: (1) (2)
a|m e b|m se a | c e se b | c, com c 0, então m c.
Observe-se que, pela condição (1), m é um múltiplo comum de a e b, e pela condição (2), m é o menor dentre todos os múltiplos comuns positivos de a e b. O mínimo múltiplo comum de a e b indica-se pelas notações MMC(a,b), [a,b] ou aMb.Não havendo possibilidade de dúvidas, usaremos livremente as diferentes notações. Pelo “Princípio da boa ordenação” , o conjunto dos múltiplos comuns positivos de a e b possui o elemento mínimo e, portanto, o aMb existe sempre e é único. Além disso, por ser o prodtudo ab um múltiplo comum de a e b, segue-se que o aMb |ab|. Em particular, se a | b, então o [a,b] = | b |. Exemplo 6.5 Sejam os inteiros a = -12 e b = 30. Os múltiplos comuns positivos de –12 e 30 são 60, 120, 180, ..., e como o menor deles é 60, segue-se que o mmc(-12,30) = 60. Relação entre mdc e o mmc Teorema 6.2 Para todo par de inteiros positivos a e b subsiste a relação: (a,b).[a,b] = |ab|
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
Demonstração: Seja (a,b) = d e [a,b] = m. Como a | a(b/d) e b | b(a/d), segue-se que ab/d é um múltiplo comum de a e b. Portanto, existe um inteiro positivo k tal que ab/d = mk,
kN
o que implica: a/d = (m/b)k
e
b/d = (m/a)k
isto é, k é um divisor comum dos inteiros a/d e b/d. Mas, a/d e b/d são primos entre si (corolário 1 desta apostila), de modo que k = 1. Assim sendo, temos: ab/d = m ou ab = dm isto é: ab = (a,b).[a,b] Esta importante relação permite determinar o mmc de dois inteiros quando se conhece o seu mdc, e vice-versa. Exemplo 6.6 Determinar o [963,657]. Pelo algoritmo de EUCLIDES, temos (963,657) = 9. Portanto: [963,657] =
963.657 =70299 9
Corolário 6.2 Para todo par de inteiros positivos a e b, o [a,b]= ab se e somente se o (a,b) = 1. Demonstração: () Se o (a,b) = 1, então: ab = 1.[a,b] = [a,b] () Reciprocamente, se o [a,b] = ab, então: (a,b).ab = ab (a,b) = 1
6.5. MMC de vários inteiros
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
O conceito de mínimo múltiplo comum, definido para dois inteiros a e b, estende-se de maneira natural a mais de dois inteiros. No caso de três inteiros a, b e c, diferentes de zero, o mmc(a,b,c) é o inteiro positivo m (m 0) que satisfaz às condições: (1) a | m, b | m e c | m (2) se a | e, se b | e e se c | e, com e 0, então m e. Assim, por exemplo: mmc (39,102,75) = 33150. Exemplo 6.7 Achar inteiros x, y e z que verifiquem a seguinte igualdade 11x + 19y + 3z = 1. Achando o mdc(11,19) 1 19
11 8
1 8 3
2 3 2
1 2 1
2 1 0
Usando o algoritmo da divisão, podemos escrever: 19 = 11 x 1 + 8 11 = 8 x 1 + 3 8=3x2+2 3=2x1+1 2=1x2 Desprezando a última igualdade, eliminemos os restos a partir da penúltima igualdade: 1=3–2 1 = 3 – (8 – 3 x 2) 1= 3x3–8 1 = (11 – 8) x 3 – 8 1 = 11 x 3 – 8 x 4 1 = 11 x 3 – (19 – 11) x 4 1 = 11 x 7 – 19 x 4
(I)
Achemos agora o mdc(3,1) . Como mdc(3,1) = 1 , vamos escrever este mdc como combinação de 3 e 1: 1 = 3 x 1 + 1 x (-2) ( II ) Agora substituamos o valor de 1, dado na igualdade ( I ) , na igualdade ( II ): 1 = 3 x 1 + (11 x 7 – 19 x 4) (–2) 1 = 3 x 1 + 11 (–14) + 19 x 8 ou
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
1 = 11 (–14) + 19(8) + 3(1) . Logo x = –14, y = 8 e z = 1
EXERCÍCIOS 1.
Usando o algoritmo de Euclides, determinar: a) b) c) d) e) f)
mdc(306, 657) mdc(272, 1479) mdc(884, 1292) mdc(-816, 7209) mdc(7469, 2387) mdc(-5376,-3402)
46. Usando o algoritmo de Euclides, determinar: a) mdc(285, 675, 405) b) mdc(209, 299, 102) c) mdc(69, 398, 253) 47. Usando o algoritmo de Euclides, achar os inteiros x e y que verifiquem cada uma das seguintes igualdades: a) b) c) d)
mdc(56, 72) = 56x + 72y mdc(24, 138) = 24x + 138y mdc(119, 272) mdc(1769, 2378) = 1769x + 2378y
48. Achar os inteiros x e y que verifiquem cada uma das seguintes igualdades: a) 78x + 32y = 2. b) 104x + 91y = 13 c) 31x + 19y = 7 d) 42x + 26y = 16. e) 288x + 51x = 3. f) 52x + 13y = 1 g) 145x + 58y = 87 h) 17x + 5y = -2 49. Achar os inteiros x, y e z que verifiquem cada uma das seguintes igualdades. a) 11x + 19y +5z = 1. b) 56x + 6y + 32z = 2. c) 6x + 3y + 15z = 9. d) 14x + 7y + 21z = 4. 50. Achar inteiros x, y e z que verifiquem a igualdade 198x + 288y + 512z = mdc(198, 288, 512) 51. Calcular
As soluções de todos os itens podem ser obtidas a partir da propriedade mdc(a, b).mmc(a, b) = a . b. Calcula-se o mdc pelo algoritmo de Euclides e a seguir divide o produto ab pelo mdc(a, b) a) b) c) d) e) f) g) h)
mmc( 45, 21). mmc(83, 68) mmc( 120, 110) mmc(86, 71) mmc(224, 192) mmc(1287, 507) mmc(143, 227) mmc(306, 657)
52. O mdc de dois inteiros positivos a e b é 8 e na sua determinação pelo algoritmo de Euclides os quocientes sucessivamente obtidos foram 2, 1, 1 e 4. Calcular a e b. 53. Determinar os inteiros positivos a e b sabendo: a) ab = 4032 e mmc(a, b) = 336 b) mdc(a, b) = 8 e mmc(a, b) = 560 c) a + b = 589 e mmc(a, b)/mdc(a,b) = 84 10. Demonstrar que se a e b são inteiros positivos tais que o mdc(a, b) = mmc(a, b) então a = b. 11. Sabendo que o mdc(a,b) = 1 , demonstrar: a) mdc(2 a + b, a + 2 b) = 1 ou 3 b) mdc(a + b, a2 + b2) = 1 ou 2 c) mdc(a + b, a2 – ab + b2) = 1 ou 3 12. Sendo a e b inteiros positivos, demonstrar que o mdc(a, b) sempre divide o mmc(a, b). 13. Quantos pares de inteiros positivos A e B existem cujo mínimo múltiplo comum é 126000? Considere o par (A,B) como sendo o mesmo que (B,A) 14. Calcule a soma dos números entre 200 e 500 que são múltiplos de 6 ou de 14, mas não simultaneamente múltiplos de ambos."
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CAPÍTULO 6 ALGORITMO DE EUCLIDES – MÍNIMO MÚLTIPLO COMUM
15. O máximo divisor comum, o menor divisor comum e o mínimo múltiplo comum dos números 4, 8 e 12, são, respectivamente.
Capítulo 7
NÚMEROS PRIMOS 7.1. Introdução
A noção de número primo foi, muito provavelmente, introduzida por Pitágoras,
530 AC,
sendo que a mesma desempenhou um papel central tanto na matemática como no misticismo pitagórico. A escola pitagórica dava grande importância ao número um, que era chamada de unidade (em grego: Monad). Os demais números inteiros naturais – o 2, 3, 4, etc – tinham caráter subalterno, sendo vistos como meras multiplicidades geradas pela unidade e por isso recebiam a denominação de número (em grego: Arithmós). Entre os pitagóricos a preocupação com a geração dos números não parava por aí. Já o próprio Pitágoras teria atinado que existem dois tipos de arithmós: •
Os protoi arithmós (números primários ou primos), que são aqueles que não podem ser gerados – através da multiplicação – por outros arithmós, como é o caso de 2, 3, 5, 7...
•
Os deuterói arithmós (números secundários), podem ser gerados por outros arithmós, por exemplo, 4 = 2.2, 6 = 3.2, etc.
Ainda por influência dos Pitagóricos , por muitos séculos houve polemica a respeito da primalidade do número dois. Os primeiros pitagóricos chamavam-lhe Dyad, atribuíam-lhe caráter especial – embora menos importante que a unidade Monad – e alguns deles não o incluíam entre os arithmós. Consequentemente, muitos pitagóricos não consideravam o dois como primo. É só pela época de Aristóteles,
350 AC, que passou a ser considerado como
primo, sendo que este costume foi consagrado pelo livro Elementos de Euclides em cerca de
300 AC. Cabe mencionar que entre os gregos, principalmente os pitagóricos de
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várias gerações após Pitágoras, surgiram outras denominações para os númerosprimos, como: retilíneos, lineares e eutimétricos. Contudo, esta nomenclatura teve uso muito restrito e caíram em desuso.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Registros de documentos gregos Foi supracitado que a noção de primo fora, muito provavelmente, introduzida por Pitágoras. Com efeito, é impossível ter completa segurança nessa atribuição, pois Pitágoras não deixou nenhum registro escrito de seus trabalhos e os documentos mais antigos que temos falando de suas idéias resumem-se a pequenos fragmentos de textos escritos várias gerações após ele. Entretanto, esses fragmentos, apesar de conterem informações muito escassas, são unânimes em afirmar que Pitágoras iniciou o estudo de números primos. O mais antigo livro de matemática que chegou completo aos nossos dias e que desenvolve sistematicamente o estudo de números primos é Os Elementos de Euclides. Como é sabido, Euclides seguiu muito de perto as orientações matemáticas dos pitagóricos. Assim não é surpreendente que, no capítulo em que trata da teoria dos números, ele defina número primo de um modo absolutamente compatível com as idéias pitagóricas expostas acima. Elementos, Vol. VII, def 11, temos: “protós arithmós estin monadi mone metroymenos”. Ou seja: Número primo é todo aquele que só pode ser medido através da unidade. Surgimento da denominação latina A arithmetiké do grego Nikomachos, 100 dC, é o mais antigo livro de Teoria dos Números, posterior a Elementos de Euclides, que chegou aos nossos dias. Trata-se de uma visão de filósofo e letrado em Elementos, sendo que não há uma única demonstração entre os poucos tópicos abordados. Apesar disso, teve grande repercussão na época e foi a base do primeiro livro em latim que se escreveu sobre Teoria do Números: o De Institutione Arithmetica, do romano Boethius 500 dC. No livro de Boethius é onde aparece, pela primeira vez, a nomenclatura numerus primus como tradução do tradicional protós arithmós preservada de Euclides por Nikomachos. Além disto, Boethius, sempre seguindo Nikomachos, usa a velha classificação pitagórica dos números naturais: primos incompostos versus secundários ou compostos. O livro de Boethius foi, durante cerca de seiscentos anos, a única fonte de estudos de Teoria dos Números disponível na Idade Média. Em torno de 1200 dC iniciou o renascimento científico e matemático pela Europa, com o afluxo das obras árabes e a tradução das obras gregas preservadas no Mundo Islamita. É dessa época um dos mais influentes livros de todos os tempos: o Liber Abacci, de Fibonacci. Esse grande matemático, que havia estudado entre os muçulmanos do Norte da África, diz que acha melhor dizer primus em vez do incomposto preferido pelos árabes. Ficou assim, definitivamente, consagrada a denominação número primo na Europa. (http://www.mat.ufrgs.br/~portosil/pqprimo.html)
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
7.2. Números Primos (do lat. primus, principal. Prime em inglês)
Definição 7.1: Diz-se que um número positivo p > 1 é um número primo ou apenas um primo se, e somente se, 1 e p são seus únicos divisores positivos. Um inteiro maior que 1 e que não é primo diz-se composto. Teorema 7.1: Se um número primo p não divide um inteiro a, então a e p são relativamente primos (primos entre si). Demonstração: Seja d o mdc de a e p. Então d | a e d | p. Da relação d | p, resulta que d = 1 ou d = p, porque p é primos, e como a segunda igualdade é impossível, porque p não divide a, segue-se que d = 1, isto é, o mdc ( a , p ) = 1. Logo, a e p são relativamente primos. Corolário 7.1: Propriedade Fundamental dos Números Primos. Se p é um primo tal que p | ab, então p | a ou p | b (podendo ser fator de ambos, a e b). Demonstração: Se p | a, nada há que demonstrar, e se, ao invés, p não divide a, então, pelo teorema anterior, o mdc (p, a) = 1. logo, pelo teorema 5.4, p | b.
Nota: Observemos que esta propriedade necessária dos números primos é também suficiente para que um inteiro positivo n seja primo: Pois, se n = k. s é composto (1< s k < n) , temos n| k.s porém tanto n | k e n | s .
Corolário 7.2: Se p é um primo tal que p | a1a2a3 ... an, então existe um índice k, com 1 k n tal que p | ak. Demonstração: Usando Indução, a proposição é verdadeira para n = 1(imediato) e para n = 2 (pelo corolário 5.1). Supondo, pois, n > 2 e que, se p divide um produto com menos de n fatores, então p divide pelo menos um dos fatores (hipótese de indução). Pelo corolário 7.1, se p|a1 a2 . . . an-1, então p|an ou p|a1 a2 ... an-1. Se p|an, a proposição está demonstrada, e se, ao invés, p|a1 a2 ... an-1, então a hipótese de indução assegura que p|ak, com 1 k n - 1. Em qualquer dos casos, p divide um dos inteiros a1, a2, a3, ..., an. Corolário7.3: Se os inteiros p, q1,q2 ,..., qn são todos primos e se p | q1q2 ... qn, então existe um índice k, com 1 k n tal que p = qk.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Demonstração: De fato, pelo corolário 7.2, existe um índice k, com 1 k n , tal que p|qk, como os únicos divisores positivos de qk são 1 e qk, porque qk, segue-se que p = 1 ou p = qk. Mas, p > 1, porque p é primo. Logo, p = qk. Teorema 7.2: Todo inteiro composto possui um divisor primo.
Demonstração: Seja a um inteiro composto. Consideremos o conjunto A de todos os divisores positivos de a, exceto os divisores 1 e a, isto é: A = { x | a; 1 < x < a } Pelo “Princípio da Boa Ordenação” existe o elemento mínimo p de A. que vamos mostrar ser primo. De fato, se p fosse composto admitiria pelo menos um divisor d tal que 1 < d < p, e então d|p e p|a, o que implica d|a, isto é, p não seria o elemento mínimo de A, se fosse composto. Logo, p é primo.
7. 3. Teorema Fundamental da Aritmética.
Todo inteiro positivo n > 1 é igual a um produto de fatores primos. Demonstração: Mostraremos a existência da fatoração por indução. Se n é primo não há o que provar (escrevemos m = 1, p1 = n). Se n é composto podemos escrever n = ab, a, b N , 1 < a < n, 1 < b < n. Por hipótese de indução, a e b se decompõem como produto de primos. Juntando as fatorações de a e b (e reordenando os fatores) obtemos uma fatoração de n.
Nota: Este teorema (como qualquer outro teorema chamado de "fundamental") não deveria ser aplicado sem a devida precaução. Existem inúmeros sistemas numéricos nos quais a fatoração não é única. Por exemplo, imagine um sistema que tenha apenas inteiros pares com a adição e multiplicação usual e denominemos um número de "e-primo" se ele não for o produto de dois outros números pares. Neste caso, alguns "e-primos" são 2, 6, 10, 14, 18, ... Observe que neste sistema, 36 possui duas fatorações diferentes, 6x 6 e 2 x 18. (http://primes.utm.edu/) Corolário 7.4: A decomposição de um inteiro positivo n > 1 como produto de fatores primos é única, a menos da ordem dos fatores.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Demonstração: Suponha que n = p1 ... pm = q1 ... qr com, p1 ... pm, q1 ... qr . Como p1| q1... qr temos p1 | qi para algum valor de i, donde, como qi é primo, p1 = qi e p1 q1 . Analogamente temos q1 p1, donde p1 = q1. Mas por hipótese de indução n = p2 … pm = q2 … qr p1
admite uma única fatoração, donde m = r e pi = qi para todo i. Corolário 7.5: Todo inteiro positivo n > 1 admite uma única decomposição da forma kr n = p1k1 pk2 2 … pr
onde, para i =1,2,... , r cada ki é um inteiro positivo e cada pi é um primo, com p1 < p2 < ... < pr, denominada decomposição canônica do inteiro positivo n > 1. Demonstração: Pelo teorema Fundamental da Aritmética, n é um produto de fatores primos q1 . q2 ... qm, com q1 q2 ... qm (m 1). Agrupando-se os fatores primos repetidos na forma de potências de primos, temos a representação enunciada neste corolário e, pelo Teorema Fundamental da aritmética, tal representação é única.
Nota: Conhecidas as decomposições canônicas de dois inteiros positivos a > 1 e b > 1, o mdc (a, b) é o produto dos fatores primos comuns às duas decomposições canônicas tomados cada um com o menor expoente, e o mmc (a, b) é o produto dos fatores primos comuns e não comuns às duas decomposições canônicas tomados cada um com o maior expoente.
Corolário 7.6: Se p1.p2 ... pn divide ar, então p1 . p2 ... pn divide a, onde p1 p2 ... pn é o produto de n primos e n e r são inteiros positivos.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Demonstração: Se p1 p2 ... pn não divide a, então a não é nenhum dos primos p1p2 ... pn Seja pi, 1 i n , um desses primos. Então, pi também não é fator primo de ar e, desta forma, não existe pi, 1 i n, que divida ar, o que implica que p1 . p2 ... pn não divide ar. Por contraposição, temos a demonstração pedida. Observação: O fato de que os expoentes dos primos pi sejam 1 é essencial. Por exemplo 4 = 22 divide 62 = 36 , mas 4 não divide 6.
7.4. A Seqüência dos Números Primos Teorema 7.4: (de Euclides): Há um número infinito de primos. Demonstração: Suponha por absurdo que p1, p2, ..., pm fossem todos os primos. O número P = p1 . p2 ... pm + 1 > 1 não seria divisível por nenhum primo, o que contradiz o teorema fundamental da aritmética. n−1
Proposição 7.1. Para o n-ésimo número primo pn vale a estimativa pn ≤ 22
.
Demostração: 1−1
Para n = 1 é verdade que 2 = p1 ≤ 22
= 21 = 2. Suponhamos já provadas as desigualdades 1
p2 ≤ 22
2
p3 ≤ 22 … n−1 pn ≤ 22 Se q é primo tal que q | p1 . p2 ... pn + 1, então q > pn, particularmente q pn+1. Então, 2 +⋯+2n−1
pn+1 ≤ p1 . p2 … pn ≤ 21+2+2
n −1
+ 1 = 22
n −1
+ 1 ≤ 22
n −1
+ 22
n
= 22 . n−1
Esta estimativa é exageradamente fraca, no geral pn é significativamente menor que 22 por 4−1 exemplo 22 = 256 e p4 é apenas 7. Uma estimativa melhor para pn, postulada por Bertrand e, demonstrada por Chebychev, é dada pelo teorema seguinte: Teorema 7.5 (de Chebyshev): Para todo inteiro m 2 existe um primo p com m < p< 2m. A demonstração deste teorema está fora de nosso contexto. Um outro fato provado é que entre dois cubos consecutivos existe sempre um primo.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Com esse Teorema podemos afirmar que pn+1 < 2pn (para n 1) Corolário 7.6. Para o n-ésimo número primo pn vale a estimativa pn 2n. Demonstração: Temos 2 = p1 21 e pelo teorema de Chebychev: Para todo inteiro positivo n, tem-se pn < pn+1 < 2 . pn. De pn 2n segue que pn + 1 2. 2n = 2n+1. Ao estudarmos a sequência de números primos percebemos que existem infinitos primos em subconjuntos particulares dos inteiros, como, por exemplo, na sucessão aritmética: {4q + 3; q inteiro e q 0} = {3, 7, 11, 15, 19, ...}. Esse resultado foi generalizado pelo matemático alemão Peter Gustav Le-jeune Dirichlet (18051859). Teorema 7.6 (de Dirichlet). Sejam a e b inteiros primos entre si, isto é, mdc (a, b) = 1. Existem infinitos primos da forma an + b, onde n é inteiro positivo. A demonstração deste Teorema exige avançados conhecimentos de Análise Matemática. Exemplos: Na sequência 3n + 1, temos os primos 7, 13, 19, 31, 37, 43, 61, 67, 73, 97, 103, ... Na sequência 9n + 4 temos os primos 13, 31, 67, 103, 139, 157, 193, 211, ... O resultado de Dirichlet diz não só que o número de primos é infinito, mas também que, se considerarmos subconjuntos particulares de inteiros, como as sucessões aritméticas acima, teremos já nesses subconjuntos uma infinidade de primos. Uma aplicação do Teorema de Dirichlet leva-nos a um resultado obtido pelo matemático polonês W. Sierpinski , que nos mostra, mais uma vez, a forma surpreendente como os primos se distribuem nos inteiros. Teorema 7.7 (de Sierpinski). Dado um inteiro m maior que 1, existe um primo p tal que |p 1|, |p 2|, ..., |p m| são compostos. Exemplo 1: Seja m = 10 e p = 19. Temos: 19+1, 19+2, 19+3, 19-4, 19+5, 19+6, 19+7, 19+8, 19+9 e 19-10. Os resultados são todos números compostos: 20, 21, 22, 15, 24, 25, 26, 27, 28 e 9. Observe que se tivéssemos escolhido o primo 17, não seria possível construir uma sequência de compostos com m = 10, pois 17 + 6 = 23 e 17 – 6 = 11, ambos primos. Exemplo 2: Sejam m = 8 e p = 29 Demonstração: Vejamos, em primeiro lugar, que existe um primo p tal que p + 1, p + 2, ..., p + m sejam compostos. Para cada m dado, o Teorema 1 garante, em particular, que existe um inteiro primo q maior do que m. Seja a = (q + 1) • (q + 2) • (q + 3) ... (q + m). Se q divide a, então q divide q + i, e, portanto, q divide i, o que é impossível para 0 < i m < q. Então a e q são primos entre si. Pelo teorema de Dirichlet, existe um primo p na sequência an + q. Seja p = (q +1) • (q + 2) • ... • (q + m) • n + q este primo. Então os números p + 1, p +
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
2, ..., p + m sĂŁo m nĂşmeros compostos. Para ampliar este resultado, observemos que, por motivos anĂĄlogos aos de cima, a' = (q - m).[q - (m- 1)]...(q - 1)...(q + m) ĂŠ primo com q e se p' for um primo da sequĂŞncia a'n + q, isto ĂŠ, p' = (q - m) ... (q - 1) . (q + 1) ... (q + m) . n + q os nĂşmeros p' â&#x20AC;&#x201C; m, ... p' â&#x20AC;&#x201C; 1, p' + 1, ... p' + m serĂŁo compostos. Assim o nĂşmero primo p' se encontra na sucessĂŁo dos inteiros, "isolado" por m compostos de cada lado. (RPM 11)
7.5. O Crivo de EratĂłstenes. EratĂłstenes, matemĂĄtico, astrĂ´nomo, historiador, geĂłgrafo e filĂłsofo grego, nasceu em Cirene por volta de 276 a.C. e passou grande parte de sua juventude em Atenas. Com aproximadamente 40 anos, foi convidado pelo rei Ptolomeu III do Egito para ser bibliotecĂĄrio da Universidade de Alexandria. Ficou conhecido como Beta, e a respeito dessa alcunha existem algumas hipĂłteses. Alguns acreditam que, por causa de seu saber, foi elevado Ă condição de um segundo PlatĂŁo. Outros, dizem que tal apelido lhe fora dado por ter sido o segundo bibliotecĂĄrio da Universidade de Alexandria. Uma terceira explicação sugere que, apesar de ser talentoso, EratĂłstenes nĂŁo conseguiu ser o primeiro de seu tempo em nenhum ramo de estudo, em outras palavras, foi sempre o segundo. Por fim, o historiador James Gow sugeriu que talvez Beta indicasse simplesmente o nĂşmero (grego) 2 referente a um gabinete ou a uma sala de leitura da universidade. Escreveu diversas obras, mas muitas se perderam, inclusive o tratado Sobre a medida da Terra. EratĂłstenes morreu em Alexandria, em 194 a.C. (http://www.moderna.com.br/moderna/didaticos/ef2/matematica/erato/bio_eratostenes.htm) Teorema 7.8: Se um inteiro positivo a > 1 ĂŠ composto, entĂŁo a possui um divisor primo ď&#x201A;Ł â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x152;&#x2039;.
p
Demonstração: Com efeito, se o inteiro positivo a > 1 ĂŠ composto, entĂŁo: a = bc, com 1 < b < a e 1 < c < a Portanto, supondo b ď&#x201A;Ł c, teremos: b2 ď&#x201A;Ł bc = a ď&#x192;&#x17E; b ď&#x201A;Ł â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D; . ď&#x201A;&#x2013; O teorema 7.8 fornece um processo que permite reconhecer se um dado inteiro a >1 ĂŠ primo ou ĂŠ composto, para o que basta dividir a sucessivamente pelos primos que nĂŁo excedem o valor â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x152;&#x2039;. Tal resultado ĂŠ a base do chamado Crivo de EratĂłstenes que veremos em seguida.
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
Uma questĂŁo natural sobre os nĂşmeros primos ĂŠ a de determinar, dentre os inteiros positivos, todos os nĂşmeros primos atĂŠ certo nĂşmero dado. Esta questĂŁo tambĂŠm foi resolvida na antiguidade por EratĂłstenes. A ele devemos o chamado Crivo de EratĂłstenes. Com o crivo de EratĂłstenes podem-se determinar, sem auxĂlio de mĂĄquinas, todos os nĂşmeros primos atĂŠ 200, 400 ou 500, por exemplo. Com o auxĂlio de computadores, o crivo de EratĂłstenes, convenientemente adaptado, permite determinar os nĂşmeros primos atĂŠ limites bem altos. Mesmo antes dos computadores, jĂĄ haviam sido determinados os nĂşmeros primos atĂŠ 10.000.000. Isto ocorreu por volta de 1914, por obra do matemĂĄtico americano D. N. Lehmer. Dois outros matemĂĄticos (Bays e Hudson) calcularam, em 1976, (usando computadores, evidentemente!), a tabela dos nĂşmeros primos atĂŠ 12 x 1011. AlĂŠm disso, hĂĄ tabelas de nĂşmeros primos em determinados intervalos de inteiros e conhecem-se tambĂŠm nĂşmeros primos bem grandes, como o nĂşmero 244497 â&#x20AC;&#x201C; 1, que possui 13395 algarismos! (RPM 19) A construção de uma tabela de nĂşmeros primos que nĂŁo excedam um dado inteiro n usando o Crivo de EratĂłstenes consiste no seguinte: escrevem-se na ordem natural todos os inteiros a partir de 2 atĂŠ n e, em seguida, eliminam-se todos os inteiros compostos que sĂŁo mĂşltiplos dos primos p tais que p ď&#x201A;Ł â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;â&#x152;&#x2039; isto ĂŠ, 2p, 3p, 4p, ... Exemplo: Construir a tabela de nĂşmeros primos menores que 200. Solução: Como â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;200â&#x152;&#x2039; = 14, basta eliminar sucessivamente da tabela os nĂşmeros que sĂŁo mĂşltiplos dos primos p menores que 14, ou seja, 2, 3, 5, 7, 11 e 13.
.
2
3
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5
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
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200
Os valores em vermelho são os números primos que não foram “riscados” da tabela.
Listamos a seguir a os 199 primeiros números primos: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199, 211, 223, 227, 229, 233, 239, 241, 251, 257, 263, 269, 271, 277, 281, 283, 293, 307, 311, 313, 317, 331, 337, 347, 349, 353, 359, 367, 373, 379, 383, 389, 397, 401, 409, 419, 421, 431, 433, 439, 443, 449, 457, 461, 463, 467, 479, 487, 491, 499, 503, 509, 521, 523, 541, 547, 557, 563, 569, 571, 577, 587, 593, 599, 601, 607, 613, 617, 619, 631, 641, 643, 647, 653, 659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727, 733, 739, 743, 751, 757, 761, 769, 773, 787, 797, 809, 811, 821, 823, 827, 829, 839, 853, 857, 859, 863, 877, 881, 883, 887, 907, 911, 919, 929, 937, 941, 947, 953, 967, 971, 977, 983, 991, 997, 1009, 1013, 1019, 1021, 1031, 1033, 1039, 1049, 1051, 1061, 1063, 1069, 1087, 1091, 1093, 1097, 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213 ,1217.
Nota: Podemos fazer um crivo mais econômico, já que não é possível evitar completamente o fato de que alguns números são riscados várias vezes. Podemos proceder da seguinte maneira: Primeiro escrevemos uma lista com os ímpares de 3 até n. Como queremos riscar os números de p em p é claro que os múltiplos de p que são múltiplos de primos menores que p já foram riscados da lista. Então, nesta etapa, podemos começar a riscar de p em p a partir do menor múltiplo de p, que não é múltiplo de um primo menor que p; isto é, a partir de p2. Isto evita muitas duplicações.[Coutinho]
3, 5, 7, 32, 11, 13, 15, 17, 19, 21 23, 52, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 72, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91, 93, 95, 97, 99. Definição 7.2: Para qualquer número real x > 0, seja (x) o número de primos p x , isto é, (x) é quantidade dos números primos menores que ou iguais a x. Tabela dos 20 primeiros valores inteiros da função (x)
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ď °(x) 0 1 2 2 3 3 4 4 4 4 5 5 6 6 6 6 7 7 8 8
De acordo com o Teorema de Chebychev podemos afirmar que ď °(2n) - ď ° (n) ď&#x201A;ł 1 (para n ď&#x201A;ł 2) Nota: Um problema prĂĄtico, onde as propriedades dos nĂşmeros primos tĂŞm reflexos importantes, ĂŠ o problema do reconhecimento da fala por computadores que exige o desenvolvimento de algoritmos tĂŁo rĂĄpidos quanto possĂvel para a decomposição de sons nas suas frequĂŞncias fundamentais, uma tĂŠcnica conhecida como AnĂĄlise de Fourier. A velocidade teĂłrica mĂĄxima desses algoritmos esta diretamente relacionada com a função ď ° (x) que fornece o numero de primos menores que ou iguais a x. FĂłrmula de MinĂĄc: Dado um inteiro m ď&#x201A;ł 2 , J. MinĂĄc estabeleceu uma fĂłrmula para a contagem dos nĂşmeros primos ď ° (m) : đ?&#x2018;&#x161;
(đ?&#x2018;&#x2DC; â&#x2C6;&#x2019; 1)! + 1 (đ?&#x2018;&#x2DC; â&#x2C6;&#x2019; 1)! đ?&#x153;&#x2039;(đ?&#x2018;&#x161;) = â&#x2C6;&#x2018; â&#x152;&#x160; â&#x2C6;&#x2019;â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x2018;&#x2DC;=2
Demonstração: Serå vista após estudarmos o Teorema De Wilson. Exemplo:
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
đ?&#x153;&#x2039;(6) = [
1! + 1 1! 2! + 1 2! 3! + 1 3! 4! + 1 4! â&#x2C6;&#x2019; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;] + [ â&#x2C6;&#x2019; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;] + â&#x152;&#x160; â&#x2C6;&#x2019; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; â&#x2C6;&#x2019; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;â&#x152;&#x2039; 2 2 3 3 4 4 5 5 5! + 1 5! +â&#x152;&#x160; â&#x2C6;&#x2019; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039;â&#x152;&#x2039; 6 6
ď ° (6) = 1 + 1 + 0 + 1 + 0 = 3. Resultado que nos diz que existem trĂŞs primos antes do nĂşmero seis.
FĂłrmula Para o n-ĂŠsimo NĂşmero Primo
Devido ao resultado acima podemos escrever uma fĂłrmula que nos retorna o n-ĂŠsimo nĂşmero primo estabelecida por C. P. Willans em 1964: 2đ?&#x2018;&#x203A;
1
đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x203A; = 1 + â&#x2C6;&#x2018; â&#x152;&#x160;( ) â&#x152;&#x2039; 1 + đ?&#x153;&#x2039;(đ?&#x2018;&#x161;) đ?&#x2018;&#x161;=1
Exemplo: đ?&#x2018;?2 = 1 + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;(
2 2 2 2 )â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;( )â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;( )â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;( )â&#x152;&#x2039; 1 + đ?&#x153;&#x2039;(1) 1 + đ?&#x153;&#x2039;(2) 1 + đ?&#x153;&#x2039;(3) 1 + đ?&#x153;&#x2039;(4)
2 2 đ?&#x2018;?2 = 1 + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;2â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;1â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161; â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161; â&#x152;&#x2039; = 1 + 1 + 1 + 0 + 0 = 3 3 3 Definição 7.3: Para todo nĂşmero primo p, seja p# o produto de todos os nĂşmeros primos q ď&#x201A;Ł p . p# ĂŠ chamado o primorial de p. Tabela dos 17 primeiros Primoriais P 2 3 5 7 11 13 17 23 29 31 37
90
p# 2 6 30 210 2310 30030 510510 9699690 223092870 6469693230 200560490130
CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
41 43 47 53 59 61
7420738134810 304250263527210 13082761331670030 614889782588491410 32589158477190044730 1922760350154212639070
Teorema 7.8: p# +1 nĂŁo possui nenhum fator primo menor do que ou igual a p. Demonstração: Suponhamos, por contradição, que p# + 1 seja divisĂvel por um primo q ď&#x201A;Ł p . Ou seja, existe um inteiro positivo s tal que tal que p# + 1 = q.s, isto ĂŠ q.s â&#x20AC;&#x201C; p# =1. Como q ď&#x201A;Ł p , entĂŁo q ĂŠ necessariamente um fator de p#. Logo q divide ambas as parcelas da diferença q.s â&#x20AC;&#x201C; p#. Portanto q divide 1, o que ĂŠ um absurdo uma vez que q ĂŠ primo. ď&#x201A;&#x2013; Nota: Veja que resultado interessante: 1
lim [(đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2039;&#x2022;)đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x203A; ] = đ?&#x2018;&#x2019;
đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2020;&#x2019;â&#x2C6;&#x17E;
Leitura: A Distribuição dos NĂşmeros Primos Ao contemplar uma tabela de nĂşmeros primos, a primeira impressĂŁo que se tem ĂŠ a de que nĂŁo hĂĄ nenhuma ordem entre os nĂşmeros primos: Ă s vezes eles aparecem prĂłximos uns dos outros, Ă s vezes afastados, ora menos, ora mais afastados; enfim, analisando-os individualmente ou em pequenos grupos, nĂŁo divisamos qualquer regularidade em sua distribuição. Entretanto, a sagacidade de inteligĂŞncias privilegiadas consegue ver mais fundo, e foi precisamente isso o que aconteceu por obra do matemĂĄtico francĂŞs Adrien - Marie Legendre (1752-1833). Ele se ocupou dessa questĂŁo e por volta de 1800 formulou uma conjectura que revela certa ordem no que parecia ser um caos completo. Para explicarmos a conjectura de Legendre, introduzimos o sĂmbolo ď ° (x) como sendo o nĂşmero de nĂşmeros primos atĂŠ certo valor x. Assim, ď °(8) = 4, ou seja, o nĂşmero de nĂşmeros primos atĂŠ 8 ĂŠ 4; ď °(11) = 5, pois hĂĄ cinco nĂşmeros primos atĂŠ 11, precisamente, 2, 3, 5, 7, 11; e assim por diante. Pois bem, o que Legendre conjecturou, empiricamente, analisando tabelas de nĂşmeros primos (em 1797 uma dessas tabelas foi publicada, contendo todos os nĂşmeros primos atĂŠ 400031), ĂŠ que ď °(x) podia ser aproximado đ?&#x2018;Ľ pela função (o logaritmo que aqui aparece ĂŠ o logaritmo natural, isto ĂŠ, na base e ď&#x201A;ť đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ 2,718281...), e que essa aproximação seria tanto melhor quanto maior fosse x. Mas isto deve đ?&#x2018;Ľ ser entendido em termos relativos, isto ĂŠ, o erro que se comete tomando em lugar de ď ° (x) torna-se tanto menor quanto maior for x, relativamente a đ??¸(đ?&#x2018;Ľ) = đ?&#x153;&#x2039;(đ?&#x2018;Ľ) â&#x2C6;&#x2019;
đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ
đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ
. Em outras palavras, seja
đ?&#x2018;Ľ (1) đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ
đ?&#x2018;Ľ
o erro que se comete ao tomar em lugar. de ď °(x). Pois bem, o que se torna pequeno com o 1đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ crescer de x ĂŠ o erro relativo
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS đ??¸(đ?&#x2018;Ľ) đ?&#x2018;Ľ ln đ?&#x2018;Ľ
(2)
Este erro pode ser feito, em valor absoluto, tĂŁo pequeno quanto quisermos, desde que façamos x suficientemente grande. Carl Friedrich Gauss (1777-1855), que ĂŠ considerado por muitos o maior matemĂĄtico de todos os tempos, conta, numa carta de 1849, publicada vĂĄrios anos mais tarde, que quando ainda bem jovem, com apenas 15 anos de idade, pensou muito sobre a distribuição dos nĂşmeros primos, chegando a conjecturar algo equivalente ao que conjecturou Legendre. Seja como for, essa conjectura logo impressionou os matemĂĄticos como algo notĂĄvel, pois quem diria que a seqßência dos nĂşmeros primos pudesse ter algo a ver com a função logaritmo! A descoberta de Legendre e Gauss demorou a ser demonstrada. Embora ela tenha sido objeto da atenção dos melhores matemĂĄticos do sĂŠculo, desafiou a argĂşcia desses homens por cerca de 100 anos. De fato, foi somente em 1896 que ela foi demonstrada pela primeira vez. E nesse mesmo ano apareceram duas demonstraçþes, uma pelo matemĂĄtico francĂŞs Jacques Hadamard (1865-1963) e outra, pelo belga Charles de Ia VallĂŠe Poussin (1866-1962). Essas demonstraçþes, independentes uma da outra, baseavam-se nas idĂŠias de um outro grande matemĂĄtico do sĂŠculo, Bernhard Riemann (1826-1866). Embora nĂŁo tenha logrado demonstrar a conjectura de Legendre e Gauss, Riemann, num memorĂĄvel trabalho intitulado Sobre o nĂşmero de nĂşmeros primos menores que um certo nĂşmero, deixou ideias notĂĄveis sobre teoria dos nĂşmeros, que vĂŞm sendo exploradas pelos estudiosos do assunto atĂŠ os dias de hoje. Antes mesmo das demonstraçþes de Hadamard e de la VallĂŠe Poussin, o matemĂĄtico russo Pafnutii Chebyshev (1821-1894) provou, por volta de 1850, um resultado prĂłximo Ă conjectura de Legendre e Gauss. Segundo Chebyshev, existem constantes positivas c e C (c ď&#x201A;ť 0,92, C ď&#x201A;ť 1, 106) tais que đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;Ľ ln đ?&#x2018;Ľ
â&#x2030;¤ đ?&#x153;&#x2039; (đ?&#x2018;Ľ) â&#x2030;¤ đ??ś
đ?&#x2018;Ľ ln đ?&#x2018;Ľ
(3)
Para bem entendermos o significado da aproximação đ?&#x153;&#x2039; (đ?&#x2018;Ľ) â&#x2030;&#x2C6;
đ?&#x2018;Ľ ln đ?&#x2018;Ľ
(4)
vamos comparar os gråficos das funçþes y = x e y = log x. Eles nos revelam que ambas as funçþes crescem com o crescer de x, tendendo a infinito.
No entanto, como podemos ver, claramente, a primeira dessas funçþes cresce mais depressa que a segunda, distanciando-se mais e mais desta última, à medida que x cresce acima de qualquer número dado. Isto fica mais claro ainda quando levamos em conta que o gråfico do logaritmo tem a concavidade voltada para baixo, significando que, embora esta função esteja
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
crescendo sempre com o crescer de x, trata-se de um crescimento cada vez mais lento, quanto maior for x. Isto quer dizer que o quociente no segundo membro de (4) tambĂŠm cresce, tendendo a infinito com o crescer de x, o que estĂĄ de acordo com o fato de que existem infinitos nĂşmeros primos, isto ĂŠ, (x) cresce acima de qualquer nĂşmero, desde que façamos x suficientemente grande. NĂŁo obstante tudo isso, o erro absoluto expresso em (1) pode tornar-se muito grande, mas nĂŁo o erro relativo expresso em (2); este tende a zero, isto ĂŠ, pode ser feito menor do que qualquer nĂşmero positivo dado, desde que façamos x suficientemente grande. Uma conclusĂŁo simples que podemos tirar de (4) ĂŠ que, em certo sentido, os nĂşmeros primos vĂŁo ficando cada vez mais raros, Ă medida que avançamos na seqßência dos nĂşmeros naturais. đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľ Para bem entender o que estamos dizendo, observe que significa đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;§đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018; 1đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ
1đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ
đ?&#x2018;Ľ
de sorte que ĂŠ a densidade mĂŠdia dos nĂşmeros primos no intervalo que vai de 1 atĂŠ x. O 1đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ľ fato de que essa densidade decresce com o crescer de x significa precisamente o que dissemos acima: os nĂşmeros primos vĂŁo ficando cada vez mais raros, Ă medida que avançamos na seqßência dos nĂşmeros naturais. ( RPM19)
Definição 7.3 Chamam-se primos gĂŞmeos dois inteiros positivos Ămpares e consecutivos que sĂŁo ambos primos. Em outras palavras, dizemos que dois primos Ămpares sĂŁo gĂŞmos quando a diferença entre eles ĂŠ igual a 2. Assim, por exemplo, sĂŁo pares de primos gĂŞmeos: 3 e 5, 5 e 7, 11 e 13, 17 e 19, 29 e 31 NĂŁo se sabe atĂŠ hoje se hĂĄ um nĂşmero infinito de pares de primos gĂŞmeos, mas sĂŁo conhecidos primos gĂŞmeos muito grandes, tais como: 140.737.488.353.507 e 140.737.488.353.509 140.737.488.353.699 e 140.737.488.353.701 Um fato interessante ĂŠ a existĂŞncia de apenas um terno de inteiros positivos Ămpares e consecutivos que sĂŁo todos primos: 3, 5 e 7.
7.6. Seqßência de Inteiros Consecutivos Compostos Existem, na sequĂŞncia dos primos, primos consecutivos â&#x20AC;&#x153;tĂŁo afastados quanto se desejeâ&#x20AC;?. Ou seja, existem â&#x20AC;&#x153;saltosâ&#x20AC;&#x2122; arbitrariamente grandes na seqßência dos primos.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Teorema 7.9: Dado um inteiro positivo n >1, é possível determinar n inteiros consecutivos tais que nenhum deles seja primo. Demonstração: De fato, é evidente que na sequência: (n + 1)! + 2, (n + 1)! +3, (n + 1)! + 4, ..., (n + 1)! + (n + 1) os seus n termos são inteiros positivos consecutivos, e cada um deles é composto, porque (n +1)! + j é divisível por j se 2 j n + 1. Assim, por exemplo, supondo n = 4, obtemos a sequência: 5! + 2, 5! + 3, 5! + 4, 5! + 5 Cujos termos são 4 inteiros positivos consecutivos, cada um dos quais é composto, pois, temos: 5! + 2 = 122 = 2 . 61, 5! + 3 = 123 = 3 . 41 5! + 4 = 124 = 4 . 31, 5! + 5 = 125 = 5 . 25 Outras sequências de 4 inteiros consecutivos e compostos existem, tais como 24, 25, 26, 27 e 32, 33, 34, 35 54, 55, 56, 57 e 74, 75, 76, 77 Nota: Em 1984 Samuel Yates iniciou uma lista dos "Maiores Primos Conhecidos" e criou o nome primo titânico para designar qualquer número primo com 1.000 ou mais dígitos decimais. Denominou também de titãs aqueles que provaram a sua primalidade. A maioria dos primos são titânicos e dezenas de milhares deles são "conhecidos". Entretanto, na época em que Yates definiu os primos titânicos, tinha-se conhecimento de apenas alguns poucos. Cerca de dez anos mais tarde, Yates designou como primo gigante todo número primo que possuísse 10.000 ou mais dígitos decimais. E os Megaprimos são números primos que possuam no mínimo um milhão de dígitos decimais. http://www.numaboa.com.br/criptologia/matematica/primos.php Corolário 7.7: Dado um inteiro positivo n, existem dois primos consecutivos ph, ph+1 tais que ph+1 – ph > n. Demonstração:
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
Seja ph o maior dos primos que sĂŁo menores que ( n +1 )! + 2. EntĂŁo, ph ď&#x201A;Ł (n + 1)!+ 1. Do teorema anterior, temos ainda que ph +1 > (n + 1)! + (n + 1) Fazendo a diferença entre ambas as desigualdades, temos ph +1 > (n + 1)! + (n + 1) Exemplo: Seja n = 6, de acordo com a demonstração podemos considerar os primos p1 = 5039 e p2 = 5059. Assim, 5059 â&#x20AC;&#x201C; 5039 > 6, isto ĂŠ, 20 > 6. Teorema 7.10: O produto de qualquer sequĂŞncia de k inteiros consecutivos ĂŠ divisĂvel por k!. Demonstração: Vamos considerar n e k inteiros positivos com k ď&#x201A;Ł n. Sabemos que o nĂşmero de combinaçþes de n, tomadas k a k, ĂŠ um inteiro dado por: đ?&#x2018;&#x203A;! đ?&#x2018;&#x203A;(đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; 1) â&#x20AC;Ś (đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2DC; + 1) đ?&#x2018;&#x203A; ( )= = đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x2018;&#x2DC;! (đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2DC;)! đ?&#x2018;&#x2DC;! Sendo o numerador o produto de k inteiros consecutivos temos o resultado para uma sequĂŞncia de k inteiros positivos. No caso de zero ser um elemento na seqßência o resultado ĂŠ trivial, uma vez que zero ĂŠ divisĂvel por qualquer inteiro nĂŁo nulo. Se a sequĂŞncia contiver sĂł nĂşmeros negativos, a fração do lado direito da igualdade acima sofrerĂĄ, no mĂĄximo, uma mudança de sinal continuando a ser um inteiro, o que conclui a demonstração.
7.7 . Conjecturas
â&#x2014;? Conjectura de Goldbach. Em 1742, numa carta a Leonhard Euler (1707-1783), Christian Goldbach (1690-1764) expressou a seguinte conjectura: Todo inteiro n > 5 ĂŠ a soma de trĂŞs nĂşmeros primos.
95
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Em resposta, Leonhard Euler observou que essa conjectura era equivalente à seguinte: Todo inteiro par maior que ou igual a 4 é a soma de dois primos. Esta conjectura é conhecida como conjectura de Goldbach. Um romance interessantíssimo sobre a dificuldade desse assunto é “Tio Petros e a Conjectura de Goldbach” escrito por Apostolos Doxiadis e publicado pela Editora 34. Exemplos: 4=2+2 6=3+3 8=3+5 10=3+7, 5+5 12=5+7 14=3+11, 7+7 16=3+13, 5+11 18=5+13, 7+11 20=3+17, 7+13 22=3+19, 5+17, 11+11 24=5+19, 7+17, 11+13 26=3+23, 7+19, 13+13 28=5+23, 11+17 30=7+23, 11+19, 13+17 32=3+29, 13+19 34=3+31, 5+29, 11+23, 17+17 36=5+31, 7+29, 13+23, 17+19 38=7+31, 19+19 40=3+37, 11+29, 17+23 Muitos matemáticos continuam tentando encontrar um contra-exemplo ou uma demonstração para essa conjectura. Por exemplo:
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•
Georg Cantor (1845-1918), efetuou em 1894 todas as decomposições possíveis, como soma de dois números primos, de todos os números pares inferiores a 1000.
• •
Aubry estendeu a lista de Cantor até 2000. R. Haussner em 1897 estendeu essa tabela até 5000.
•
Em 1937 o matemático soviético I.M.Vinogradov demonstrou, usando somas trigonométricas adequadas, que qualquer número ímpar suficientemente grande é soma de três números primos.
•
Em 1966 o matemático chinês Jeng-Run Chen provou que a partir de algum número n, todo par maior que 2 ou é soma de dois primos, ou a soma de um primo com o produto de dois primos. O argumento de Chen não diz qual é esse n; apenas demonstra que ele existe.
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Além da Conjectura de Goldbach, em Teoria dos Números, particularmente em Números Primos, existem muitos problemas em aberto. Segue uma lista com algumas conjecturas que, embora já tenham sido testadas para inúmeros casos, ainda não foram demonstradas. Eis algumas: •
Todo número ímpar maior que cinco é a soma de três primos. Esse fato já foi provado, por Vinogradov, para números suficientemente grandes. Em 1956, Borodzkin mostrou que n > 314348907 é suficiente. Esse número foi diminuído, em 1989, para 1043000, por Chen e Wang, mas ainda é muito grande para que os casos menores possam ser testados com o uso de um computador. Exemplos: 7 = 3 + 2 + 2; 21 = 11 +7 + 3 ; 41 = 11 + 13 + 17; 49 = 13 + 17 + 19
•
Existem infinitos primos da forma k2 + 1. Exemplos: 5 = 22 +1; 17 = 42 +1; 37= 62 + 1.
•
Existem infinitos pares de primos consecutivos (Primos Gêmeos) . Exemplos: (3 e 5), (5 e 7), (11 e 13), (17 e 19), (29.879 e 29.881), ...
Em 2000, foi apresentado um par de primos gêmeos cada um com 18075 dígitos. É o par 4 648 619 711 505. 260000 ± 1 •
Existe sempre um primo entre dois quadrados consecutivos. Exemplos: 3 entre 1 e 4; 5 e 7 entre 4 e 9; 11 e 13 entre 9 e 16, ....
•
Primos de Sophie Germain. Um número primo p é um número primo de Sophie Germain se 2p + 1 é também primo. São famosos porque Sophie Germain provou que o Último Teorema de Fermat é verdadeiro para estes números. A existência de um número infinito de tais números primos é uma uma afirmação ainda não provada. Os primeiros primos de Sophie Germain são 2, 3, 5, 11, 23, 29, 41, 53, 83, 89, 113, 131, 173, 179, 191, 233 ...
Nota: Primos em Progressão Aritmética. Um problema famoso que permaneceu por muito tempo em aberto, era o de provar se existiam progressões aritméticas arbitrariamente longas formadas exclusivamente por primos. Van der Corput já havia provado em 1939 que há uma infinidade de progressões aritméticas formadas por 3 primos. Ben Green do Instituto de Matemática de Vancouver e Terence Tao da Universidade da Califórnia, provaram em 2006, que tais sequências existem. Mas a prova não especifica como encontrá-las ou entre quais primos tais sequências se encontram. A mais longa progressão aritmética de números primos conhecida até o momento, tem 24 termos. Foi descoberta por Jaroslaw Wroblewski em janeiro de 2007: 468395662504823 + 45872132836530.k, para k = 0, 1, ..., 23.
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
7.8. FĂłrmulas que geram alguns nĂşmeros primos Muitas tentativas tĂŞm sido realizadas para encontrar fĂłrmulas aritmĂŠticas simples que forneçam somente primos. Nesta seção serĂĄ apresentada algumas fĂłrmulas famosas sobre primos. 1) FĂłrmula de Fermat: Fermat fez sua famosa conjectura de que os nĂşmeros da forma đ?&#x2018;&#x203A;
đ??šđ?&#x2018;&#x203A; = 22 + 1 sĂŁo primos. Para n = 1, 2, 3, 4 obtemos: F1 = 22 + 1 = 5 2 F2 = 22 + 1 = 24 + 1 = 17 3 F3 = 22 + 1 = 28 + 1 = 257 4 F4 = 22 + 1 = 216 + 1 = 65.537 todos primos. PorĂŠm em 1732, Euler descobriu a fatoração 5
22 + 1 = 4294967297 = (641).(6700417) portanto, F(5) nĂŁo ĂŠ primo. AtĂŠ este momento (05 /2005) o maior primo de Fermat conhecido ĂŠ F4 2) FĂłrmula de Euler: Em 1772 Leonhard Euler descobriu um polinĂ´mio tendo uma longa sucessĂŁo de valores primos, dado por F(n) = n2 + n + 41 que fornece primos para n = 1, 2, ..., 39. Entretanto, para n = 40 o valor ĂŠ composto: F(40) = 402 + 40 + 41 = 40. (40 + 1) + 41 = 40.41 + 41 = 41.(40 + 1) = 41.41. 3) FĂłrmula de Mersenne: Marin Mersenne em 1644 fez a seguinte afirmação: â&#x20AC;&#x153;Todo natural Mp = 2p â&#x20AC;&#x201C; 1 ĂŠ primo para os primos p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 67, 127 e 257, e ĂŠ composto para todos os outros primos p < 257â&#x20AC;?.
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CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Entretanto, esta afirmação é incorreta, pois, segundo o site http://www.mersenne.org/ prime.htm, até setembro de 2006 já eram conhecidos, 44 primos de Mersene, para os primos p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 61, 89, 107, 127, 521, 607, 1279, 2203, 2281, 3217, 4253, 4423, 9689, 9941, 1213 ,19937, 21701, 23209, 44497, 86243, 110503, 132049, 216091, 756839, 859433, 1257787, 1398269, 2976221, 3021377, 6972593, 13466917, 20996011, 24036583, 30402457 e 32582657. Esse último primo tem 9.808.358 dígitos. Como se pode ver, Mersenne cometeu duas falhas: Incluiu p= 67, 257 na sua lista de primos e excluiu dessa lista p= 61, 89, 107. Somente em 1947 ( mais de 300 anos depois) a lista correta p = 2, 3, 5, 7, 13, 17, 19, 31, 61, 89, 107 e 127 onde p < 257, ficou pronta.. 4) Outras fórmulas que geram alguns primos são: F(n) = n2 - n + 41para n = 1, 2, 3, 4, ..., 40 F(n) = n2 - 79n + 1601para n = 0, 1, 2, ..., 79 F(n) = n2 + n + 17 para n = 0, 1, 2, ..., 15 F(n) = 3n2 + 3n + 23para n = 0, 1, 2, ..., 21 F(n) = 6n2 + 6n + 31para n = 0, 1, 2, ..., 28 Cabe agora a pergunta: Existe algum polinômio (não-constante), com coeficientes inteiros, que forneça a sequência dos números primos ou apenas números primos? Infelizmente a resposta é não! Teorema 7.11: Não existe polinômio algum P(x) = anxn + an-1xx-1+ ... + a0, a0 0 com coeficientes ak, 0 k n , todos inteiros, cujos valores numéricos sejam sempre primos para valores inteiros da variável x. ( VER RPM 45) Demonstração: Suponhamos, por contradição, que o polinômio P(x), nas condições do teorema, produz sempre primos para valores inteiros da variável x. Então, para x = j, sendo j um inteiro fixo, P( j ) = p é um primo, e qualquer que seja o inteiro s, temos: P(j + ps) = an (j + ps)n + na-1 (j + ps)n-1 + ... + a2 (j +ps)2 +a1 (j + ps) + a0 Desenvolvendo cada uma das potências pela fórmula do binômio e agrupando os primeiros termos de cada desenvolvimento, temos: P(j + ps) = (an jn + an-1 jn-1 + ... + a2j2 +a1j + a0) + pg(s) = P(j) + pg(s) = p + pg(s) onde g(s) indica um certo polinômio não constante em s com coeficientes inteiros, de grau n, logo: P(j + ps) = p(1 + g(s))
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
EntĂŁo, p| P(j + ps). Se P(j + ps) ĂŠ primo devemos ter P( j + ps) = Âą p, donde 1+ g(s) = Âą 1, para todo s. Temos uma contradição, pois g(s) nĂŁo ĂŠ constante. ď&#x201A;&#x2013; Nota: O teorema anterior refere-se a polinĂ´mios numa variĂĄvel. Os trabalho de Putnam, Davis, Robison e Matijasevic conduziram a uma surpreendente conclusĂŁo: Existe um polinĂ´mio de coeficientes inteiros, tal que o conjunto dos nĂşmeros primos coincide com o conjunto dos valores positivos assumidos por esse polinĂ´mio, quando as variĂĄveis percorrem o conjunto dos inteiros positivos. Jones, Sato, Wada e Wiens (1976) foram os primeiros a escrever, explicitamente, um polinĂ´mio desse tipo, de grau 25 e com 26 varĂĄveis. [ Ribombim ] Leitura: Uma FĂłrmula que Fornece todos os NĂşmeros Primos Sejam x e y nĂşmeros naturais, y ď&#x201A;š 0 e a = x( y + 1) - ( y!+ 1). A fĂłrmula que dĂĄ todos os nĂşmeros primos e somente esses ĂŠ: f(x, y) =
đ?&#x2018;Śâ&#x2C6;&#x2019;1 2
[|đ?&#x2018;&#x17D;2 â&#x2C6;&#x2019; 1| â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x17D;2 â&#x2C6;&#x2019; 1)] + 2.
Por exemplo: Se x = 1 e y = 1, entĂŁo a = 0 e f(1,1) = 2; Se x = 1 e y = 2, entĂŁo a = 0 e f(1,2) = 3; Se x = 1 e y = 3. entĂŁo a = â&#x20AC;&#x201C;3 e f(1,3) = 2; e, atribuindo-se a x e a y mais alguns valores, percebe-se logo que a função f tem uma predileção muito grande pelo nĂşmero primo 2. Mas ela fornece todos os nĂşmeros primos: 5 = f (5,4); 7 = f (103,6); 11= f (329891,10); 13 = f (36846377, 12); .... Como foram achados os pares (x,y) acima? A resposta ĂŠ simples: para obter o nĂşmero primo p, calcule f(x,y) para đ?&#x2018;Ľ=
(đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1)! + 1 đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ś =đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;?
Assim, para obter 13, fizemos đ?&#x2018;Ľ=
(13 â&#x2C6;&#x2019; 1)! + 1 = 36846277 đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;Ś = 13 â&#x2C6;&#x2019; 1 = 12 13
Como se vĂŞ, a fĂłrmula existe, mas nĂŁo ĂŠ nada prĂĄtica, uma vez que envolve cĂĄlculos com nĂşmeros muito grandes(RPM 37).
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
A demonstração dessa fórmula serå vista após estudarmos o Teorema de Wilson.
7.9. Decomposição do Fatorial em Fatores Primos Mostraremos como achar a fatoração em nĂşmeros primos de n! onde n ĂŠ um nĂşmero natural arbitrĂĄrio. Proposição 7.2: Sejam a ď&#x201A;ł 0 e b, c > 0 . Temos que đ?&#x2018;&#x17D;
đ?&#x2018;&#x17D; â&#x152;&#x160;đ?&#x2018;?â&#x152;&#x2039; = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;? Demonstração: Sejam. đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x17E;1 = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;&#x17D;
đ?&#x2018;&#x17E;2 = â&#x152;&#x160; đ?&#x2018;? â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;&#x2019;
Logo, a = bq1 + r1 , com r1 ď&#x201A;Ł b â&#x20AC;&#x201C; 1 e đ?&#x2018;&#x17D; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; = đ?&#x2018;&#x17E;1 = đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17E;2 + đ?&#x2018;&#x;2 , đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x;2 â&#x2030;¤ đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1
portanto, a = bq1 + r1 = b(cq2 + r2) + r1 = bcq2 + br2 + r1 como br2 + r1 ď&#x201A;Ł b(c - 1) + b - 1 = bc - 1 segue-se que ĂŠ o quociente da divisĂŁo de a por bc, ou seja, đ?&#x2018;&#x17D;
q2 = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;?
Dados um nĂşmero primo p e um nĂşmero natural m, vamos definir por Ep (m) o expoente da maior potĂŞncia de p que divide m, ou seja, ĂŠ o expoente da potĂŞncia de p que aparece na fatoração de m em fatores primos. Em particular, Ep (n!) representarĂĄ a potĂŞncia de p que aparece na fatoração de n! em fatores primos. Teorema de Legendre. Sejam m um nĂşmero natural e p um nĂşmero primo. EntĂŁo đ?&#x2018;&#x203A;
đ?&#x2018;&#x203A;
đ?&#x2018;&#x203A;
đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;?
đ?&#x2018;?
Ep (n!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 3 â&#x152;&#x2039; + â&#x20AC;Ś
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
Demonstração: Note, inicialmente, que a soma acima ĂŠ finita, pois existe um nĂşmero natural đ?&#x2018;&#x203A; r tal que pi > n para todo i > r portanto â&#x152;&#x160; đ?&#x2018;&#x2013; â&#x152;&#x2039; = 0, se i ď&#x201A;ł r đ?&#x2018;?
Vamos demonstrar o resultado por indução sobre n . A fĂłrmula vale trivialmente para n = 0. Suponha que o resultado vale para qualquer natural m com m < n Sabemos que os mĂşltiplos de p entre 1 e n sĂŁo: đ?&#x2018;&#x203A;
p, 2 p, ..., â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;?
Portanto, pela hipĂłtese de indução, temos que đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ??¸đ?&#x2018;? (đ?&#x2018;&#x203A;!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + đ??¸đ?&#x2018;? (â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; !) đ?&#x2018;? đ?&#x2018;? O resultado, agora, decorre da preposição 7.2. Para calcular Ep (n!) faz-se uso do seguinte algoritmo: n = pq1 + r1 q1 = pq2 + r2 ..... qs-1 = pqs + rs
Como q1 > q2 > ..., seguem-se que, para alguns s, tem-se que. Portanto, seguem-se que. E (n!) = q1 + q2 + ... + qs
Exemplo: Vamos determinar a decomposição de 10! Em fatores primos. Para resolvermos o problema, devemos achar Ep (10!) para todo primo p ď&#x201A;Ł 10. Sendo 10 10 10 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 3 â&#x152;&#x2039; = 5 + 2 + 1 = 8, 2 2 2 10 10 đ??¸3 (10!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; = 3 + 1 = 4, 3 3 10 đ??¸5 (10!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; = 2, 5 10 đ??¸7 (10!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; = 1, 7 đ??¸2 (10!) = â&#x152;&#x160;
Seguem-se que
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CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
10! = 2834527 . Lema 7.1. Sejam a1,..., am ,b inteiros positivos. Temâ&#x20AC;&#x201C;se que â&#x152;&#x160;
đ?&#x2018;&#x17D;1 + đ?&#x2018;&#x17D;2 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; â&#x152;&#x2039; â&#x2030;Ľ â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + â&#x2039;Ż+ â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;? đ?&#x2018;?
Demonstração: Sejam qi e ri respectivamente o quociente e o resto da divisĂŁo de ai por b para i = 1, ...., m. somando, membro a membro, as igualdade ai = bqi + ri temos que a1 + ... + am = (q1 + ... + qm) b + r1 + ... + rm Segueâ&#x20AC;&#x201C;se dai que o quociente da divisĂŁo de a1 + ... + am por b ĂŠ maior ou igual do que q1 + ... + qm pois r1 + ... + rm poderia superar b â&#x20AC;&#x201C; 1 . Isto ĂŠ o que se queria provar. CorolĂĄrio 7.8. Se a1,..., am,b sĂŁo nĂşmeros naturais com b ď&#x201A;š 0 , entĂŁo ĂŠ natural o nĂşmero (đ?&#x2018;&#x17D;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; )! đ?&#x2018;&#x17D;1 ! â&#x20AC;Ś đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; ! Demonstração: De fato, pelo Lema 7.1, para todo nĂşmero primo P e todo nĂşmero natural i, temos que â&#x152;&#x160;
đ?&#x2018;&#x17D;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x161; â&#x152;&#x2039; â&#x2030;Ľ â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + â&#x2039;Ż + â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;
Somando, membro a membro, as desigualdades acima, obtemos que Ep ((a1 + ... + am)!) ď&#x201A;ł Ep (a1 !) + ... + Ep (am) O que prova o resultado. O prĂłximo resultado relacionarĂĄ Ep ( n!) e a representação p-ĂĄdica de n (i.e., a representação relativa Ă base p) Teorema 7.12. Sejam p,n inteiros positivos, com p primo. Suponha que. n = nrpr + nr-1pr-1 + ... + n1p + no Seja a representação p â&#x20AC;&#x201C; ĂĄdica de n . EntĂŁo. đ??¸đ?&#x2018;? (đ?&#x2018;&#x203A;!) =
đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x203A;0 + đ?&#x2018;&#x203A;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; ) đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1
103
CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
Demonstração: Sendo 0 ď&#x201A;Ł ni ď&#x201A;Ł p , temos que đ?&#x2018;&#x203A; â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; = đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;2 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;2 đ?&#x2018;? + đ?&#x2018;&#x203A;1 đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x203A; â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; = đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;2 + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;? + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;2 đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x203A; â&#x152;&#x160; đ?&#x2018;&#x; â&#x152;&#x2039; = đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;? Portanto, đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x203A; đ??¸đ?&#x2018;? (đ?&#x2018;&#x203A;!) = â&#x152;&#x160; â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 3 â&#x152;&#x2039; + â&#x2039;Ż â&#x152;&#x160; đ?&#x2018;&#x; â&#x152;&#x2039; = đ?&#x2018;? đ?&#x2018;? đ?&#x2018;? đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;2 â&#x2C6;&#x2019; 1 + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;1 = đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1
đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x; + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;1đ?&#x2018;? + đ?&#x2018;&#x203A;0 â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x;â&#x2C6;&#x2019;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;1 + đ?&#x2018;&#x203A;0 ) = đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x203A;0 + đ?&#x2018;&#x203A;1 + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x; ) đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 Exemplo: Seja determinar a potĂŞncia de 3 na decomposição de 53! em fatores primos. Primeiramente escrevemos 53 na base 3, isto ĂŠ: 53 = (1222)3 Aplicando o Teorema 7.12 53 â&#x2C6;&#x2019; (1 + 2 + 2 + 2) = 23 3â&#x2C6;&#x2019;1 Verificando esse resultado pelo Teorema de Lagrange: đ??¸3 (53!) =
đ??¸3 (53!) = â&#x152;&#x160;
53 53 53 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 2 â&#x152;&#x2039; + â&#x152;&#x160; 3 â&#x152;&#x2039; = 17 + 5 + 1 = 23 3 3 3
7.10. MĂŠtodo da Fatoração de Fermat AtĂŠ o momento, um dos procedimentos matemĂĄticos mais difĂceis ĂŠ o de fatorar um nĂşmero arbitrariamente grande e isso Ă s vezes requer um tempo razoĂĄvel. Para os casos mais simples podemos usar os conhecidos testes de divisibilidade, mas fatorar nĂşmeros grandes ĂŠ objeto de intensas pesquisas matemĂĄticas. Damos uma aqui um uma ideia desse difĂcil problema
104
CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
matemĂĄtico, utilizando o chamado mĂŠtodo da Fatoração de Fermat. Em cursos mais avançados outros mĂŠtodos sĂŁo apresentados. Proposição 7.3: Seja n > 1 um inteiro Ămpar. HĂĄ uma correspondĂŞncia biunĂvoca entre a fatoração de n e a representação de n como diferença de dois quadrados. Demonstração: Se n = a.b, e n Ămpar, entĂŁo a e b sĂŁo Ămpares. Logo a+b e a-b sĂŁo pares, entĂŁo inteiros. EntĂŁo, đ?&#x2018;&#x203A;=(
đ?&#x2018;&#x17D;+đ?&#x2018;? 2
e
đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;? 2
sĂŁo
đ?&#x2018;&#x17D;+đ?&#x2018;? 2 đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;? 2 ) â&#x2C6;&#x2019;( ) 2 2
Expressa n como a diferença de dois quadrados. Reciprocamente, suponha n escrito como a diferença de dois quadrados: n = s2 â&#x20AC;&#x201C; t2, entĂŁo n = (s-t) . (s+t) ĂŠ a forma fatorada de n. VocĂŞ pode ver que esses dois procedimentos â&#x20AC;&#x201C; da fatoração para a diferença e da diferença para a fatoração â&#x20AC;&#x201C; determinam uma relação biunĂvoca.
7. 11 â&#x20AC;&#x201C; Algoritmo de Fermat A proposição acima nos permite descrever um algoritmo, que ĂŠ muito eficiente quando n tem um fator primo que nĂŁo ĂŠ muito menor que â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; . Para começar vamos supor que n ĂŠ Ămpar, jĂĄ que se n for par entĂŁo 2 ĂŠ um de seus fatores. A idĂŠia do algoritmo de Fermat ĂŠ tentar achar nĂşmeros inteiros positivos x e y tais que n = x2 - y2 . Supondo que encontramos estes nĂşmeros, temos que n = x2 - y2 = (x - y) (x + y). Logo x - y e x + y sĂŁo fatores de n. O caso mais fĂĄcil do algoritmo de Fermat ocorre quando n ĂŠ um quadrado perfeito; isto ĂŠ, quando existe algum inteiro r tal que n = r2. Neste caso temos que r ĂŠ fator de n. AlĂŠm disso, na notação acima x = r e y = 0. Observe que se y > 0 entĂŁo đ?&#x2018;Ľ = â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; + đ?&#x2018;Ś 2 > â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A; Isto sugere a seguinte estratĂŠgia para encontrar x e y. Entrada: inteiro positivo Ămpar n. SaĂda: um fator de n ou uma mensagem indicando que n ĂŠ primo.
105
CAPĂ?TULO 7 NĂ&#x161;MEROS PRIMOS
Etapa 1: Comece com đ?&#x2018;Ľ = â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;&#x203A;â&#x152;&#x2039;; se n = x2 entĂŁo x ĂŠ fator de n e podemos parar. Etapa 2. Caso contrĂĄrio incremente x de uma unidade e calcule đ?&#x2018;Ś = â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;Ľ 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x203A;. Etapa 3. Repita a Etapa 2 atĂŠ encontrar um valor inteiro para y, ou atĂŠ que x seja igual a no primeiro caso n tem fatores x+y e x-y, no segundo n ĂŠ primo.
(đ?&#x2018;&#x203A;+1) 2
:
Exemplo: Seja n = 1342127 o nĂşmero obtido como produto de dois primos. A variĂĄvel x ĂŠ inicializada com a menor parte inteira da raiz quadrada de n (â&#x152;&#x160;â&#x2C6;&#x161;1342127â&#x152;&#x2039; = 1158). Mas x2 = 11582 = 1340964 < 1342127 logo passamos a incrementar x de um em um. Fazemos isso atĂŠ (đ?&#x2018;&#x203A;+1) que â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;Ľ 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x203A; seja inteiro, ou x seja igual a , que neste caso valeria 671064. Ă&#x2030; mais fĂĄcil 2 resumir isto em uma tabela x
â&#x2C6;&#x161;đ?&#x2018;Ľ 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x203A;
1159
33,97
1160
58,93
1161
76,11
1162
90,09
1163
102,18
1164
113
Obtivemos assim um inteiro no sexto laço. Portanto x = 1164 e y = 113 sĂŁo os valores desejados. Os fatores correspondentes sĂŁo x + y = 1277 e x â&#x20AC;&#x201C; y = 1051. Logo, 1051 e 1277 sĂŁo os dois nĂşmeros primos procurados.
7. 12â&#x20AC;&#x201C; O Teorema dos NĂşmeros Primos . Ainda que a questĂŁo da infinidade dos nĂşmeros primos tenha sido tratada de forma adequada ao longo do tempo, o comportamento da sua distribuição entre os inteiros positivos e como determinar se um inteiro qualquer ĂŠ primo, principalmente a partir de certo tamanho, sĂŁo problemas que permanecem atĂŠ hoje. Em teoria dos nĂşmeros, perguntas simples podem desencadear investigaçþes profundas. Se escolhermos, ao acaso, um nĂşmero de 10 algarismos, qual a probabilidade de que seja um primo? Quantos primos com exatamente 10 algarismos existem?
106
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
Questões como essas necessitam de investigações sobre como os primos se distribuem entre os inteiros positivos. Foram questões como essa que levaram Carl Friedrich Gauss (17771855) e Adrien-Marie Legendre (1752-1833) a tentarem conseguir uma resposta. Gauss procurou uma maneira de contar todos os primos até 10n dígitos ou encontrar formas de fazer essa aproximação para dar respostas às perguntas supramencionadas. Essas aproximações feitas por Gauss e muitos outros matemáticos, são conhecidas como Teorema do Número Primo (ÁVILA, 1991) Evidentemente, um tratamento dessa questão do ponto de vista da demonstração implica em conhecimentos mais sofisticados em matemática e não constitui elemento de preocupação direta deste trabalho, mas julgamos importante discutir estes postulados, uma vez que nos referimos ao teorema do número primo em alguns momentos das análises. Frequentemente, o teorema do número primo é confirmado em termos da função ( x) , que nos dá o número de primos menores que ou iguais ao número real x. Por exemplo,
( 28) 3 , uma vez que os primos menores que
28 são 2, 3 e 5. Assim, a quantidade de
todos os primos com 1010 dígitos ou menos seria dada por (1010 ) e a resposta exata para a primeira questão seria
(1010 ) 1010
.
Outra função usada nesse contexto é a função ( n) , que representa o n-ésimo número primo. Assim, P(1) = 2, P(2) = 3, P(3) = 5, P(4) = 7 e assim por diante. Se restringirmos as duas funções aos inteiros positivos e aos primos, respectivamente, uma função será o inverso da outra, isto é, (( n)) n e ( ( p)) p , onde n é um inteiro positivo e p um primo. Dizemos que duas funções f(x) e g(x) são assintóticas, isto é, f ( x) g ( x) , quando lim
x
f ( x) 1 . Em uma linguagem informal, dizemos que duas funções são assintóticas, se, para g ( x)
valores muito grandes, elas apresentam quase o mesmo comportamento. Dessa forma, é possível estimar valores de uma usando a outra dentro de certas condições. O teorema do número primo fornece expressões assintóticas para as funções ( x) e ( n) . Colocamos, a seguir, diferentes formas do teorema do número primo:
107
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
1.
Modelo de Gauss: ( x)
x
1
ln t dt 2
x ln x 1, 08366
2.
Modelo de Legendre: ( x)
3.
Modelo atual: ( x )
4.
Modelo atual para ( n) : P(n) n.ln x
x ln x
O gráfico abaixo, feito no @Mathematica dá uma ideia do comportamento das funções. n n
Li n n
log n
1.08366
n
150
log n
100
50
200
400
600
800
1000
1200
1400
n
Fonte: Wolfram MathWorld O mais impressionante é que, apesar dos nomes de Gauss e Legendre estarem conectados com o teorema, nenhum deles o provou. Ambos fizeram essas incríveis conjecturas, mesmo com os escassos recursos tecnológicos do século XVIII. Essas conjecturas provocaram um grande desenvolvimento da Análise Real e Complexa no século XIX. O teorema foi provado de forma independente por J. S. Hadamard (1865-1963) e Vallée Poussin (1866-1962), justamente no final do século XIX. Em 1949, Atle Selberg (1917-2007) e Paul Erdös (19131996) produziram uma nova prova que utiliza apenas os conhecimentos de Cálculo (GARBI, 2000). Por outro lado, Euler deu sua demonstração sobre a infinidade dos números primos em 1737 e inaugurou um novo ramo da matemática chamado teoria analítica dos números. Em
108
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
1859, Bernhard Riemann (1826-1866) apresentou seu único trabalho em teoria dos números dedicado ao teorema dos números primos. O esforço empreendido nesse trabalho provocou um tremendo impacto em todos os ramos da matemática pura. Segundo Simmons (1987), a influência desse trabalho seria sentida por mais de mil anos. O ponto de partida do trabalho de Riemman foi a notável identidade (I) descoberta por Euler:
1
1
n 1 p n 1
s
s
, s>1 (I)
p
A função zeta lado esquerdo de (I) é uma função da variável real s>1: a identidade nos mostra uma relação entre o comportamento da função zeta e propriedade dos primos1. Riemman ampliou essa conexão fazendo a variável s assumir valores complexos. Para s complexo, ele denotou a função resultante por ( s ) , ou seja, a função zeta de Riemman.
( s) 1
1 1 1 1 ... , s a bi 2s 3s 4 s 5s
Riemman levava os números primos a um universo nunca antes imaginado. Os problemas propostos por ele a partir dos estudos feitos nessa função criaram importantes ramos da Análise. Além disso, Riemman deixou para a posteridade um problema famoso, até o momento não solucionado, que possui íntima relação com a distribuição dos números primos, a hipótese de Riemman. Sobre essa hipótese, Simmons (2004) escreve: “ela permanece como o problema em aberto mais importante da Matemática, e provavelmente é o problema mais difícil que a mente humana jamais concebeu” (SIMMONS, p. 749, 1987).
EXERCÍCIOS 1.
Com uma calculadora, achar todos os primos da forma n2 – 2, para 25 n 35
3.
De quantos modos podem escrever 497 como a soma de dois números primos?
2.
Determine todos os primos que são iguais a diferença de quadrado entre dois primos.
4.
Mostrar que a soma de dois inteiros positivos ímpares e consecutivos nunca é um primo.
1
Esta conexão diz respeito à prova que a soma dos recíprocos primos diverge.
109
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS 5.
Em um quadro estão escritos alguns números naturais. Dentre eles, há nove múltiplos de 4, sete múltiplos de 6, cinco múltiplos de 12, três números primos e nada mais. Qual a quantidade mínima de números escritos?
21. Mostre que nenhum número inteiro da forma
1 4n é divisível pelo número primo 3.
6.
Achar todos os primos p e q, tais que p – q = 3.
7.
Achar todos os primos que são iguais a um quadrado menos 1.
8.
Achar todos os primos que são iguais a um cubo menos 1.
23. Determinar o menor valor positivo do inteiro n tal que 2n2 + p, seja um número inteiro composto e p um primo terminado em 7.
9.
Escreva os números 55, 83 e 211 como uma soma de três primos.
24. Demonstrar que todo primo, p 5 é da forma 6k – 1 ou 6k + 1, onde k é um inteiro positivo.
10. Determinar todos os inteiros positivos n tais que n, n + 2 e n + 4 são todos primos.
25. Demonstrar que todo primo p 3, é da forma 4k + 1 ou 4k – 1, onde k é um inteiro positivo.
11. Determinar todos os primos p tais que 3p + 1 é um quadrado.
26. Determine todos os primos p 5tais que 8p4 3003 também seja primo.
12. Com uma calculadora, determinar se são primos os números
27. Mostrar que todo inteiro da forma n4 + 4, com n > 1 não é primo.
a) b) c) d)
1699 7429 21793 1189
13. Encontre todos os primos p, tais que 17p + 1 é um quadrado. 14. Usando a decomposição em fatores primos dos inteiros 507 e 1287, achar o mdc (507, 1287) e o mmc (507, 1287). 15. Achar o mdc(a, b) e mmc(a, b) sabendo a = 230 . 521 . 19 . 233 e b = 26 . 3 . 74 . 112 . 195 . 237 16. Achar o menor inteiro positivo pelo qual se deve dividir 15! para se obter um quadrado. •
Qual o menor valor do número natural n que torna n! divisível por 1000?
17. Achar todos os primos que são divisores de 50!. 18. Verifique com uma calculadora, se são primos gêmeos: a) 1949 e 1951 b) 1997 e 1999 19. Achar uma sequência de quatro inteiros positivos consecutivos e compostos.
110
20. Achar um sequência de 100 inteiros positivos consecutivos e compostos.
22. Com uma calculadora, verificar a conjectura de Goldbach para n par, 42 n 100 .
28. Mostrar que todo inteiro da forma 8n + 1, com n > 1, não é primo. 29. Mostrar que se n2 + 2 é primo então 3 | n, para todo n > 1. 30. Se p > 5 é um primo, então p2 + 2 é composto. 31. Demonstrar as seguintes propriedades: a)
Todo primo da forma 3n + 1 é também da forma 6m + 1. b) Todo inteiro n > 11 pode ser expresso como a soma de dois inteiros não-primos. c) Se p 5 é um primo ímpar, então p2 – 1 ou p2 + 1 é divisível por 10. d) Se p > q > 5 e se p e q são ambos primos, então 24 | p2 – q2. e) Todo inteiro da forma 3n + 2 tem um fator primo desta forma. f) Se p é um primo e se p | an , então pn | an. 32. Demonstrar que o inteiro positivo a > 1 é um quadrado se e somente se todos os expoentes dos fatores primos da sua decomposição são inteiros pares. 33. Demonstrar que, se o inteiro k 2, não é primo, então 2k – 1 nunca será primo. 34. Demonstrar que se 2k – 1, (k 2) é primo, então k também é primo.
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS 35. Seja p o maior fator primo do número 314 + 313 – 12, então p é igual a:
52. Mostre que existem infinitos valores primos p para os quais 8.p2 + 5 é divisível por 77.
36. Sejam p, q inteiros positivos. Mostre que 2p + 1 = q2 implica p e q primos e p = q = 3.
53. Seja p > 2 um primo. Determine todos os valores inteiros positivos de m e n, tal que (p – 1) (pn + 1) = 4m (m + 1).
37. Mostrar que um inteiro da forma 42n+1 + 1, onde n 1, nunca é primo. ➢ 38. Sendo n um inteiro positivo, mostre que 24(n+1) – 1 nunca será primo. 39. Mostrar que se n > 4, não é primo, então n divide (n – 1)!. 40. Verificar que todo inteiro pode escrever-se sob a forma 2k m, onde o inteiro k > 0 e m é um inteiro ímpar. 41. Demonstrar que, se o inteiro n > 2, então existe um primo p tal que n < p < n!. 42. Qual é o menor número primo que um fator da soma 19992002 + 20012002? 43. Prove que um triângulo retângulo não pode apresentar as medidas de seus lados sendo números primos. 44. Se p e 8p2 + 1 são números primos, prove que p = 3. 45. Mostre que se n 1 é natural então, o número 2 n1
22
não é primo. n
4
46. Sendo n > 1 um inteiro, prove que 4 + n não é primo. 47. Mostrar, mediante um exemplo, que a seguinte conjectura é falsa: “Todo inteiro positivo maior que 1, pode-se escrever sob a forma a2 + p, com a > 0 e p é um inteiro primo ou 1”.
Nos problemas que se seguem faça uso de uma calculadora para verificar os resultados e explicite bem os passos utilizados na resolução.
54. Segundo o Teorema de Chebychev, para um inteiro m 2, existe um primo p tal que m < p < 2 m. Determine todos os primos entre 600 e 1200. 55. Segundo o Teorema de Dirichlet, se o mdc (a, b) =1, então existem infinitos primos da forma an+b com n um inteiro positivo. Determine todos os primos p da forma 4n+9, com 88 < 4n + 9 < 388. 56. Usando o Teorema de Sierpinski, determine um primo p>19 e escreva 20 inteiros compostos. 57. Usando a Fórmula de Minàc, determine (12) . 58. Usando a Fórmula do n-ésimo número primo, determine o quarto número primo. 59. Calcule:
3#.5 # 7 # 11# 5 #.7 # 11# b) 13# a)
60. Verifique se existem primos gêmeos entre 600 e 700.
48. Determine todos os números primos p e q, para os quais os q números p, p + (q + 1), p + 2 (q + 1), p + 3 (q + 1), . . . , p + (q − 1) (q + 1), também são primos.
61. Determine dois números primos consecutivos tais que a diferença entre eles seja maior que 7.
49. Demonstrar que existem infinitos primos da forma 4n + 3, com n inteiro positivo.
63. Determine a potência de 5 na decomposição de 75! em fatores primos, fazendo a decomposição p-ádica de 75.
50. Seja m um intero positivo. Demonstre que não existem números primos da forma 25m + 2m +1. 51. Determinar o número inteiro positivo n que que é produto dos primos p, q e r, sabendo que r - q = 2p e rq + p2 = 676.
62. Decomponha 98! Em fatores primos.
64. Com quantos zeros termina o número 1000! ? Qual é a potência de 3 que aparece na decomposição de 1000! em fatores primos?
111
CAPÍTULO 7 NÚMEROS PRIMOS
65. Justifique se o número
93.94. ... .112.113 21!
é inteiro. Em caso afirmativo, calcule o seu valor. 66. Encontrar o maior valor do inteiro n 0 tal que
10200! seja inteiro. 504 n
67. Utilizando o Teorema do Número Primo: a)
Faça uma estimativa (sem muito rigor) de quantos primos de 200 dígitos existem. b) Mostre que entre os números de k-dígitos, um em cada 2, 3k é primo. 68. Qual o menor valor do número natural n que torna n! divisível por 1000?
Capítulo 8:
EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES UM POUCO DE HISTÓRIA SOBRE DIOFANTO
112
Diofanto tem o seu nome ligado à cidade que foi o maior centro de atividade matemática na Grécia antiga. Pouco se sabe acerca da sua vida, o desconhecimento impede-nos mesmo de fixar com segurança em que século viveu. Têm sido sugeridas datas distanciadas de um século, antes ou depois do ano 250 d. C. Por uns versos encontrados no seu túmulo, escritos em forma de um enigmático problema, deduz-se que viveu 84 anos. Positivamente, tal problema não deve ser tomado como o paradigma dos problemas sobre os quais se interessou Diofanto, pois ele pouca atenção deu a equações do 1º grau. Alexandria foi sempre um centro muito cosmopolita e a matemática que se originou nela não era toda do mesmo tipo. Os resultados de Heron eram bem diferentes dos de Euclides ou dos de Apolonios ou dos de Arquimedes, e na obra de Diofanto há novamente uma quebra abrupta da tradição clássica grega. Sabido é que os gregos, na época clássica, dividiram a aritmética em dois ramos: a aritmética propriamente dita como "teoria dos números naturais". Frequentemente, tinha mais em comum com a filosofia platônica e pitagórica do que com o que habitualmente se considera como matemática, e logística ou cálculo prático que estabelecida as regras práticas de cálculo que eram úteis à Astronomia, à Mecânica, etc. O principal tratado de Diofanto conhecido, e que. ao que parece, só em parte chegou até nós, é a "Aritmética". Apenas seis dos livros originais em grego sobreviveram, o número total (13) não passa de uma conjectura. Era um tratado caracterizado por um alto grau de habilidade matemática e de engenho, pelo que pode ser comparado aos grandes clássicos da "Primeira idade Alexandrina", ou seja, da "época de ouro" da matemática grega, no entanto, quase nada têm em comum com esses ou, na verdade, com qualquer matemática grega tradicional. Representa essencialmente um novo ramo e usa um método diferente, dai a época em que possivelmente Diofanto viveu se chamar "segunda idade Alexandrina", conhecida por sua vez por "época de prata" da matemática grega. Diofanto, mais que um cultor da aritmética, e, sobretudo da geometria, como o foram os matemáticos gregos anteriores, deve considerar-se um precursor da álgebra, e, em certo sentido, mais vinculado com a matemática dos povos orientais (Babilônia, Índia,...) que com a dos gregos. A sua "Aritmética” assemelha-se à álgebra babilônica em muitos aspectos, mas enquanto os matemáticos babilônicos se ocupavam principalmente com soluções “aproximadas" de equações "determinadas" e, sobretudo de equações "indeterminadas" do 2º e do 3º graus das formas canônicas, em notação atual, Ax2+Bx+C = y2 e Ax3+Bx2+Cx+D=y2, ou conjuntos (sistemas) destas equações. É exatamente, por esta razão em homenagem a Diofanto -que a esta "Análise indeterminada" se chama “Análise diofantina” ou “Análise diofântica". No desenvolvimento histórico da álgebra considera-se, em geral, que podem ser reconhecidos três estádios: o primitivo ou retórico, em que tudo era completamente escrito em palavras, um intermédio ou sincopado, em que foram adaptadas algumas abreviaturas e convenções, e um final ou simbólico, em que são usados somente símbolos. A "Aritmética" de Diofanto deve ser colocada no segundo estádio; nos seus seis livros há um uso sistemático de abreviaturas para potências de números e para relações e operações.
113
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
3.1. Generalidades A teoria das Equações Diofantinas é o ramo da Teoria dos Números que investiga as soluções inteiras de equações polinomiais, como por exemplo: •
x2 + y2 = z2, possui infinitas soluções representadas pelas ternas ordenadas (x,y,z) conhecidas como ternos pitagóricos.
•
xn + yn = zn, que não possui soluções não nulas para para n > 2, e é conhecida como o Último Teorema de Fermat.
•
y2 = x3 + 17, que é válida, por exemplo, para os seguintes valores positivos: (4,9); (8,23); (43, 282); (52, 375); ...
(2,5) ;
•
Equação de Pell : x 2 dy 2 m , onde d um inteiro positivo que não seja um quadrado e m é um inteiro qualquer. Etc... O tipo mais simples de equação diofantina é a equação diofantina linear com duas incógnitas x e y: ax + by = c onde a, b e c são inteiros dados, sendo ab 0 . Todo par de inteiros x 0 , y 0 tais que a x 0 + b y 0 = c diz-se uma solução inteira ou apenas uma solução da equação ax + by = c. Consideremos, por exemplo, a equação diofantina linear com duas incógnitas: 3x + 6y = 18 Temos: 3.4 + 6.1 = 18 3(-6) + 6.6 = 18 3.10 + 6(-2) = 18 Logo, os pares de inteiros: 4 e 1, -6 e 6, 10 e -2 são soluções da equação 3x + 6y = 18 Existem equações diofantinas lineares com duas incógnitas que não têm solução. Assim, por exemplo, a equação diofantina linear: 2x + 4y = 7
114
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
não tem solução, porque 2x + 4y é um inteiro par quaisquer que sejam os valores inteiros de x e y, enquanto que 7 é um inteiro ímpar (observe-se que 2 = mdc (2, 4) não divide 7). De modo geral, a equação diofantina linear ax + by = c não tem solução todas as vezes que d = mdc (a, b) não divide c, como é óbvio.
3.2. Condição de Existência de Solução Teorema 3.1: A equação diofantina linear ax + by = c tem solução se e somente se d divide c, sendo d = mdc (a, b). Demonstração: Suponhamos que a equação ax + by = c tem uma solução, isto é, que existe um par de inteiros x 0 , y 0 tais que a x 0 + b y 0 = c.
Por ser o mdc (a, b) = d, existem inteiros r e s tais que a = dr e b = ds, e temos: c = a x 0 + b y 0 = dr x 0 + ds y 0 = d(r x 0 + s y 0 ) e como r x 0 + s y 0 é um inteiro, segue-se que d divide c ( d | c ). Reciprocamente, suponhamos que d divide c ( d | c ), isto é, que c = dt, onde t é um inteiro. Por ser o mdc (a, b) = d, existem inteiros x 0 e y 0 tais que
d = a x 0 + b y0 o que implica: c = dt = (a x 0 + b y 0 )t = a(t x 0 ) + b(t y 0 ) isto é, o par de inteiros: x = t x 0 = (c/d) x 0 , y = t y 0 = (c/d) y 0 é uma solução da equação ax + by = c.
115
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
3.3. Soluções da equação ax + by = c. Teorema 3.2: Se d divide c ( d | c ), sendo d = mdc (a, b), e se o par de inteiros x 0 , y 0 é uma solução particular da equação diofantina linear ax + by = c, então todas as outras soluções desta equação são dadas pelas fórmulas: x x0
b a t , y y0 t d d
onde t é um inteiro arbitrário Demonstração: Suponhamos que o par de inteiros x 0 , y 0 é uma solução particular da equação ax + by = c, e seja x1 , y1 uma outra solução qualquer desta equação. Então, temos: a x 0 + b y 0 = c = a x1 + b y1 e, portanto: a( x1 - x 0 ) = b( y1 - y 0 ) Por ser o mdc (a, b) = d, existem inteiros r e s tais que a = dr e b = ds, com r e s primos entre si. Substituindo estes valores de a e b na igualdade anterior e cancelando o fator com d, obtemos: r( x1 - x 0 ) = s( y 0 - y1 ) Assim sendo, r | s(y0 y1 ) , e como o mdc (r, s) = 1, segue-se que r | (y0 y1 ) , isto é: y0 y1 = rt
e
x1 x 0 = st
onde t é um inteiro. Portanto, temos as fórmulas: x1 x 0 st x 0 (b / d)t y1 y0 rt y0 (a / d)t
Estes valores de x1 e y1 satisfazem realmente a equação ax + by = c, qualquer que seja o inteiro t, pois, temos: a x1 + b y1 = a[ x 0 (b / d)t ] + b[ y0 (a / d)t ] = a x 0 + b y 0 + (ab/d – ab/d)t = c + 0.t = c
116
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
Como se vê, se d = mdc (a, b) divide c ( d | c ), então a equação diofantina linear ax + by = c admite um número infinito de soluções, uma para cada valor do inteiro arbitrário t. Corolário 3.1: Se o mdc (a, b) = 1 e se x 0 , y 0 é uma solução particular da equação diofantina linear ax + by = c, então todas as outras soluções desta equação são dadas pelas fórmulas: x x 0 bt , y y0 at
onde t é um inteiro arbitrário. Nota: Uma solução particular da equação diofantina linear se obtém por tentativas ou pelo algoritmo de Euclides. E em ambos os casos a solução geral se pode obter usando o teorema 3.2, conforme se vai ver nos exemplos a seguir. Exemplo 3.1: Determinar todas as soluções inteiras e positivas da equação diofantina linear 18x + 5y = 48 Determinemos o mdc (18, 5) pelo algoritmo de Euclides: 18 = 5.3 + 3 5 = 3.1 + 2 3 = 2.1 + 1 2 = 1.2
18
3
1
1
2
5 3
3 2
2 1
1 0
Portanto, o mdc (18, 5) = 1 e a equação dada tem solução. e para exprimir 1 como combinação linear de 18 e 5 basta eliminar os restos 2 e 3 entre as três primeiras igualdades anteriores do seguinte modo: 1 = 3 – 2 = 3 – (5 – 3) = 2.3 – 5 = 2(18 – 5.3) – 5 = 18.2 + 5(-7) isto é: 1 = 18.2 + 5(-7) e 48 = 18.96 + 5(-336) Logo, o par de inteiros x 0 = 96, y 0 = -335 é uma solução particular da equação proposta, e todas as demais soluções são dadas pelas fórmulas: x = 96 + 5t, y = -336 – 18t onde t é um inteiro arbitrário.
117
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
As soluções inteiras e positivas se acham escolhendo t de modo que sejam satisfeitas as desigualdade: 96 + 5t > 0, -336 – 18t > 0 Isto é: t > 19, 2
e
t < 18, 6
o que implica t = -19 e, portanto: x = 96 + 5(-19) = 1, y = -336 -18(-19) = 6 Assim, o par de inteiros x = 1, y = 6 é a única solução inteira e positiva da equação 18x + 5y = 48. Exemplo 3.2: Resolver a equação diofantina linear 39x + 26y = 105 O mdc (a, b) = 13 e como 13 não divide 105, segue-se que a equação dada não tem solução.
EXERCÍCIOS 1)
Determinar todas as soluções inteiras das seguintes equações diofantinas lineares: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)
118
56x + 72y = 40 24x + 138y = 18 221x + 91y = 117 84x – 438y = 156 48x + 7y = 5 57x – 99y = 77 11x + 30y = 31 27x – 18y = 54 13x – 7y = 21 44x + 66y = 11 21x – 12y = 72 17x + 54y = 8
2)
Determinar todas as soluções inteiras e positivas das seguintes equações diofantinas lineares: a) b) c) d) e) f) g) h)
3)
5x – 11y = 29. 32x + 55y = 771 58x – 87y = 290 62x + 11y = 788 30x + 17y = 300 54x + 21y = 906 123x + 360y = 99 158x – 57y = 7
Determinar o menor inteiro positivo que dividido por 8 e por 15 deixa os restos 6 e 13, respectivamente.
CAPÍTULO 8 EQUAÇÕES DIOFANTINAS LINEARES
4)
Exprimir 100 como soma de dois inteiros positivos de modo que o primeiro seja divisível por 7 e o segundo seja divisível por 11.
5)
Determinar as duas menores frações positivas que tenham 13 e 17 para denominadores e cuja soma seja igual a 305 . 221
6)
Determine todas as soluções inteiras do sistema
2 x 3 y 5 z 201 3 x 5 y 7 z 315
de equações 7)
Encontre todas as soluções da equação Diofantina (6x+15y)(8x+7y) = 129.
8)
Uma pessoa foi ao banco para descontar um cheque no valor de x reais e y centavos. O caixa do banco errou na leitura do valor do cheque e pagou y reais e x centavos. A pessoa guardou o dinheiro no bolso sem verificar a quantia. No caminho de casa, ela gastou cinco centavos e quando chegou em casa verificou que tinha exatamente o dobro do valor do cheque. Sabendo-se que essa pessoa não levou dinheiro nenhum consigo quando foi ao banco, pergunta-se qual era o valor do cheque.
9)
Um grupo de pessoas gastou 1000 dólares num hotel. Sabendo-se que apenas alguns dos homens estavam acompanhados pelas esposas e que cada homem gastou 19 dólares e cada mulher gastou 13 dólares, pede-se determinar quantas mulheres e quantos homens estavam no hotel.
13) O laboratório Sangue Bom, dispõe de 2 máquinas para examinar amostras de sangue. Uma delas examina 15 amostras de cada vez, enquanto a outra examina 25. Quantas vezes essas máquinas devem ser acionadas para examinar exatamente 2 mil amostras? 14) Num determinado lugar a moeda é o mirrél. Suponhamos que só existam moedas de 15 e 7 mirréis e que se queira pagar uma determinada quantia em mirréis. Será que é sempre possível? E se existirem moedas de 12 e 30 mirréis? 15) Para agrupar 13 aviões em filas de 3 ou de 5, exatamente quantas filas serão formadas de cada tipo? 16) Para participar de um evento comemorativo em um clube, não sócios pagavam R$ 12,00 e sócios R$ 8,00. Sabendo-se que foram arrecadados R$ 908,00 na portaria, quantos sócios estiveram no evento? 17) Um pato custa 10 mirréis, uma pata 6 mirréis, e três patinhos 2 mirréis. Com 200 mirréis um fazendeiro comprou 200 dessas aves. Quantos patos, patas e patinhos foram comprados? 18) Demonstrar que se a e b são inteiros positivos primos entre si, então a equação diofantina ax – by = c têm um número infinito de soluções inteiras e positivas.
10) Um grupo de pessoas gastou 690 dólares num hotel. Sabendo-se que apenas alguns dos homens estavam acompanhados pelas esposas e que cada homem gastou 18 dólares e cada mulher gastou 15 dólares, pede-se determinar quantas mulheres e quantos homens estavam no hotel. 11) Ao entrar num bosque, alguns viajantes avistam 37 montes de maçãs. Após serem retiradas 17 frutas, o restante foi dividido igualmente entre 79 pessoas. Qual pode ter sido a parte de cada pessoa? 12) Sabendo que um time de basquete é composto de 5 jogadores e um time de vôlei é formado por 6 jogadores. Quantas quadras de basquete e quantas de vôlei são necessárias para que 80 alunos joguem simultaneamente qualquer um dos esportes? E se forem 77 alunos?
119
Capítulo 9
CONGRUÊNCIAS 9.1. Congruências Definição 9.1 Sejam a e b inteiros quaisquer e seja m >1 um inteiro positivo fixo. Diz-se que a é congruente a b módulo m se, e somente se, m divide a diferença a – b. Em outros termos a é congruente a b módulo m se, e somente se, existe um inteiro k tal que a – b = km Simbolicamente: a b (mod m) m | ( a – b ) a - b = km a = km + b Exemplos 9.1 3 24 (mod 7) ; –31 11 (mod 6) ; –15 –63 (mod 8) Definição 9.2 Se m não divide a diferença a – b, então diz-se que a é incongruente a b módulo m. Notação: a b (mod m)
Observações: 1) Dois inteiros quaisquer são congruentes módulo 1 2) Dois inteiros são congruentes módulo 2, se ambos são pares ou ambos são ímpares 3) a 0 (mod m) se, e somente se, m | a.
9.2. Caracterização de Inteiros Congruentes Teorema 9.1 Dois inteiros a e b são congruentes módulo m se, e somente se, a e b deixam o mesmo resto quando divididos por m. Demonstração: ( ) Suponhamos que a b ( mod m). Então, pela definição: a – b = km, k Z
120
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Seja r o resto da divisão de b por m; então pelo algoritmo da divisão: b = mq + r, 0 r < m Portanto: a = km + b = km + mq + r = (k + q)m + r e isto significa que r também é o resto da divisão de a por m, isto é, os inteiros a e b divididos por m deixam o mesmo resto r. ( ) Reciprocamente, suponhamos que a e b divididos por m deixam o mesmo resto r. Então, podemos escrever: a = mq1 + r e b = mq2 + r , 0 r < m e, portanto: a – b = ( q1 – q2) m m(a – b) a b ( mod m)
9.3. Propriedades das Congruências Teorema 9.2 Seja m um inteiro positivo fixo (m > 1) e sejam a, b e c inteiros quaisquer. Valem as propriedades: 1) a a (mod m) (Reflexiva) 2) Se a b (mod m), então b a (mod m) (Simétrica) 3) Se a b (mod m) e se b c(mod m), então a c (mod m) (Transitiva) Demonstração: (1) (2)
a0 ou seja, a(a –a), o que implica: a a (mod m) Se a b (mod m), então a – b = km, k z.
Portanto: b – a = -(km) = (-k)m b a (mod m) (3) Se a b (mod m) e se b c (mod m), então existem inteiros h e k tais que a– b = hm e b – c = km Portanto: a – c = (a - b) + (b - c) = hm + km = (h + k)m
121
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
e isto significa que a c (mod m).
Nota: Consoante este teorema, as relação binária R no conjunto Z dos inteiros definidas por aRb a b (mod m) é reflexiva, simétrica e transitiva, ou seja, R é uma relação de equivalências em Z. Esta relação de equivalência R em z é denominada “congruência módulo m” .
Teorema 9.3 Seja m um inteiro positivo fixo (m > 1) e sejam a, b dois inteiros quaisquer. Valem as seguintes propriedades: 1) Se a b (mod m) e se n | m, com n > 0, então a b (mod n) Demonstração: Com efeito: a b (mod m) a – b =km e n m m = nq
onde k e q >0 são inteiros. Portanto: a –b = (kq)n a b (mod n) 2) Se a b (mod m) e se c > 0 , então ac bc (mod mc) Demonstração: Com efeito, se a b (mod m), então: a – b = km ac – bc = k(mc) ac bc (mod mc)
3) Se a b (mod m) e se a, b, m são todos divisíveis pelo inteiro d > 1, então a b m ) (mod d d d Demonstração: Com efeito, se a b (mod m), então:
a - b = km
122
a b m a b m = k( ) (mod ) d d d d d d
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Teorema 9.4 Seja m um inteiro positivo fixo (m > 1) e sejam a, b, c, d inteiros quaisquer. Valem as seguintes propriedades: 1) Se a b (mod m) e se c d (mod m), então a + c b + d (mod m) m).
e ac bd (mod
Demonstração: Se a b (mod m) e se c d (mod m), então existem inteiros h e k tais que a – b = hm e c – d = km.Portanto: (a + c) – (b + d) = (a - b)+ (c- d) = (h + k)m e ac – bd = (b + hm) (d + km) - bd = (bk + dh + hkm)m o que implica: a + c b + d (mod m) e ac bd (mod m)
2) Se a b (mod m) e c um inteiro qualquer, então a + c b + c (mod m) m).
e ac bc (mod
Demonstração: Temos: a b (mod m) e c c (mod m) Logo, pela propriedade anterior: a + c b + c (mod m) e ac bc (mod m) Em particular, se c = -1, então: a (-1) b(-1) (mod m)
3)
ou -a -b (mod m)
Se a b (mod m), então an bn (mod m) para todo inteiro positivo n.
Demonstração: Usando o “Teorema da indução Matemática”, a proposição é verdadeira para suposta verdadeira para o inteiro positivo k temos:
n = 1, e
a k b k (mod m) e a b (mod m) Portanto, pela propriedade 1 acima
123
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
a k .a b k .b (mod m) ou ak+1 bk+1 (mod m) isto é, as proposição é verdadeira para o inteiro positivo k + 1. logo, a preposição é verdadeira para todo inteiro positivo n. Teorema 9.5: Se ac bc (mod m) e se o mdc(c,m) = d, então a b (mod
m ) d
Demonstração: Com efeito, se ac bc (mod m), então: ac – bc = (a – b)c = km , com k Z.
Como o mdc (c,m) = d, existem inteiro r e s tais que c = dr e m = ds, onde r e s são primos entre si. Portanto: (a – b) dr = kds
ou
(a - b)r = ks
o que implica que s(a – b)r, com o mdc (r,s) = 1. Logo, pelo Teorema 5.4 ( de Euclides): s m m (a – b) e a b (mod s) ou, por ser s = , a b (mod ). d d Corolário 9.1 Se ac bc ( mod m) e se o mdc (c,m) = 1, então a b (mod m). Esta propriedade mostra que é permitido cancelar fatores de ambos os membros de uma congruência que são primos com o módulo. Corolário 9.2 Se ac bc (mod p), com p primo, e se p não divide c, então a b (mod p) Demonstração: Com efeito, as condições: p não divide c e p é primo, implicam que o mdc(c, p) = 1.
9.4. Sistemas Completos de Restos Definição 9.3 Chama-se sistema completo de restos módulo m todo conjunto S = {r1 , r2 , ... , rm} de m inteiros tal que um inteiro qualquer a é congruente módulo m a um único elemento de S. Exemplo 9.2: Cada um dos conjuntos: {1, 2, 3} , {0, 1, 2} , { –1, 0, 1} , {1, 5, 9} é um sistema completo de restos módulo 3.
124
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Teorema 9.6 O conjunto S = {0,1, 2, ..., m – 1} é um sistema completo de restos módulo m. Demonstração: Com efeito, o conjunto S tem m elementos e, além disso, qualquer que seja o inteiro a temos, pelo algoritmo da divisão: a = mq + r, com 0 ≤ r ≤ m o que implica a ≡ r (mod. m), e como o resto r só pode assumir os m valores 0, 1, 2, ..., m-1, segue-se que o inteiro a é congruente módulo m a um único desses m inteiros. Corolário 9.3 Se S = {r1 , r2 , ... , rm} é um sistema completo de restos módulo m, então os elementos de S são congruentes módulo m aos inteiros 0, 1, 2, ... , m – 1, tomados numa certa ordem. Demonstração: Com efeito, se a é um inteiro qualquer, então: a ≡ r1 (mod. m), com r1 Є S a ≡ k (mod. m), com 0 ≤ k ≤ m-1 o que implica: r1 ≡ k (mod. m).
9.5 – Aritmética Módulo m Definição 9.4.: Seja a um inteiro. Chama-se classe de congruência de a módulo m (m > 1) o conjunto formado por todos os inteiros que são congruentes a a módulo m. Denotamos esse conjunto por a . Temos, então: a = { x Z ; x a (mod m) }
Como x a (mod m), se e somente se, x é da forma x = a + k.m, para algum k Z, também podemos escrever: a = { a + k.m | k Z }
Mostraremos a seguir que a relação de congruência entre números se traduz em igualdade no sentido estrito entre classes. Proposição 9.1: Sejam a e b inteiros. Então a b (mod m), se e somente se, a b . Demonstração: Suponhamos que a b (mod m), queremos provar que a = b , isto é, uma igualdade entre conjuntos. Dado x a , temos por definição que x a (mod m). Da propriedade transitiva de congruência e da hipótese, segue imediatamente que x b . Logo, a b . A inclusão b a em sentido contrário segue de forma análoga.
125
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Reciprocamente, se a = b , como a a , temos também que a b , logo, a b (mod m). Corolário 9.4: Sejam a e b inteiros. Se a b , então a b = . Demonstração: Se a b = , consideremos um inteiro c que pertença a ambas as classes. Como c a , temos que c a (mod m) e, de forma análoga, c b (mod m). Portanto, a b (mod m) e, da proposição acima, a = b . Note que, por exemplo, para as classes módulo 7, temos que 0 7 14 7 ... ou 4 11 3 ... etc. Mais precisamente, dada uma classe a , para qualquer inteiro x tal que x a , temos que x = a . Por causa disto, cada inteiro pertencente a uma dada classe diz-se um representante daquela classe. Por exemplo, 11 e – 3 são representantes da classe 4 módulo 7. Consideremos um sistema completo de classes ou resíduos módulo m, por exemplo, os inteiros 0, 1, ..., m – 1 e suas respectivas classes: 0 = { 0, m, 2.m, 3.m, ... }
1 = { 1, 1 m, 1 2.m, 1 3.m, ... }
... m 1 = { m – 1, m – 1 m, m – 1 2.m, m – 1 3.m, ... }
Conforme já foi considerado, cada inteiro pertence a uma e apenas uma das m classes. Por exemplo, se m = 7, todas as classes possíveis, módulo 7, são as seguintes: 0 = { 0, 7, 14, 21, ... }
1 = { 1, 1 7, 1 14, 1 21, ... }
2 = { 2, 2 7, 2 14, 2 21, ... } 3 = { 3, 3 7, 3 14, 3 21, ... }
4 = { 4, 4 7, 4 14, 4 21, ... } 5 = { 5, 5 7, 5 14, 5 21, ... } 6 = { 6, 6 7, 6 14, 6 21, ... }
Denotaremos pelo símbolo Z m o conjunto das classes de congruências módulo m e o chamaremos de Conjunto dos Inteiros Módulo m. Assim, Z7 = { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 }.
126
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Note que, por exemplo, 0 = 7 , 1 = 15 , 2 = 9 , 3 = 11 , 4 = 25 , 5 = 16 , 6 = 8 e também podemos escrever:
Z7 = { 7 , 15 , 9 , 11 , 25 , 16 , 8 }.
Em geral, se { a1, a2, ..., am } é um sistema completo de restos módulo m, temos que: Z m = { a 1 , a 2 , ..., am }
Tomando o sistema de restos mais simples, podemos escrever: Z m = { 0 , 1 , 2 , ..., m 1 }
Note que, conforme as observações acima, o conjunto Z m tem precisamente m elementos.
9.6. Adição e Multiplicação em Z m Agora gostaríamos de introduzir operações de soma e produto em Z m e estudar suas propriedades. Existe uma forma natural de fazê-lo. Por exemplo, para somar e multiplicar 3 e 6 em Z7, faríamos:
3 + 6 =9 = 2 3 . 6 = 18 = 4
127
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Exemplificando a adição e a multiplicação em uma “tabuada” módulo 7: +
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Observações: Observe, na tabela de adição, o conceito de inverso aditivo módulo m. Dizemos que dois elementos de Z m são inversos aditivos, se e somente se, a b 0(mod m) . Assim, por exemplo, 4 e 3 são inversos aditivos módulo 7, uma vez que 4 3 0(mod 7) .
Mais explicitamente, definimos soma e produto em Zm por: 3 + 6 =9 = 2 3 . 6 = 18 = 4
Quer dizer, para efetuar a soma de duas classes módulo m, tomamos representantes (quaisquer) a e b dessas classes, efetuamos a soma a + b em Z e consideramos como resultado da soma a classe de a + b módulo m . A operação de produto se faz de forma análoga. Surge agora uma pergunta natural: será que o resultado das operações não depende dos representantes escolhidos? Voltando ao exemplo de Z7 , para somar 3 + 6 , poderíamos tomar 38 como um representante de 3 e 27 como representante de 6 . Será que 38 + 27 = 65 é o mesmo resultado que aquele obtido acima, 3 + 6 = 2 ? A resposta é afirmativa. Como 65 2 (mod 7), felizmente o resultado é o mesmo. O lema abaixo mostra que isso não é uma mera coincidência. Lema 9.1: Sejam a, a’, b e b’ inteiros tais que a = a' e b = b' . Então, a b = a'b' e a . b = a' . b' .
Demonstração: É uma conseqüência imediata das propriedades. Proposição 9.2: Em Z m valem as seguintes propriedades:
128
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
(P1) Propriedade Associativa: Para toda terna a , b , c de inteiros módulo m, tem-se que: a + ( b + c )=( a + b )+ c
(P2) Existência do Elemento Neutro: Existe um único elemento em Z m que é precisamente 0 a classe do elemento 0, tal que: a + 0 = a , para todo a Z m (P3) Existência do Elemento Oposto: Para cada inteiro módulo m, a , existe um único elemento em Zm que chamaremos oposto de a e indicaremos por a , tal que: a + ( a ) = 0 (P4) Propriedade Comutativa: Para todo par a , b de elementos de Zm tem-se que: a + b = b + a. Demonstração: As demonstrações são feitas apoiando-se nos axiomas para as operações com números inteiros. A título de ilustração, provaremos P1 e P3. (P1)Utilizando repetidamente a definição de soma em Z m , temos: a + ( b + c ) = a + ( bc ) = a( bc )
Agora, como vale a associativa da soma entre números inteiros, ou seja: a+(b+c)=(a+b)+c temos que: a ( b c ) = ( a b ) c logo, a + ( b + c ) = a ( b c ) = ( a b ) c = ( a + b ) + c Na última sequência de igualdade usamos, novamente, apenas a definição de soma em Z m . ( P3) Dado a Z m , basta tomar a classe a e verificar que: a + ( a ) = a ( a ) = 0
Para provar a unicidade, suponhamos que b Z m também verifica a + b = 0 ou, usando da comutatividade, b + a = 0 . Temos então: b = b + 0 = b + ( a + ( a) ) = ( b + a ) + ( a) = 0 + ( a) = a.
A verificação de P2 é imediata. Note, porém, que a classe do elemento neutro é formada também pelos múltiplos de m. Temos, assim, que 0 = m . Da demonstração de P3 vem que o oposto de a em Z m é a classe a = – a . É claro que, se explicitamos Z m na forma Z m = { 0 , 1 , 2 , ..., m 1 } e a é um dos representantes utilizados, então – a não é um deles. Para obter o menor representante positivo da classe de – a, fazemos: a = 0 + ( a) = m + ( a) = m – a = m a
Por exemplo, em Z7 temos que 2 = 0 – 2 = 7 – 2 = 7 2 = 5 (de fato, 2 + 5 = 7 = 0 ).
129
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Listamos na próxima proposição as propriedades do produto e a propriedade distributiva, que relaciona ambas as operações. Proposição 9.3: Em Z m valem as seguintes propriedades: (P5) Propriedade Associativa: Para toda terna a , b , c de inteiros módulo m, tem-se que: a . ( b . c )=( a . b ). c (P6) Existência do Elemento Neutro: Existe o único elemento em Z m que é precisamente 1 , tal que: a . 1 = a . (P7) Propriedade do Elemento Oposto: Comentário mais adiante. (P8) Propriedade Comutativa: Para todo par a , b de elementos de Z m tem-se que: a . b = b . a. (P9) Propriedade Distributiva: Para toda terna a , b , c de elementos de Zm tem-se que: a . (b + c ) = a .b + a .c . Demonstração: Tal como na proposição anterior, deixaremos as demonstrações como exercício. São feitas reduzindo-as ao caso dos inteiros. Você deve ter notado que não listamos uma propriedade P7 que, no paralelismo que estávamos fazendo com as propriedades das operações nos inteiros, corresponderia à propriedade cancelativa. Isso ocorreu porque ela não é válida em geral. Com efeito, por exemplo, em Z6 temos que 3 . 2 = 6 = 0 , 3 . 4 = 12 = 0 ; logo, 3 . 2 = 3 . 4 , porém 2 4 . No contra-exemplo acima, temos dois elementos não-nulos de Z6 cujo produto é zero, situação que não acontece em Z . Para melhor estudar a propriedade cancelativa, começaremos formalizando esse conceito. Definição 9.5: Um elemento não-nulo a Z m diz-se um divisor de zero se existe b Z m , também não-nulo, tal que a . b = 0 . Agora, determinaremos quais são os divisores de zero em Zm . Lema 9.2: Um elemento não-nulo a Z m é divisor de zero, se e somente se, m.d.c.(a, m) 1. Demonstração: Seja a um divisor de zero e b 0 um elemento de Z m tal que a . b = 0 . Como a . b = b . a = 0 , temos que a.b 0 (mod m), isto é, m divide a.b (representamos por “m | a.b”). Supondo por absurdo que m.d.c.(a, m) = 1, o Teorema de Euclides diz que para a e b inteiros tais que a | b.c, se m.d.c.(a, b) = 1, então a | c , assim, vem que m | b, logo, b = 0 , uma contradição. Reciprocamente, suponhamos que m.d.c.(a, m) = d > 1. Vamos determinar um elemento b 0 em Zm tal que a . b = 0 . Podemos escrever a = a1 . d , e m = m1 . d, em que 0 < m1 < m (já que d > 1). Logo, m1 0 . Agora, temos que: a . m1 = ( a1 . d ) . m1 = a1 . ( d . m1 ) = a1 . m
130
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Logo, em Zm temos: a . m1 = a1 . m = 0
Assim, basta tomar b = m1. Como consequência imediata deste Lema temos o Corolário abaixo. Corolário 9.5: Seja p > 1 um inteiro primo. Então, Z p não contém divisores de zero. Vale também a recíproca. Lema 9.3: Se Z m não contém divisores de zero, então m é primo. Demonstração: Suponhamos, por absurdo, que m seja composto, isto é da forma m = r . s com 1 < r < m, 1 < s < m. Temos, então, que: 0 = m = r . s em que r 0 e s 0, uma contradição. Proposição 9.4: A propriedade cancelativa do produto vale em Z m , se e somente se, m é primo. Demonstração: Suponhamos inicialmente que m seja primo, e sejam a , b , c elementos de Z m , com a 0, tais que a . b = a . c . Então, a .( b – c ) = 0.
Como a 0 e Z m não tem divisores de zero, deve ser b – c = 0, donde b = c . Suponhamos que a propriedade cancelativa seja válida, mostraremos que nesse caso que Z m não contém divisores de zero. A tese seguirá então do Lema anterior. Sejam a , b Zm tais que a . b = 0 . Se a 0 , escrevemos a . b = a . 0 e, como podemos cancelar, temos que b = 0. Para continuar nosso estudo comparativo de Z com Z m , introduzimos ainda outro conceito. Definição 9.6: Um elemento a Z m diz-se inversível se existe a' Z m tal que a . a' = 1. Um elemento a' nessas condições diz-se um inverso de a . O conjunto dos elementos de Z m que têm inversos é muito importante. Vamos denotá-lo por (m). Em outras palavras, (m) = { a Z m ; m.d.c.(a, m) = 1 } No caso de m ser primo, todas as classes diferentes de 0 possuem inverso.
131
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Os únicos elementos inversíveis de Z são 1 e –1. Obviamente, 1 e 1 são sempre inversíveis em Z m . Porém há outros exemplos. Em Z5 temos que 2 . 3 = 6 = 1 e 4 . 4 = 16 = 1 , logo 2 , 3 e 4 são também inversíveis de Z5, 2 é o inverso de 3 e, reciprocamente, 4 é o seu próprio inverso. Em Z6 temos que 5 . 5 = 25 = 1 ; logo, 5 é um inversível de Z6. Por outro lado, é claro que 0 não é inversível em Z m , para nenhum valor de m. De fato, para qualquer a Z m temos que 0 . a = 0 1 . Observe as tabelas de multiplicação em Z6 e em Z7. *
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Com exceção de 0, todos os elementos em Z7 (7 é primo) possuem inverso, enquanto que em Z6 (6 não é primo), apenas 1 e 5 possuem inverso. Isso está de acordo com a proposição abaixo. Proposição 9.5: Seja a um elemento não-nulo de Z m . Então, a é inversível, se e somente se, m.d.c.(a,m) = 1. Demonstração: Suponhamos que m.d.c.(a, m) = 1. O Teorema de Bézout afirma que sendo a e b inteiros, d = m.d.c.(a, b). Então existem inteiros r e s tais que d = r.a + s.b . Também, existem inteiros r e s tais que a.r + m.s = 1. Tomando classes temos que: 1 = a.r m.s = a.r + m.s = a . r + m . s = a . r + 0 . s = a . r
Logo, r é o inverso de a . Reciprocamente, se m.d.c.(a, m) 1, então a é divisor de zero e existe b 0 tal que a . b = 0 . Mostraremos que, nesse caso, a não pode ser inversível. Com efeito, suponhamos que existe a' tal que a.a' = 1 . Teríamos, então: b = b . 1 = b .( a.a' ) = ( b . a ). a' = ( a . b ). a' = 0 . a' = 0 , uma contradição. Uma consequência imediata da proposição anterior é a seguinte:
132
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Corolário 9.6: Seja p > 0 um inteiro primo. Então, todo elemento não-nulo de Z p é inversível. Exemplo 9.3: Veja na “tabuada” de Z11 que todo elemento não nulo, possui um inverso: *
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1
9.7. Subtração em Z m
A operação de subtração no sistema aritmético módulo m, tal como na aritmética comum, é definida em termos de adição. Na aritmética comum, podemos achar a resposta para 13 – 4, procurando o número que somado a quatro nos dê 13. Como 4 + 9 = 13, o número 9 é a resposta do problema 13 – 4 = 9. Você deve ter usado muito este processo ao conferir resultados de subtrações. Na verificação adicionamos a diferença ao subtraendo para ver se a soma se iguala ao minuendo. Dizemos que a subtração é a operação inversa da adição. Usando os elementos mód. 7, resolva o problema de subtração 6 – 5 = ? Qual é o elemento que somado a 5 resulta em 6? Da tabela da adição mód. 7, 5 + 1 = 6. Portanto, podemos substituir 1 no lugar do ponto de interrogação, e 6 – 5 = 1. Na aritmética comum, não podemos subtrair 5 – 6 sem termos um resultado negativo. Os números negativos não são necessários na subtração mód. m. No problema 5 – 6 = ?, procuramos um elemento que somado a 6 nos dê 5. A tabela da adição nos revela que a soma de 6 + 6 é 5. Portanto, 6 pode substituir o? e 5 – 6 = 6.
133
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Você encontrará outros problemas de subtração nesse sistema que são bem diferentes e interessantes. Considere o problema 4 – 5 = n, onde n é a resposta. Pela nossa definição de subtração n + 5 deve ser 4. Qual é o número que somado a 5 em mód. 7 é 4? Da tabela da adição, vemos que n = 6 e, portanto, 4 – 5 = 6. Neste sistema finito, 1 - 4 = 4 – 1? No primeiro membro, qual é o elemento que somado a 4 dá 1? Como 4 + 4 = 1, 1 – 4 = 4. Do mesmo modo, temos que achar um número que somado a 1 resulta em 4. Como 1 + 3 = 4, 4 – 1 deve ser 3. Você vê, portanto, que 1 – 4 ≠ 4 – 1 e a propriedade comutativa não é válida para a operação subtração. A tabela abaixo resume o que foi dito.
Z7 -
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9.8. Divisão em Z m
Não é necessário usar frações se você trabalhar no sistema aritmético de módulos. Como é isto possível? Vamos considerar a operação de divisão. Na divisão de números naturais, verificamos as respostas, multiplicando o quociente pelo divisor para chegarmos ao dividendo. Assim, 125 ÷25 = 5 pois 5 . 25 = 125. A operação divisão, na aritmética módulo m, também pode ser definida como operação inversa da multiplicação. Por exemplo, usando o mód.7, o problema 5 ÷ 4 é resolvido encontrando um número n, tal que n . 4 = 5. Já que completamos a tabela de multiplicação mód. 7 podemos usála para achar a resposta. Temos que, 3 . 4 = 5 e, portanto, 5 ÷ 4 = 3. Qual é a resposta de 6 ÷ 3? Como 2 . 3 = 6, a resposta ao problema 6 ÷ 3 é 2. Neste sistema a divisão, quando existe, é sempre exata. 3 1 Se, consideramos a expressão 3 ÷ 2 como sendo o mesmo que e 1 ÷ 3 o mesmo que , 2 3 teremos uma interessante vantagem na aritmética de módulos.
134
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
3 1 3÷2=5 e também 1÷ 3 = 5 2 3
As frações são rapidamente substituídas por algum elemento do sistema mód. 7. Uma expressão tal 1 2 como 4 é simplificada de modo análogo. 1 3 3 A fração
1 é equivalente a 2, pois em mód. 7, 4 . 2 = 1. 4
Portanto, 2
1 1 é equivalente a 2 + 2, ou 4. O denominador, 3 , é igual a 1, pois 3 4
1 4 5 e 3 + 5 = 1 em mód. 7. Finalmente 4 , pois 1 . 4 = 4. 1 3
Considere o problema 2 ÷ 6 em aritmética mód. 7. Neste caso, temos que achar a resposta n, tal que n . 6 = 2. Como 5 . 6 = 2, então 2 ÷ 6 = 5. Entretanto, se mudarmos o problema para 6 ÷ 2 teremos uma resposta totalmente diferente. No caso de 6 ÷ 2 a resposta é 3, pois 3 . 2 = 6. É evidente que 6 ÷ 2 não é igual a 2 ÷ 6, portanto, a propriedade comutativa não se verifica na divisão módulo m. A tabela abaixo resume o que foi dito. Z7
÷
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1
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3
2
1
Podemos resolver facilmente o problema 3.x = 0, usando a multiplicação de números naturais da aritmética comum. Sabemos que o produto é 0; portanto, o numero que devemos colocar no lugar de x deve ser o zero. Você já deve ter visto muitas vezes a afirmação de que se um produto é zero, pelo menos um dos fatores deve ser igual a zero. Isto não é sempre verdade! Pelo menos não é verdade em alguns sistemas aritméticos finitos. É possível um problema de divisão ter mais de uma resposta? Você deve estar imaginando que isto nunca é possível. Entretanto, no sistema aritmético módulo m isso pode ocorrer. Consideremos sistema módulo 6. Neste sistema, 4 ÷ 4 = 1. Isto não deve ser estranho para você, mas acontece que 4 ÷ 4 também é igual a 4 na aritmética mód. 6. Vamos explorar este sistema finito mais detalhadamente.
135
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
Já vimos que os sistemas aritméticos módulo m, podem ser divididos em duas categorias: o de módulo primos e não- primos. Consideremos os sistemas aritméticos onde m é não-primo. Vamos usar como exemplo o módulo 6. Na tabela completa de multiplicação abaixo, notamos alguns padrões um pouco estranhos. Quando a tabela é simétrica com relação a diagonal, dizemos que a operação é comutativa. Entretanto, repare nos produtos resultantes da multiplicação por 2. Além do estranho resultado de 2 . 3 ser igual a 0, apesar de nenhum fator ser 0. E nesta multiplicação só temos como respostas o 0, 2 e 4. *
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1
Do mesmo modo, somente teremos respostas 0 ou 3 na multiplicação por 3. Estes fatos tornarse-ão mais significativos quando estudarmos a divisão neste sistema. Alguma vez você trabalhou num problema de matemática durante tanto tempo, sem conseguir resolvê-lo? Você deve ter começado a desconfiar que talvez o problema não tivesse solução. Isto pode parecer estranho, mas alguns problemas em matemática não tem solução para as condições dadas. Isto acontece com a divisão no sistema da aritmética de módulos não-primos. Seja calcular 5 ÷ 1(mod 6), quer dizer, um número tal que, quando multiplicado por 1 dá o produto 5. Em termos gerais, a ÷ b = c ,tal que c . b = a . Podemos ver na tabela de multiplicação que 1 . 5 = 5, portanto, 5 ÷ 1 = 5. Deparamos com uma situação diferente no problema 4 ÷ 2. A tabela de multiplicação mostra claramente que 2 . 2 = 4 e também 2 . 5 = 4. Portanto, ambos os elementos 2 e 5 satisfazem aos requisitos para o quociente 4 ÷ 2. Mas há mais! No problema 5 ÷ 3, procuramos um quociente n, tal que n . 3 = 5. Olhe a tabela de multiplicação para módulo 6. Não há um número n tal que n . 3 = 5. O problema 5 ÷ 3 não tem resposta neste sistema. Verifique as respostas na tabela da divisão módulo 6 completa absixo. Relacione estas respostas com a tabela de multiplicação desenvolvida anteriormente. A divisão por zero é excluída. Na tabela abaixo, e nas demais, estaremos considerando cada um dos elementos da primeira linha como o dividendo e cada um dos elementos da primeira coluna como o divisor. Dividendo
136
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
÷
1
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1; 4
-
2; 5
-
3
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-
1; 3; 5
-
-
4
-
2; 5
-
1; 4
-
5
5
4
3
2
1
Divisor
Exemplo 9.4: Construa as tabelas de multiplicação e divisão módulo 8.
* 1 2 3 4 5 6 7
1 1 2 3 4 5 6 7
2 2 4 6 0 2 4 6
3 3 6 1 4 7 2 5
÷ 1 2 3 4 5 6 7
1 1 3 5 7
2 2 1; 5 6 2 3; 7 6
3 3 1 7 5
4 4 0 4 0 4 0 4
4 4 2; 6 4 1; 3; 5;7 4 2; 6 4
5 5 2 7 4 1 6 3
6 6 4 2 0 6 4 2
5 5 7 1 3
6 6 3; 7 2 6 1; 5 2
7 7 6 5 4 3 2 1
7 7 5 3 1
9.9. Potenciação em Z m Exponenciação Rápida Sejam a e n inteiros positivos. Temos que
137
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
k
n=
n 2
i
i
i=0
é a expansão binária de n. Os coeficientes n i são 0 ou 1. Portanto k
ni 2i
a n a i=0
k
= (a 2 ) ni i
i=0
i
a2
0i k i n i 1
Com isto, desenvolvemos a seguinte ideia: 1. 2.
i
Calculamos os quadrados sucessivos de a 2 , 0 i k . i Determinamos a n como o produto daqueles a 2 para os quais n i =1 .
Observe que a 2 (a 2 )2 i+1
i
i+1
i
Portanto, a 2 pode ser calculado de a 2 por uma elevação ao quadrado. Vejamos um exemplo: Seja calcular 144823 (mod1037) . Primeiro façamos a expansão binária de 823: 823 = (1100110111)2 Escrevamos essa expansão na base dez: (1100110111)2 = 29 + 28 + 25 + 24 + 22 + 21 + 20 (1100110111)2 = 512 + 256 + 32 + 16 + 4 + 2 + 1 Logo, 144823 = 144512 . 144256 . 14432 . 14416 . 1444 . 1442 . 1441 Agora, calculemos cada uma das potências por uma elevação sucessiva á potência 2. 144 144 (mod 1037) 1442 1033 (mod 1037) 1444 16 (mod 1037) 1448 256(mod 1037) 14416 205(mod 1037) 14432 545(mod 1037)
138
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
14464 443(mod 1037) 144128 256(mod 1037) 144256 205(mod 1037) 144512 545 Assim, 144823 545.205.545.205.16.1033.144
mod1037
= 766.766.117 mod1037 = 851.117 mod1037 = 99567 mod1037 = 15 mod1037
Conclusão: 144823 15 (mod 1037). Voltaremos a falar deste assunto, depois de estudarmos o Algoritmo Chinês do Resto e o Pequeno Teorema de Fermat. Leitura: Teste de Primalidade Circular O Teste de Primalidade Circular é, em termos gerais, semelhante à verificação tradicional de primalidade de dividir um inteiro N > 1 pelos primos menores ou iguais ao piso da raiz quadrada de N. A principal diferença entre o Teste Circular e o método tradicional é que, neste caso, os divisores não são todos primos. Podemos também perceber uma diferença no que diz respeito ao desempenho. O Teste Circular, também pode ser considerada um tipo especial de crivo.
Procedimento O primeiro passo consiste em escolher uma pequena quantidade dos primeiros primos. Por exemplo, escolhe-se os primos 2, 3 e 5.
139
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
As classes de congruências que serão consideradas, terão módulo m igual ao produto desses primos: m = 2 . 3 . 5 = 30 Em seguida, toma-se todos os inteiros positivos menores que 30 que não sejam múltiplos de 2, 3, e 5 ( relativamente primo com 30). Elaborando uma pequena tabela, e removendo os múltiplos, obtém-se: 1 7 13 19 25
2 8 14 20 26
3 9 15 21 27
4 10 16 22 28
5 11 17 23 29
6 12 18 24 30
Os números que não foram marcados formam a base do crivo: 1, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29 (módulo 30). Cada um desses números indicará as classes de congruências módulo 30 que serão utilizadas, ou seja,
1,7,11,13,17,19, 23 e 29 .
Finalmente, semelhante ao método tradicional, para se verificar que um dado número N é primo, divide-se N pelos primos iniciais, usados para gerar m, e pelos elementos das classes de congruências (com exceção do 1) que sejam maiores que, ou iguais a N . Se N não for divisível por nenhum desses termos, então N é primo. Um exemplo prático Para verificar se 3331 é primo, define-se o limite superior 3331 = 57. Em seguida, dividese 3331 pelos primos iniciais 2, 3, 5 e por todos os elementos das classes
1,7,11,13,17,19, 23 e 29 (mod 30), que não ultrapassam o valor de 57, até se obter um resto zero ou a divisão chegar ao último elemento das classes (mod 30) sem se obter uma divisão exata, o que signficará que 3331 é primo. Sejam as classes com seus respectivos elementos menores que 57: 1 {1, 31,...}
7 {7,37,...} 11 {11, 41,...} 13 {13, 43...}
17 {17, 47,...} 19 {19, 49,...}
23 {23,53,...}
29 {29,...} . Assim, os elementos das classes, que não ultrapassam o valor 57, com exceção do 1, serão usados para o teste de primalidade de 3331 e mais os primos 2, 3 e 5, ou seja, dividiremos 3331 pelos seguintes números :
140
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 49, 53. Observe que nesta lista, diferente do método tradicional, temos o número 49 que não é primo! Como 3331 não divisível por nenhum desses números, então ele é primo. Nota: É claro que um inteiro maior que 5, que é “candidato” a primo não pode ser par e nem terminar em 5. Logo, a divisão por 2 e 5 devem ser descartadas, bem como por 1. Qualquer candidato a primo,obrigatoriamente deverá ser um ímpar que termine em 1 ou 3 ou 7 ou 9.
Uma forma indireta de crivo É claro que o aparecimento de números compostos na sequências dos prováveis divisores de N é uma mera consequência teórica. Antes que um N seja divisível por um composto, já terá sido divisível por algum primo que seja um divisor deste composto. Uma vantagem deste método é não ser preciso saber se um número é ou não primo para usá-lo como provável divisor, como acontece no método tradicional. Pelo Teorema de Dirichlet, existem infinitos primos em cada classe de congruência a módulo m. O que podemos afirmar é que, na sequência dos números a serem usados, se houver divisores de N, o menor deles é necessariamente um primo de uma das classes de congruências. Isso nos dá um método indireto para saber se um número é primo, ou seja, uma forma indireta de crivo. Vamos exemplificar: Queremos saber se N = 3127 é composto. Se existirem números que dividam N em alguma das classes a serem usadas, então o menor desses divisores é primo. De fato, seja 3127 55 . Consideremos m = 2.3 = 6, logo as classes módulo 6 são:
1={7,13,19,25,31,37,43,49,55}
5={11,17,23,29,35,41,47,53}
Da classe 5 , temos que 53 é o menor divisor de 3127, logo 53 é primo.
EXERCÍCIOS 1) Verdadeiro (V) ou falso (F) a) 91 0 (mod.7). b) 3 + 5 + 7 5 (mod.10). c) –2 2 (mod.8). d) 112 1 (mod.3).
e) f)
17 9 (mod.2). 42 -8 (mod.10).
2) Verdadeiro (V) ou falso (F)
141
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS x 3 (mod.5) x { .... –7, -2, 3, 8, 13 .... }. b) 5 -1 (mod.6) e -1 -7 (mod.6) 5 -7 (mod.6). a)
3) Achar o menor inteiro positivo que represente a soma: a) 5 + 3 + 2 + 1 + 8 (mod. 7) b) 2 + 3 – 1 + 7 – 2 (mod.4) 4) Sabendo-se que 1766 1066 (mod. m), achar todos os possíveis valores do módulo m. 5) Exprimir que “n é ímpar” de três outras maneiras. 6) Achar todos os inteiros x tais que 0 < x < 15 e 3x 6 (mod. 15) 7) Achar todos os inteiros x tais que 1 < x < 100 e x 7 (mod. 17) 8) Sabendo-se que k 1 (mod. 4), mostrar que 6k + 5 3 (mod. 4) 9) Mostrar, mediante um exemplo, que a2 b2 (mod.m) não implica a b (mod.m). 10) Mostrar que todo primo ímpar é congruente módulo 4 a 1 ou 3. 11) Mostrar que todo primo maior que 3 é congruente módulo 6 a 1 ou 5. 12) Mostrar que a) 1110 1 (mod 100) b) 31000 + 3 é divisível por 28. 13) Mostrar que 41 divide 220 – 1. 14) Achar os restos das divisões de: a) 250 por 7 b) 4165 por 7 c) 25100 + 11500 por 3. d) 35555 por 80. e) 51000 por 126. f) 3399300 + 29 por 13 15) Mostrar que a) 89 | 244 – 1. b) 97 | (248 – 1) c) 13| 270 + 370 d) n| 1n 2n ... (n 1) n ,, n ímpar. 16) Demonstrar que, se a b (mod. m) então mdc(a, m) = mdc(b, m).
142
17) Mostrar, mediante um exemplo, que ak bk (mod. m) e k j não implica aj bj. 18) Demonstrar as seguintes proposições: a) Se a é um inteiro ímpar então a2 1 (mod. 8) b) Se a é um inteiro qualquer, então a3 0, 1 ou 8 (mod. 9). c) Se a é um inteiro qualquer, então a3 a (mod. 6). 19) Mostre que 7 divide 22225555+55552222. 20) Determine o resto da divisão de 61987 por 37. 21) Prove que 7 divide 32n+1+2n+2 para todo natural n. 77
22) Determine o algarismo das unidades de 7 . 23) Determine os infinitos valores positivos de n tal que 2n +27 seja divisível por 7. 24) Prove que 2k −5, k 4 nunca deixa resto 1 quando dividido por 7. 25) Prove que 4 divide 12233 . 455679+876533 26) Prove que 11. 31. 61 | 2015 - 1. 27) Calcular o resto da divisão do n = (116 + 1717)21 por 8.
inteiro
28) Calcular o resto da divisão do inteiro 7100 + 11100 por 13 29) Mostrar que o inteiro n = 13 divisível por 3.
16
–2
43
.5
17
é
30) Mostrar que a expressão 3.5²n+1 + 2³n+1 é divisível por 17, sendo n um inteiro positivo qualquer. 31) Mostrar que o número de 2³² + 1 é divisível por 641. 32) Demonstrar que, se o inteiro positivo n não é divisível por 4, então a soma: S = 1n + 2n + 3n + 4n é divisível por 5. 33) Determinar todos os inteiros positivos n para os quais 2n + 1 é divisível por 3. 34) Mostrar que 63! 61! (mod 7) 35) Mostrar que não existe inteiro algum n que verifique as condições: n 5 (mod 12) e n 4 (mod 15)
CAPÍTULO 9 CONGRUÊNCIAS
36) Na divisão do inteiro n por 10 o quociente é q e o resto é r, tais que 2r – q 0 (mod 7). Mostrar que 7n. 37) Determinar quais dos seguintes conjuntos são sistemas completos de restos módulo 4. a) { -2, -1, 0, 1} b) {0, 4, 8, 12} c) { -13, 4, 17, 18 } d) {–5, 0, 6, 22 } 38) Determinar quais dos seguintes conjuntos são sistemas completos de restos módulo 6. a) { 1, 2, 3, 4, 5} b) {0, 5, 10, 15, 20, 25} c) {-4, -3, -2, -1, 0, 1} d) {17, -4, 6, 7, 10, 3} 39) Achar um sistema completo de restos {p1, p2, ...pi, ..., p7} módulo 7, tal que todo pi é primo. 40) Achar um sistema completo de restos módulo 7 formado só de múltiplos não negativos de 4. 41) Se n é um múltiplo positivo de 4, qual o resto da divisão de 1n + 2n + ... + 8n + 9n por 10? 42) Mostre que 121n – 25n + 1900n – (–4)n é divisível por 2000, para todo natural n.. 43) Determinar o algarismo das unidades do número 3100. 44) Que valores de a e b tornam o número 30a0b03 divisível por 13? 45) Determine para que inteiros positivos n, 2n –1 é divisível por 7. 46) Prove que 2n + 1 nunca é divisível por 7, para qualquer inteiro positivo n. 47) Demonstre que para todo inteiro n 0 , 17 é um divisor de 34n + 2 + 26n + 3. 48) Determine o algarismo das dezenas do número 7999999. 49) Determine o resto da divisão por 7 do número 2 3 100 1010 1010 1010 ... 1010 . 50) Mostre que, para todo n natural, temos 102n +1 + 1 0 (mod 11).
143
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Capítulo 10
TEOREMAS DE FERMAT, WILSON e EULER Fermat foi um dos poucos matemáticos amadores famosos. Filho de um rico comerciante de couro, pôde se dedicar completamente aos estudos. Por influência de sua mãe, descendente de uma família de juristas, estudou leis na Universidade de Orleans e formou-se em advocacia. Trabalhou durante toda sua vida na corte de justiça de Toulouse. Foi nomeado juiz e ocupava os seus momentos de folga em diversos lazeres, entre os quais a poesia e a Matemática. Seu interesse pela matemática iniciou-se em 1629 com o estudo dos trabalhos de Apolônio (matemático grego, 260 A.D.) sobre curvas planas. Trocava correspondência com os maiores matemáticos da época, como Torricelli, Roberval, Huyghens e Pascal, e, dessa forma relatava suas descobertas. Jamais publicou seus trabalhos de nenhuma outra forma, mas o conteúdo das cartas de Fermat é atualmente incluído em todos os textos usuais de teoria dos números. Seu interesse na teoria dos números surgiu após ler o livro Aritmética de Diofanto (matemático grego, 200 A.C.) e alguns dos problemas propostos por Fermat, nesta área, eram tão difíceis que somente muitos anos mais tarde foram provados. Um desses problemas afirmava que "todo número inteiro pode ser escrito como a soma de no máximo quatro quadrados" e foi provado em 1770, pelo matemático francês Lagrange. Entretanto, seu resultado mais famoso resistiu por mais de 350 anos e inspirou a publicação, em 1996, do bestseller O Último Teorema de Fermat. Este teorema diz que “se n é um natural maior que 2, então não existem números inteiros x, y e z que satisfaçam a equação xn + yn = zn”. Isto foi provado definitivamente, em 1994, pelo matemático inglês Andrew Wiles (repare que no caso n = 2 o teorema é satisfeito por todos os ternos pitagóricos, isto é, por inteiros que satisfaçam o Teorema de Pitágoras).
144
CAPĂ?TULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
10.1. O Pequeno Teorema de Fermat Teorema 10.1 (â&#x20AC;&#x153;Pequeno Teorema de Fermatâ&#x20AC;? â&#x20AC;&#x201C; PTF): se p ĂŠ primo e se o MDC(p, a) = 1, entĂŁo: apâ&#x20AC;&#x201C;1 ď&#x201A;ş 1 (mod p) Demonstração: consideremos os (p â&#x20AC;&#x201C; 1) primeiros mĂşltiplos positivos de a, isto ĂŠ, os inteiros đ?&#x2018;&#x17D;, 2đ?&#x2018;&#x17D;, 3đ?&#x2018;&#x17D;, â&#x20AC;Ś , (đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1)đ?&#x2018;&#x17D;. Nenhum desses (p â&#x20AC;&#x201C; 1) inteiros ĂŠ divisĂvel por p e, alĂŠm disso, dois quaisquer deles sĂŁo incongruentes mĂłdulo p, pois, se fosse: đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D; â&#x2030;Ą đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D; (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;?),
1â&#x2030;¤đ?&#x2018;&#x; <đ?&#x2018;&#x17D; â&#x2030;¤đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1
entĂŁo, o fator comum a poderia ser cancelado, visto que o MDC(a, p) = 1, e terĂamos: đ?&#x2018;&#x; â&#x2030;Ą đ?&#x2018; )đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;?) o que ĂŠ impossĂvel, porque 0 < s â&#x20AC;&#x201C; r < p. Assim sendo, cada um dos inteiros a, 2a, 3a, ..., (p â&#x20AC;&#x201C; 1)a ĂŠ congruente mĂłdulo p a um Ăşnico dos inteiros 1, 2, 3, ..., p â&#x20AC;&#x201C; 1, considerados numa certa ordem, e por conseguinte, multiplicando ordenadamente todas essas p â&#x20AC;&#x201C; 1 congruĂŞncias, teremos: đ?&#x2018;&#x17D;. 2đ?&#x2018;&#x17D;. 3đ?&#x2018;&#x17D; â&#x20AC;Ś (đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1)đ?&#x2018;&#x17D; â&#x2030;Ą 1.2.3 â&#x20AC;Ś . (đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1)(đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;?) ou seja, đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 (đ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; 1)! â&#x2030;Ą (đ?&#x2018;? = 1)! (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;?) Como o MDC (p, (p â&#x20AC;&#x201C; 1)!) = 1, porque p ĂŠ primo e p nĂŁo divide (p â&#x20AC;&#x201C; 1)!, podemos cancelar o fator (p â&#x20AC;&#x201C; 1)!, o que dĂĄ a congruĂŞncia de Fermat: đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;1 â&#x2030;Ą 1 (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x2018; đ?&#x2018;?) Exemplo 10.1: seja o primo p = 7 e o inteiro a = 3 tais que 7 nĂŁo divide 3, temos os p â&#x20AC;&#x201C; 1 = 6 primeiros mĂşltiplos positivos de 3: 3, 6, 9, 12, 15, 18. Nenhum desses 6 inteiros ĂŠ divisĂvel por 7, todos sĂŁo incongruentes mĂłdulo 7, e cada um deles ĂŠ congruente mĂłdulo 7 a um Ăşnico dos inteiros 1, 2, 3, 4, 5, 6: 3 ď&#x201A;ş 3 (mod 7), 6 ď&#x201A;ş 6 (mod 7), 9 ď&#x201A;ş 2 (mod 7), 12 ď&#x201A;ş 5 (mod 7), 15 ď&#x201A;ş 1 (mod 7), 18 ď&#x201A;ş 4 (mod 7). Multiplicando ordenadamente essa 6 congruĂŞncias, temos: 3 . 6 . 9 . 12 . 15 . 18 ď&#x201A;ş 3 . 6 . 2 . 5 . 1 . 4 (mod p)
145
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
ou seja, 36 . 6! 6! (mod 7) Como o MDC(7, 6!) = 1, podemos cancelar o fator comum 6!, que resulta em: 36 1 (mod 7) Corolário 1: se p é um primo, então ap a (mod p), qualquer que seja o inteiro a. Demonstração: se p divide a, então a 0 (mod p) e ap 0 (mod p), que implica em: ap a (mod p) Se, ao invés disto, p não dividisse a, então pelo PTF: ap–1 1 (mod p), e ap a (mod p) A Recíproca do Pequeno Teorema de Fermat Pelo corolário 1, se p é primo, então 2p 2 (mod p), isto é, p | (2p – 2). Entretanto, a recíproca “se n | (2n – 2), então n é primo” não é uma proposição verdadeira, e os inteiros positivos ímpares compostos que satisfazem essa condição são chamados de pseudoprimos. Antes de mostrarmos esse fato, vamos demostrar um lema técnico. Lema: se p e q são primos distintos tais que ap a (mod q) e aq a (mod p), então: apq a (mod p.q) Demonstração: pelo corolário 1 e da hipótese, temos: (aq)p aq (mod p) aq a (mod p) apq a (mod p) (ap)q ap (mod q) aq a (mod q) apq a (mod q) Portanto, p | (apq – a), e q | (apq – a), que implica em: (p.q) | (apq – a), isto é, apq a (mod p.q)
Pelo corolário 1, se p é primo, então 2p 2 (mod p), isto é, p | (2p – 2). Por exemplo, 2341 2 (mod 341), isto é, 341 | (2341 – 2), onde o inteiro 341 = 11.31 é composto. Com efeito, temos:
146
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
210 = 1024 = 3.11.31 + 1 que implica em 210 1 (mod 11), e 210 1 (mod 31) Portanto, 211 2 (mod 31), e 231 2.(210)3 (mod 11) 2.(1)3 (mod 11) 2 (mod 11) Como os inteiros 11 e 31 são primos distintos, temos, de acordo com o Teorema 2: 211.31 2 (mod 11.31), isto é, 2341 2 (mod 341), ou que 2340 1 (mod 341) Congruência que mostra ser falsa a recíproca do PTF. Logo, 341 é um pseudoprimo na base 2. Definição 1 (Pseudoprimos): todo inteiro positivo composto n tal que 2n 2 (mod n) se chama um pseudoprimo para a base 2. Há um número infinito de pseudoprimos para a base 2, mas somente sete são menores que 2000, e todos ímpares: 341 = 11 . 31 645 = 3 . 5 . 43 1387 = 16 . 73 561 = 3 . 11 . 17 1105 = 5 . 13 . 17 1729 = 7 . 13 . 19
Nota: O primeiro exemplo de um pseudoprimo par para a base 2 foi dado pelo matemático americano LEHMER em 1950. O menor deles é 161038 = 2 . 73 .1103 e, em 1951, BEEGER mostrou a existência da infinidade de pseudoprimos pares para a base 2. Teorema 10.3: seja um inteiro a > 1 e um primo p > 2.
n
ap 1 ap 1 a2p 1 a2 1 a 1 a 1
é um pseudoprimo na base a. Demonstração: pelo PTF,
147
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
ap 1 ap 1 (mod p) 1 (mod p) a 1 a 1 e se verifica facilmente que estes números são ímpares, de onde n 1 (mod 2.p), ou n = 2.k.p + 1, para um k inteiro. Assim, como a2p 1 (mod n), temos: an a2kp+1 (mod n) (a2p)k . a (mod n) a (mod n) Existe uma infinidade de pseudoprimos de base a > 1. Façamos a demonstração no caso de a = 2. Proposição 1: se n é um pseudoprimo de base 2, então 2n – 1 também é um pseudoprimo de base 2. Demonstração: dada a igualdade (xt – 1) = (x – 1).(x(t–1) + x(t–2) + ... + x2 + x + 1), sejam d, k tais que n = d.k, d > 1, k < n, e seja m = 2n – 1. Então m é composto.Para isto, basta considerar na igualdade acima x = 2d e t = k. Por hipótese 2n–1 1 (mod n) e, portanto, existe k > 0 tal que 2n–1 – 1 = k.n. Assim, n
2m1 1 2(2
2)
n1
1 22.(2
1)
1 22km 1
Voltando à igualdade acima e fazendo x = 2n e t = 2.k, concluímos que 2m–1 – 1 é um múltiplo de m = 2n – 1, ou seja 2m–1 1 (mod m) 2m 2 (mod m). Concluímos assim que m é um pseudoprimo de base 2. Corolário 2: existe uma infinidade de pseudoprimos de base 2. Demonstração: basta notar que 341 é um pseudoprimo de base 2 e aplicar sucessivamente a proposição anterior.
Nota: O fato de existir uma infinidade de pseudoprimos em qualquer base não implica a existência de uma infinidade de pseudoprimos.
148
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
EXERCÍCIOS 1) Verificar o PTF com a = 2 e p = 13.
b) 23n 1 (mod 7)
2) Verificar o PTF com a = 3 e p = 17.
14) Achar todos os primos p tais que p | (2p + 1).
3) Verificar utilizando o PTF: a) 1850 2 (mod 7) b) (b) 19933 8 (mod 31)
15) Demonstrar que 1105 | (31105 – 3) [sugestão: PTF].
4) Mostrar que 538 4 (mod 11) pelo PTF. 5)
16) Demonstrar que 161038 é um pseudoprimo para a base 2, i.e., que 161038 | (2161038 – 2).
Mostrar que o inteiro 117 é composto usando o PTF.
17) Mostrar que 2047 é um pseudoprimo para a base 2.
6) Achar o algarismo das unidades do inteiro 3400 com o auxílio do PTF.
18) Mostre que 341 não é um pseudoprimo para a base 3.
Sendo a um inteiro, mostrar que n5 e n têm o mesmo algarismo das unidades.
19) Mostrar que 561 é um pseudoprimo para a base 2, 3 e 5.
7)
8) Demonstrar que 13 | (270 + 370) através do PTF. 9) Demonstra que 22225555 + 55552222 é divisível por 7 . 10) Achar o resto da divisão de 21137 por 17 com a ajuda do PTF. 11) Mostrar que, se o MDC(a, 35) = 1, então a12 1 (mod 35). 12) Demonstrar que, para todo inteiro a, se tem: a) a13 a (mod 7) b) a37 a (mod 13) c) a21 a (mod 15) d) a7 a (mod 42) 13) Demonstrar que, para todo inteiro positivo n, se tem: a) 22n 1 (mod 3)
20) Demonstrar que se 7 não divide n, 1996 (mod 7).
então n6
21) Demonstrar que se MDC(n, 7) = 1 | (n12 – 1).
então, 7
22) Demonstrar que se MDC(a, 240) = 1, então 240 é um divisor de a4 – 1. 23) Demonstrar que todo primo maior que 5 divide um inteiro formado só de algarismos 1. 24) Demonstrar que para todo inteiro positivo n, temos que (n3 – n).(58n+4 + 34n+2) é um múltiplo de 3804. 25) Prove que 15 divide 3n5 5n3 7 n . 26) Prove que 91 divide a12 b12 , onde a e b são relativamente primo com 91.
10.2. TEOREMA DE WILSON Teorema 10.4 (Teorema de Wilson): se p é um primo, então (p – 1)! –1 (mod p). Demonstração: o teorema é verdadeiro para p = 2 e para p = 3, pois:
149
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
(2 – 1)! = 1! = 1 –1 (mod 2) (3 – 1)! = 2! = 2 –1 (mod 3) de modo que vamos supor p 5. Consideremos a congruência linear a.x 1 (mod p), onde a é um dos (p – 1) primeiros inteiros positivos 1, 2, 3,..., p – 1 de modo que o MDC(a, p) = 1. Nestas condições, existe um único inteiro positivo a’, com 1 a’ p – 1, tal que a.a’ 1 (mod p) Como p é primo, tem-se que a = a’ se e somente se a = 1, ou a = p – 1, visto que a2 1 (mod p) implica em (a – 1).(a + 1) 0 (mod p) e, portanto, a – 1 0 (mod p), ou (a + 1) 0 (mod p) isto é, a = 1 ou a = p – 1. Nota: Este teorema foi descoberto primeiramente por John Wilson (1741 - 1793), estudante do matemático inglês Edward Waring. Waring anunciou o teorema em 1770, embora nenhum deles tenha conseguindo prová-lo. Lagrange deu a primeira prova em 1773. Há uma evidência que Leibniz estava ciente do resultado um século antes, mas nunca o publicou. Exemplo 10.2: Com p = 13, existe um único inteiro positivo a’, com 1 a’ p – 1, tal que a.a’ 1 (mod p) a a'
1 1
2 7
3 9
4 10
5 8
6 11
7 2
8 5
9 3
10 4
11 6
12 12
p3 2 pares (a, a’), com a a’ tais que a.a’ 1 (mod p). Então, multiplicando ordenadamente todas p3 essas congruências, obtemos a congruência: 2
Omitindo os inteiros 1 e p – 1, com os p – 3 restantes: 2, 3, ..., p – 2 podemos formar
2 . 3 . ... . (p – 2) 1 (mod p), ou (p – 2)! 1 (mod p) ou, multiplicando por (p – 1): (p – 1)! (p – 1) (mod p) –1 (mod p) que é a própria congruência de Wilson.
150
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Com p = 13, por exemplo, os 10 inteiros 2, 3,..., 11 dão lugar a 5 pares tais que o produto dos inteiros de cada par é congruente a 1 módulo 13: 2.7 1 (mod 13) 4.10 1 (mod 13) 6.11 1 (mod 13) 3.9 1 (mod 13) 5.8 1 (mod 13) multiplicando ordenadamente essas cinco congruências, obtemos: (2.7) . (3.9) . (4.10) . (5.8) . (6.11) 11! (mod 13) 1 (mod 13) e, portanto, 12! 12 (mod 13) –1 (mod 13) isto é, (p – 1)! –1 (mod p), com p = 13 Recíproca do Teorema de Wilson: “se (n – 1)! –1 (mod p), então n é primo”. Demonstração: a recíproca é verdadeira. Suponhamos, por absurdo, que o inteiro n é composto. Então, n tem um divisor d tal que 1 < d < n, de modo que d é um dos fatores do produto: 1 . 2 . 3 . ... . (n – 1) = (n – 1)! e, portanto, d | (n – 1)!. Mas, por hipótese n | (n – 1)! + 1, e como d | n, segue-se que: d | (n – 1)! + 1, e d | 1 o que é absurdo, visto que d > 1. Logo, n não possui divisores menores que ele mesmo e diferentes de 1, ou seja, n é primo. Nota: Este teorema recíproco dá um critério para se reconhecer se um inteiro dado é primo. Mas, do ponto de vista prático, no momento ainda é de interesse apenas teórico, pois o cálculo de fatoriais exigiria muito tempo. Teorema 10.5 (Teorema de Leibniz): um inteiro n > 1 é primo, se e somente se, (n – 2)! 1 (mod n)
151
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Demonstração: () suponhamos que o inteiro n > 1 é primo. Então, pelo teorema de Wilson: (n – 1)! –1 (mod n) obviamente, (n – 1)! = (n – 1). (n – 2)! – (n – 2)! (mod n) portanto, (n – 2)! 1 (mod n) () reciprocamente, se (n – 2)! 1 (mod n), então: (n – 1)! – (n – 2)! –1 (mod n) Logo, pelo recíproco do Teorema de Wilson, o inteiro n é primo.
EXERCÍCIOS
1) Verificar o Teorema de Wilson para p = 5 e para p = 7.
2) Mostrar que 11, 13, 17 e 19 são primos usando o Teorema de Wilson.
3) Mostrar que 8 é composto usando o Teorema de Wilson.
4) Achar o resto da divisão de 15! por 17.
5) Mostrar que 18! + 1 0 (mod 437).
6) Sendo p um primo ímpar, demonstrar que 2.(p – 3)! –1 (mod p).
7) Verificar o Teorema de Leibniz com o primo p = 13.
8) Usando o Teorema de Leibniz, mostrar que 17 é primo.
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CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
9) Formar com os inteiros 2, 3, 4, ... , 21, todos os pares de a e b tais que a.b 1 (mod 23).
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CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
10.3. TEOREMA DE EULER Leonhard Euler (15/04/1707 – 18/07/1783) foi um matemático e físico de origem suíça. Nasceu na Basiléia, filho do pastor calvinista Paul Euler (lê-se “óiler”) que, desprezando seu prodigioso talento matemático, determinou que ele estudasse Teologia e seguiria a carreira religiosa. Daniel e Nikolaus Bernoulli convenceram o pai de Euler a permitir que seu filho trocasse o hábito pelos números. Euler, logo após, deixou a Suíça, indo para os palácios de Berlim e São Petersburgo, onde passou os mais criativos anos de sua vida. Os governos da Europa estavam interessados em usar a Matemática para resolver problemas práticos e competiam entre si para empregar os melhores cérebros. Durante sua vida resolveu enorme quantidade de problemas, da navegação às finanças, da acústica à irrigação. A solução de tais problemas, que atendiam aos reclamos do mundo prático, não o entediava, principalmente porque cada novo trabalho inspirava-o para criar uma Matemática nova e engenhosa. Era capaz de escrever vários trabalhos em um único dia com os cálculos completos e prontos para serem publicados. Conseguiu provar o uma conjectura de Fermat relativa aos números primos. Fermat afirmava que o primeiro tipo de número primo sempre era representado pela soma de números ao quadrado enquanto que o segundo jamais o seria. Esta propriedade dos números primos é extremamente simples, porém, ao tentar provar que isto é uma verdade para qualquer número primo, torna-se extremamente difícil. Em 1749, depois de sete anos de trabalho e quase cem anos após a morte de Fermat, conseguiu apresentar esta prova. Ao final de vida estava completamente cego. Aliás, já era cego de um olho desde os vinte anos, o que não o perturbara em nada. Certa vez disse: “agora eu terei menos distrações”. Aos sessenta anos foi acometido por catarata que o cegou completamente. Apesar disto, continuou a produzir Matemática por mais sete anos. Seu imenso conhecimento permitia-lhe criar conceitos sem ter que colocá-los no papel e sua memória fenomenal permitia-lhe usar seu cérebro como uma biblioteca mental. Passou os anos finais de sua vida na Rússia, então sob a proteção de Catarina, a Grande. Definição 2: chama-se função aritmética toda função f definida no conjunto dos naturais e com valores no conjunto dos inteiros, i.e., toda função f de em (f : ) . Definição 3: uma função aritmética f se diz multiplicativa se f(r.s) = f(r) . f(s), para todo par de inteiros positivos r e s, tais que o MDC(r, s) = 1.
154
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
10.4. FUNÇÃO TOTIENT (n) Definição 4: Chama-se Função Totient a função aritmética assim definida para todo inteiro positivo n: (n) = quantidade de inteiros positivos menores que n relativamente primos a n. Em outros termos, (n) é igual ao número de elementos do conjunto #{ x
| 1 x < n, MDC(x, n) = 1 }
Observação: (1) = 1, pois MDC(1, 1) = 1. Exemplo 10.3: (30) = 8 e (12) = 4. n (n)
1 1
2 3 4 5 6 7 8 1 2 2 4 2 6 4 Tabela de (n) para os dez primeiros inteiros positivos.
9 6
10 4
Teorema 10.6: A Função Totient é uma função aritmética multiplicativa. Demonstração: sejam r e s dois inteiros positivos tais que o MDC(r, s) = 1. Cumpre demonstrar que (r.s) = (r) . (s). A proposição é verdadeira se r ou s é igual a 1, pois, temos: Se r = 1, (r.s) = (1.s) = (s) = 1 . (s) = (1) . (s) = (r) . (s) Se s = 1, (r.s) = (r.1) = (r) = (r) . 1 = (r) . (1) = (r) . (s) Suponhamos, pois, que r > 1 e s >1. Neste caso, todos os inteiros de 1 a r.s podem ser dispostos em r colunas com s inteiros em cada uma delas, do seguinte modo: 1 2 r+1 r+2 2.r + 1 2.r + 2 ... ... (s – 1).r + 1 (s – 1).r + 2
... h ... r+h ... 2.r + h ... ... ... (s – 1).r + h
... r ... 2.r ... 3.r ... ... ... s.r
Como o MDC(q.r + h, r) = MDC(h, r), os inteiros da h-ésima coluna são primos com r, se e somente se, h é primo com r. Além disto, como na primeira linha o número de inteiros que são primos com r é igual a (r), segue que há somente (r) colunas formadas com inteiros que são todos os primos com r. Por outro lado, em cada uma destas (r) colunas existe precisamente (s) inteiros que são primos com s, porque na progressão aritmética: h, r + h, 2.r + h, ..., (s – 1).r + h
155
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
onde o MDC(r, h) = 1, o número de termos que são primos com s é igual a (s). Assim sendo, o número total de inteiros que são primos com r e s, isto é, que são primos a r.s, é igual a (r).(s), e isto significa que (r.s) = (r) . (s).
10.5 – CÁLCULO DE (n) Teorema 10.7: seja p um primo, então (p) = p – 1. Demonstração: () Se n > 1 é primo, então cada um dos inteiros positivos menores que n é primo com n e, portanto, (n) = n – 1. () Reciprocamente, se (n) = n – 1, com n > 1, então n é primo, pois, se n fosse composto, teria pelo menos um divisor d tal que 1 < d < n, de modo que pelo menos dois dos inteiros 1, 2, 3,..., n não seriam primos com n, d e n, isto é, (n) n – 2. Logo, n é primo. Teorema 10.8: se p é primo e se k é um inteiro positivo, então 1 (pk) = pk – pk–1 = pk . 1 p
Demonstração: obviamente, o MDC(pk, n) = 1, se e somente se, p não divide n, e entre 1 e pk existem pk–1 inteiros que não são primos com pk, que são todos os múltiplos de p: p, 2.p, 3.p, ..., p2, ..., p3, ..., pk segue-se que o conjunto {p, 2p, 3p, ..., p2, ..., p3, ..., pk} contém exatamente pk – pk–1 inteiros que são relativamente primos a pk, de modo que pela definição da função (n) de Euler, temos: (pk) = pk – pk–1 Teorema 10.9: se n = p1k . pk2 . pk3 . ... . pkr é a decomposição canônica do inteiro n > 1, então: 1
2
3
r
1 1 1 (n) = p1k1 p1k1 1 . pk22 pk22 1 . ... . prkr prkr 1 n. 1 . 1 . ... . 1 p1 p2 pr
ou seja, r
r
i 1
i 1
k k 1 (n) = ( pi i pi i ) n. (1
156
1 ) pi
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Demonstração: usaremos o Teorema da Indução Matemática sobre r, número de fatores primos distintos de n. A proposição é verdadeira para r = 1. Suponhamos, então, a proposição verdadeira para r = i. Como o MDC p1k . pk2 . ... . pkr , pkr+1 1, e (n) é uma função aritmética multiplicativa, 1
2
r
r+1
temos:
r+1 p1k . pk2 . ... . prk p1k1 . pk22 . ... . pkr r . pkr+1 1
2
r
. p k r+1 r+1
ou seja,
r+1 p1k . pk2 . ... . prk p1k1 . pk22 . ... . pkr r . pkr+1 1
2
r
. p
k r+1 r+1
r+1 1 pkr+1
ou, à vista da hipótese de indução: k p1k . pk2 . ... . prk . pr+1 p1k p1k 1 . pk2 pk2 1
2
r
r+1
1
1
2
2 1
. ... . p
kr r
r+1 r+1 1 p kr r 1 . p kr+1 p kr+1
e isto significa que a proposição é verdadeira para r = i + 1. Logo, a proposição é verdadeira para todo inteiro positivo r. Teorema 10.10: Para todo inteiro positivo n > 2 , (n) é um inteiro par Demonstração: Se n é uma potência de 2, isto é, n 2 k , com k 2 , então:
1 2
(n) (2k ) 2k (1 ) 2 k 1 que é um inteiro par. Se, ao invés, n não é uma potência de 2, então n é divisível por um primo impar p, isto é: n p k m , onde k 1 e o mdc( p k , m) 1 E como ( n) é uma função aritmética multiplicativa temos:
(n) ( p k ) (m) p k 1 ( p 1) (m) que é também um inteiro par, por que 2 | ( p 1) . Assim, ( n) é um inteiro ímpar somente para n = 1 e n = 2: (1) (2) 1
157
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Teorema 10.11 (Teorema de Euler): Se n é um inteiro positivo e se MDC(a, n) = 1, então a(n) 1 (mod n) Provaremos, primeiramente, o seguinte lema: “Sejam a e n > 1 inteiros tais que o MDC(a, n) = 1. Se a1, a2, ..., a(n) são inteiros positivos menores que n e que são relativamente primos com n, então cada um dos inteiros a.a1, a.a2, ..., a.a(n) é congruente módulo n a um dos inteiros a1, a2, ..., a(n) (não necessariamente nesta ordem em que aparecem).” Demonstração: os inteiros a.a1, a.a2, ..., a.a(n) são mutuamente incongruentes módulo n, pois, se a.ai a.aj (mod n), com 1 i j (n), como o MDC(a, n) = 1, podemos cancelar o fator comum a, o que dá ai aj (mod n) n | (aj – ai). Isto é impossível, visto que (aj – ai) < n. Por outro lado, como o MDC(ai, n) = i, i = 1, 2, ..., (n) e o MDC(a, n) = 1, segue que o MDC(a.ai, n) = 1. Mas, pelo algoritmo da divisão, a.ai = n.qi + ri, 0 ri < n, que implica em a.ai ri (mod n), com 0 ri < n portanto, MDC(ri, n) = MDC(a.ai, n) = 1, de modo que ri é um dos inteiros a1, a2, ..., a(n), isto é, cada um dos inteiros a.a1, a.a2, ..., a.a(n) é congruente módulo n a um único dos inteiros a1, a2, ..., a(n), em uma certa ordem. Provemos, agora, o Teorema de Euler: A proposição é verdadeira para n = 1, pois a(1) 1 (mod 1). Suponhamos, pois, n > 1, e sejam a1, a2, ..., a(n) os inteiros positivos menores que n e relativamente primos a n. Como o MDC(a, n) = 1, então, pelo Lema acima, os inteiros a.a1, a.a2, ..., a.a(n) são congruentes módulo n aos inteiros a1, a2, ..., a(n), em uma certa ordem: a.a1 a1*, a.a2 a2*, ..., a.a(n) a(n)* onde a1*, a2*, ..., a(n)* denotam os inteiros a1, a2, ..., a(n) em uma certa ordem. Multiplicando ordenadamente todas essas (n) congruências, obtemos: (a.a1).(a.a2). ... .(a. a(n)) a1* . a2* . ... . a(n)* (mod n) ou seja,
a(n) . (a1 . a2 . ... . a(n)) a1 . a2 . ... . a(n) (mod n)
Cada um dos inteiros a1, a2, ..., a(n) é relativamente primo a n, de modo que podem ser sucessivamente cancelados, o que dá a congruência de Euler: a(n) 1 (mod n) Nota: se p é um primo, (p) = p – 1, e se o MDC(a, p) = 1, então: a(p) ap–1 (mod p) 1 (mod p)
158
CAPĂ?TULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
que ĂŠ a congruĂŞncia de Fermat. Assim, o Teorema de Euler ĂŠ uma generalização do teorema de Fermat. CorolĂĄrio 3: Se m > 1, k ď&#x201A;ł 0, n ď&#x201A;ł 0 e a um inteiro qualquer sĂŁo tais que, MDC(a, m) = 1 e k ď&#x201A;ş n (mod ď Ś(m)) entĂŁo, ak ď&#x201A;ş an (mod m). Demonstração: basta considerar o caso em que k > n. Como k ď&#x201A;ş n (mod ď Ś(m)) existe q ď&#x201A;ł 1 tal que k â&#x20AC;&#x201C; n = q . ď Ś(m) e, portanto, ak = akâ&#x20AC;&#x201C;n . an = aq.ď Ś(n) . an = (aď Ś(n))q . an ď&#x201A;ş an (mod m) Exemplo 10.4: sejam a = 5, m = 6, k = 8 e n = 2. Temos ď Ś(6) = 2, e 8 ď&#x201A;ş 2 (mod 2). Como 52 ď&#x201A;ş 1(mod 6), entĂŁo 58 ď&#x201A;ş 1 (mod 6) e desta forma, 58 ď&#x201A;ş 52 (mod 6).
10.6. RESOLUĂ&#x2021;Ă&#x192;O DE CONGRUĂ&#x160;NCIAS LINEARES PELO TEOREMA DE EULER A congruĂŞncia linear a.x ď&#x201A;ş b (mod m) no caso em que o MDC(a, m) = 1, admite uma Ăşnica solução mĂłdulo m, que se pode facilmente obter usando o Teorema de Euler. Realmente, temos: ak = akâ&#x20AC;&#x201C;n . an = aq.ď Ś(n) . an = (aď Ś(n))q . an ď&#x201A;ş an (mod m) portanto, a.x ď&#x201A;ş b.aď Ś(m) (mod m) Como o MDC(a,m) = 1, podemos cancelar o fator comum a, que resulta em: x ď&#x201A;ş b.aď Ś(m) â&#x20AC;&#x201C; 1 (mod m) Exemplo 10.5: no caso da congruĂŞncia linear 3.x ď&#x201A;ş 5 (mod 8), onde o MDC(3, 8) = 1, temos: x ď&#x201A;ş 5. 3ď Ś(8)â&#x20AC;&#x201C;1 (mod 8) ď&#x201A;ş 5.34â&#x20AC;&#x201C;1 (mod 8) ď&#x201A;ş 5.27 (mod 8) ď&#x201A;ş 135 (mod 8) ď&#x201A;ş 7 (mod 8) Em particular,
a.x ď&#x201A;ş 1 (mod n) ď&#x192;&#x203A; x ď&#x201A;ş aď Ś(n) (mod n)
determina um inverso de a mĂłdulo n. Exemplo 10.6: queremos determinar o inverso de 7 mĂłdulo 11, ou seja, queremos resolver a congruĂŞncia linear 7.x ď&#x201A;ş 1 (mod 11). Queremos determinar o menor inteiro positivo em
11
que satisfaça a equação
x ď&#x201A;ş 7ď Ś(11) â&#x20AC;&#x201C; 1 (mod 11) ď&#x201A;ş 710â&#x20AC;&#x201C;1 (mod 11) ď&#x201A;ş 79 (mod 11) ď&#x201A;ş 8 (mod 11) assim, temos que x = 8 ĂŠ a menor solução positiva em
11
para o problema.
10. 7. RESOLUĂ&#x2021;Ă&#x192;O DA EQUAĂ&#x2021;Ă&#x192;O đ??&#x2039;(n) = m. 159
CAPĂ?TULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Vejamos agora como resolver a equação đ?&#x153;&#x2018;(n) = m, quando m ĂŠ um inteiro positivo dado. Sabemos que nĂŁo existe solução se ĂŠ m ĂŠ um Ămpar maior que 1. Em geral nĂŁo se conhece uma fĂłrmula para se resolver essa equação, quando m ĂŠ qualquer inteiro positivo par. Mesmo assim, existe um mĂŠtodo com o qual podemos determinar todas as soluçþes dessa equação. Seja đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;&#x2DC;
đ?&#x2018;&#x203A; = â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=1
um inteiro qualquer, decomposto em fatores primos, que satisfaça a equação
r
k k ď&#x20AC;1 đ?&#x153;&#x2018;(n) = m, como ď Ś(n) = ď ?( pi i ď&#x20AC; pi i ) , entĂŁo i ď&#x20AC;˝1
r
r
i ď&#x20AC;˝1
i ď&#x20AC;˝1
k k ď&#x20AC;1 k ď&#x20AC;1 đ?&#x153;&#x2018;(n) = ď ?( pi i ď&#x20AC; pi i ) ď&#x20AC;˝ ď ? pi i ( pi ď&#x20AC; 1) ď&#x20AC;˝ m .
Façamos
di ď&#x20AC;˝ pi ď&#x20AC; 1 ,
Assim,
i ď&#x20AC;˝ 1, 2,..., r
đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;&#x2DC; â&#x2C6;&#x2019;1
â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013; ( ) = đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=1
đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2DC;đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; . â&#x2C6;? ( ) đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x2013;=1
=đ?&#x2018;&#x161;
đ?&#x2018;&#x;
â&#x2C6;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;?( ) = đ?&#x2018;&#x2DC; đ?&#x2018;&#x; =đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;?đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=1
đ?&#x2018;&#x203A;=
đ?&#x2018;&#x203A;=
160
đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x161;
â&#x2C6;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;
. â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=1
đ?&#x2018;&#x;
. â&#x2C6;?(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; + 1) đ?&#x2018;&#x2013;=1
CAPĂ?TULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Todas essas equaçþes estabelecem trĂŞs condiçþes para os d i , que nos permitem determinar os valores de n que satisfazem a equação ď Ś(n) = m: 1) cada di ď&#x20AC;Ť 1 ĂŠ um primo; 2) cada d i ĂŠ um divisor positivo de m;
m 3)
ĂŠ um inteiro positivo, que ser for maior que 1 contĂŠm somente todos fatores primos
r
ď ? di i ď&#x20AC;˝1
presentes em đ?&#x2018;&#x;
đ?&#x2018;&#x;
â&#x2C6;? đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; = â&#x2C6;?(đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; + 1) đ?&#x2018;&#x2013;=1
đ?&#x2018;&#x2013;=1
. Exemplo 10.7: Resolver a equação ď Ś ď&#x20AC;¨ x ď&#x20AC;Š ď&#x20AC;˝ 24 ď&#x20AC;˝ 23.3 Os divisores positivos de 24 sĂŁo 1,2,3,4,6,8,12 e 24. EntĂŁo, d i sĂŁo os inteiros {1,2,4,6,12} jĂĄ que eles sĂŁo os Ăşnicos tais que di ď&#x20AC;Ť 1 ĂŠ um primo. Como todos os produtos de quatro ou cinco dos d i sĂŁo maiores que 24,podemos eliminar esses produtos imediatamente; quer dizer, 24 nĂŁo e um inteiro quando quatro o mais d i sĂŁo considerados. As possĂveis expressĂľes k ď&#x192;&#x2022; di i ď&#x20AC;˝1
k
para
ď&#x192;&#x2022;d i ď&#x20AC;˝1
i
, desconsiderando produtos onde
24
nĂŁo ĂŠ um inteiro.
k
ď&#x192;&#x2022;d i ď&#x20AC;˝1
i
Produtos com 1 termo, nĂŁo servem, pois sempre teremos um primo no numerador que nĂŁo ĂŠ divisĂvel por â&#x2C6;?đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x2013;=1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013; . Por exemplo, para 4, temos đ?&#x2018;&#x2DC;=
24 .5 4
Produtos com dois termos, onde cada termos somado com 1 ĂŠ um nĂşmero primo; NĂŁo serve apenas o 1.4. Pois 24 divido por 4 ĂŠ 6 = 2.3 e p produto ĂŠ 2.5. Assim todos os fatores da divisĂŁo nĂŁo estĂŁo no produto
k
Assim, os produtos restantes para
ď&#x192;&#x2022;d i ď&#x20AC;˝1
i
conduzem as soluçþes:
161
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER 24
k
d i 1
k
k
i
1.2 1.6 1.12 2.4 2.12 4.6 1.2.4 1.2.6 1.2.12 1.4.6
d i 1
i
2
2 .3 22 2 3 1 1 3 2 1 1
p i 1
i
k
24
. pi
k
d i 1
i 1
23.32 23.7 22.13 32.5 3.13 5.7 2.32.5 22.3.7 2.3.13 2.5.7
2.3 2.7 2.13 3.5 3.13 5.7 2.3.5 2.3.7 2.3.13 25.7
x
i
72 56 52 45 39 35 90 84 78 70
Logo, as soluções da equação ( x) 24 são 35,39,45,52,56,70,72,78,84 e 90. Exemplo 10.8: Usando o fato de que a função Totient é multiplicativa, encontrar as 10 soluções da equação ( x) 24 . Consideremos ( x) (n1 ). (n2 ). (n3 )... 24 ,onde n1 , n2 , n3 são relativamente primos entre si dois a dois. Investigando uma lista de valores de ( n) , podemos determinar conjuntos de fatores (n1 ), (n2 ), (n3 ) ,... onde n1 , n2 , n3 ,... são relativamente primos dois a dois cujos produtos são iguais a 24. Os produtos n1.n2 .n3 ... representam soluções da equação x 24. Como Produto
mdc
Solução
(3) . (13) = 2.12
(3,13) = 1,
x = 39;
(4) . (13) = 2.12
(4,13) = 1,
x = 52;
(5) . (7) = 4.6
(5,7) = 1,
x = 35;
(5) . (9) = 4.6
(5,9) = 1,
x = 45;
(6) . (13) = 2.12
(6,13) = 1,
x = 78;
(7) . (8) = 6.4
(7,8) = 1,
x = 56;
(7) . (10) = 6.4
(7,10) = 1,
x = 70;
(7) . (12) = 6.4
(7,12) = 1,
x = 84;
(8) . (9) = 4.6
(8,9) = 1,
x = 72;
(9) . (10) = 6.4
(9,10) = 1,
x = 90;
Assim, as dez soluções da equação x 24 são 35, 39, 45, 52, 56, 70, 72, 78, 84 e 90. Este resultado esta de acordo com exemplo anterior.
162
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Note que para usar este método e necessário conhecer primeiramente o número de soluções desejadas ou limitar os valores das soluções desejadas com o fim de decidir quando termina a investigação. Kevin Ford provou em 1999 que para todo número inteiro k ≥ 2 há um número m para o qual a equação ( x) m tem exatamente k soluções; este resultado já haviam sido conjecturado por Sierpiński. No entanto, nenhum desses m é conhecido para k=1, e de acordo com a conjectura da função totiente de Carmichael acredita-se que neste caso esse m não existe.
10.8 – VALÊNCIA DA FUNÇÃO TOTIENTE: N (m) .
A função N ( m ) , chamada de Valência da Função Totiente, é definida como o número de inteiros positivos k, tal que (k) = m, também chamada de multiplicidade de m. Exemplo 1: Temos que N (8) 5 , porque existem apenas 5 inteiros, k = 15, 16, 20, 24 e 30, tal que (k) = 8. A tabela abaixo mostra os valores de N ( m ) para n
12.
k, tal que (k) = m
m
N ( m )
1
2
1, 2
2
3
3, 4, 6
4
4
5, 8, 10, 12
6
4
7, 9, 14, 18
8
5
15, 16, 20, 24, 30
10
2
11, 22
12
6
13, 21, 26, 28, 36, 42
Pode-se provar que existem inteiros pares m > 1 que não são valores assumidos pela função Totiente, como por exemplo N (14) 0 . Andrzej Schinzel provou em 1956, que para todo t 1 , o valor 2. 7 t não é valor da função Totiente. Veja que N (26) 0 e, 26 não é da forma 2. 7 t . Mas, em 1976, Nathan Mendelsohn provou a existência de uma infinidade de números primos p, tais que para todo t 1 , o valor 2t. p não é assumido pela função Totiente e, 26 é
um número dessa forma.
Observe os seguintes valores da função Totiente:
m
(m)
2
1!
163
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
4
2!
9
3!
35 4! 231 5! Himanshu Gupta provou em 1950, que para todo t 1 existe m tal que (m) = t!
EXERCÍCIOS 1.
Calcular (420), (1001), (5040) e (8316).
2.
Verificar que (n + 2) = (n) + 2, para n = 12, 14, 20.
3.
Verificar que (n) = (n + 1) = (n + 2), para n = 5186.
4.
Verificar que (3k . 568) = (3k . 638).
5.
Verificar que (n) é uma função aritmética multiplicativa para n = 144.
6.
7.
a) (2.n) = (n) b) (4n) = 2.(n) 13. Resolva em
Verifique que:
c)
59(mod 96)
84(mod101)
31304
b) 6
4205
c) 23
12101
d) 20 e) 17
850
67(mod 77)
20(mod 57)
100(mod143)
Achar os dois últimos algarismos da direita do inteiro 3256. Calcular o menor inteiro positivo n tal que n 71015 (mod 31).
10. Achar o algarismo das unidades do inteiro 3145. 11. Usando o Teorema de Euler, resolver as seguintes congruências lineares: (a) 5x 7 (mod 12) (b) 2x 3 (mod 9)
164
ímpar, então:
a)
357
9.
12. Demonstrar que se n é um inteiro positivo
Verificar o Teorema de Euler com a = 3 e n = 10; a = 7 e n = 12.
a) 11
8.
(c) 7x 1 (mod 10) (d) 8x 4 (mod 5) (e) 2x 1 (mod 17) (f) 5x – 3 (mod 8)
(n) = 12
b) (n) = 18 (n) = 20
d) (n) = 30 e)
(n) = 4!
as seguintes equações:
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
10.9. TEOREMA CHINÊS DO RESTO (TCR) O livro “Manual Aritmético do Mestre Sol” foi escrito por Sun Zi Suanjing (ou Sun Tzu Suan Ching), provavelmente entre 280 d.C. a 483 d.C. O livro está dividido em 3 capítulos. O 1º capítulo, contém apenas dois problemas que dizem respeito sobretudo a métodos para fazer multiplicações e divisões, utilizando “palitinhos chineses”. O segundo capítulo, contém 28 problemas, apresenta métodos para o cálculo com frações, extração da raiz quadrada, determinação de áreas e volumes, proporções e regra de três simples. O terceiro capítulo contém 36 problemas aritméticos. No problema 26 (também conhecido como “problema do Mestre Sun”) do 3° capítulo, Sun Tzu utiliza pela primeira vez o chamado Teorema Chinês do Resto (TCR). O problema está enunciado abaixo: “Temos coisas, mas não sabemos quantas; se as contarmos de três em três, o resto é 2; se as contarmos de cinco em cinco, o resto é 3; se as contarmos de sete em sete, o resto é 2. Quantas coisas temos?” Em notação moderna, este problema equivale a procurar as soluções do seguinte sistema de congruências: x 2 (mod 3) x 3 (mod 5) x 2 (mod 7)
Resolver problemas como esse é um dos objetivos deste tópico. Teorema 10.11 (Teorema Chinês do Resto – TCR): sejam m1, m2, ..., mk inteiros positivos primos entre si dois a dois, isto é, tais que o MDC(mi, mj) = 1 se i j. Nestas condições, o sistema de congruências lineares: x a1 (mod m1 ) x a2 (mod m2 ) ... x ak (mod mk )
tem única solução módulo m = m1, m2, ..., mk , dada por: x a1.M1.x1 + a2.M2.x2 + ... + ak.Mk.xk (mod m) Demonstração: para cada k = 1, 2, 3, ..., r, seja: Seja Mk m m1 . m2 . ... . mr . Como os inteiros mi são todos primos entre si dois a dois, o mk
mk
MDC(Mr, mr) = 1, de modo que a congruência linear Mr . x 1 (mod Mr) tem única solução x xr (mod mr)
165
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Posto isto, vamos mostrar que o inteiro x a1.M1.x1 + a2.M2.x2 + ... + ak.Mk.xk (mod m) é uma solução do sistema considerado. Com efeito se i r, então mr | Mi e Mi 0 (mod mr), que implica em: x a1.M1.x1 + a2.M2.x2 + ... + ak.Mk.xk (mod m) Para demonstrar a unicidade desta solução, suponhamos que x1 é uma outra solução qualquer do sistema considerado. Então: x ar (mod mr) x1 (mod mr), r = 1, 2, ..., k. e, portanto, mr | (x – x1), r = 1, 2, ..., k. Mas, o MDC(mi, mj) = 1 implica em (m1 . m2 . … . mk) | (x – x1), isto é, m | (x – x1) e x x1 (mod m), com o que termina a demonstração do TCR. Teorema 10.12: Sejam m1, m2, ..., mk inteiros positivos primos entre si dois a dois, e sejam a1, a2, ..., ak inteiros tais que MDC(ar, mr) = 1 para r = 1, 2, ..., k. Nestas condições, o sistema de congruências lineares: a1.x b1 (mod m1 ) a2 .x b2 (mod m2 ) ... ak .x bk (mod mk )
tem única solução módulo m = m1 . m2 . ... . mk. Demonstração: como o MDC(ar, mr) = 1, a congruência linear ar.x 1 (mod mr) tem única solução x ar (mod mr), de modo que: ar.ar 1 (mod mr), e ar.ar.x x (mod mr) e, portanto, é equivalente a congruência x ar . br (mod mr). Assim sendo, o sistema considerado é equivalente ao seguinte sistema de congruências lineares: x a1.b1 (mod m1 ) x a2 .b2 (mod m2 ) ... x ak .bk (mod mk )
o qual tem, pelo TCR, uma única solução módulo m = m1 . m2 . ... . mk: xk . Mk 1 (mod mk) x k Mk (m)1 (mod mk )
166
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
onde: (i) Mk
m , k = 1, 2, 3, ... mk
(ii) xk . Mk 1 (mod mk) x k Mk (m)1 (mod mk ) , ou seja, xk é o inverso de Mk módulo mk. Exemplo 10.7: utilizando o TCR, resolver o sistema de congruências lineares: x x x x
8 (mod 5) 5 (mod 3) 11 (mod 7) 2 (mod 4)
Resolução: os módulos 5, 3, 7 e 4 das congruências lineares que formam o sistema são primos entre si dois a dois, de modo que pelo TCR este sistema tem uma única solução módulo m =m1 . m2 . m3 . m4 = 5 . 3 . 7 . 4 = 420. Temos então: M1
m m 420 m 420 m 420 420 140 , M3 84 , M2 60 , M4 105 m2 m1 m3 3 5 7 m4 4
Os inversos xk dos Mk são dados por: 84 x1 1 (mod 5) 140 x2 1 (mod 3) 60 x3 1 (mod 7) 105 x4 1 (mod 4) Aplicando o método de Euler nas equações acima obtemos as soluções respectivas: x1 = 4, x2 = 2, x3 = 2, e x4 = 1. Portanto, temos : x a1.M1.x1 + a2.M2.x2 + ... + ak.Mk.xk (mod m) x 8 . 84 . 4 + 5 . 140 . 2 + 11 . 60 . 2 + 2 . 105 . 1 (mod 420) x 5618 (mod 420) 158 (mod.420), segue-se que x = 158 é a menor solução positiva módulo 420, do sistema de congruências lineares dado. Qualquer outra solução é da forma: x 158 (mod 420) x = 158 + 420.k, k
.
Exemplo 10.8: 5.x 11 mod 17 3.x 19 mod 32 11.x 6 mod 37
167
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Resolução: Como o MDC(17, 32) = MDC(17, 37) = MDC(32, 37) = 1, o sistema possui solução. De 5.x 11 (mod 17), obtemos x 9 (mod 17). De 3.x 19 (mod 32), obtemos x 17 (mod 32) De 11.x 6 (mod 37), obtemos x 14 (mod 37) assim temos o seguinte sistema: x 9 (mod 17) x 17(mod 32) x 14 (mod 37
Usando o TCR: a1 = 9, a2 = 17, a3 = 14. m1 = 17, m2 = 32, m3 = 37. m = m1 . m2 . m3 = 17 . 32 . 37 = 20128. m 20128 m 20128 m 20128 544 629 , M3 M1 1184 , M2 m1
17
m2
32
m3
37
Então 1184.b1 1 (mod 17), 629.b2 1 (mod 32) e 544.b3 1 (mod 37). De onde concluímos: b1 = 14 , b2 = 29 e b3 = 10. A solução geral será: x 9 . 14 . 1184 + 17 . 29 . 629 + 14 . 10 . 544 (mod 20128) x 535441 12113 (mod 20128)
EXERCÍCIOS 1. Resolver os seguintes sistemas de congruências lineares utilizando o TCR:
168
x 3 (mod 5) a) x 5 (mod 7) x 7 (mod11)
x 1 (mod 5) b) x 5 (mod 7) x 7 (mod11)
x 5 (mod 6) c) x 4 (mod11) x 3 (mod17)
x 5 (mod11) d) x 14 (mod 29) x 15 (mod 31)
x 7 (mod 9) e) x 10 (mod 4) x 1 (mod 7)
x 28 (mod 29) x a (mod 3) f) x 30 (mod 31) g) x b (mod 5) x 10 (mod11) x c (mod 8)
2 x 1 (mod 5) h) 4 x 1 (mod 7) 5 x 9 (mod11)
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
10.10. POTENCIAÇÃO: UMA APLICAÇÃO DO TEOREMA DE EULER Seja m um inteiro positivo tal que mdc(a, m) = 1 . Então: a(m) 1 (mod m) Aplicamos este resultado ao cálculo de potência módulo m. De uma maneira geral o problema é o seguinte. São dados a, k e m três inteiros positivos, dos quais sabemos que m é co-primo com a. Digamos que k é muito grande (o caso difícil) e queremos achar a forma reduzida de ak (mod m). Podemos simplificar as contas usando o teorema de Euler. Estamos supondo que k é grande, na prática precisamos saber apenas que k ( m ) . Dividindo k por ( m ) , obtemos k = ( m ) .q + r, onde o resto r satisfaz 0 r ( m ) – 1. Temos, então, que: (m).q+r (m) q ak a (mod m) ( a ) . ar (mod m)
Mas pelo teorema de Euler, a(m) 1 (mod m) . Obtemos, portanto, da equação acima que ak ar (mod p). Um exemplo numérico para convencê-lo das vantagens deste resultado tão simples. Queremos calcular 25432675 (mod 13). Da maneira como vínhamos procedendo teríamos que efetuar uma quantidade enorme de potenciações módulo 13. Usando a idéia acima, obtemos o resto da divisão de k = 5432675 por (13), que é r = 11, e assim: 25432675 (2(13))q . 211 (mod 13) 211 (mod 13) 7 (mod 13) Logo, 25432675 7 (mod 13).
10.11 – POTENCIAÇÃO: UMA APLICAÇÃO DO TEOREMA CHINÊS DO RESTO (TCR) Podemos aplicar o TCR para simplificar o cálculo de potências módulo n em alguns casos especiais. Suponhamos que n = p1 . p2 . ... . pk, onde p1 < p2 < ... < pk são números primos. Assim, estamos supondo que, na fatoração de n, cada fator primo aparece com multiplicidade 1. Neste caso fica muito fácil calcular a forma reduzida de am (mod n). Em primeiro lugar, usamos o PTF para achar a forma reduzida de a m módulo cada um dos primos p1, p2, ..., pk separadamente. Digamos que:
169
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
am r1 (mod p1) e 0 r1 < p1 am r2 (mod p2) e 0 r1 < p2 am rk (mod pk) e 0 rk < pk Para achar a forma reduzida de am (mod n), basta resolver o sistema: x r1 (mod p1) x r2 (mod p2) ... x rk (mod pk) Observe que este sistema sempre tem solução, já que os módulos são primos distintos e, portanto, o MDC entre dois quaisquer entre eles é sempre igual a 1. Além disto, o teorema nos garante que o sistema tem uma única solução r (mod n), onde n = p1 . p2 . ... . pk. Logo am r (mod n), e obtivemos o que queríamos. Vejamos um exemplo numérico. Digamos que queremos calcular a forma reduzida de 26754 (mod 1155) Fatorando 1155 vemos que é 1155 = 3 . 5 . 7 . 11, todos primos entre si com multiplicidade 1. Aplicando o PTF a cada um destes primos, temos que: 26754 26754 26754 26754
2r1 2r2 2r3 2r4
(mod 3) (mod 5) (mod 7) (mod 11)
Assim: 6754 = (3).q1 + r1 6754 = 2 . 3377 + 0, logo 20 1 (mod 3). 6754 = (5).q2 + r2 6754 = 4 . 1688 + 2, logo 22 4 (mod 5). 6754 = (7).q3 + r3 6754 = 6 . 1125 + 4, logo 24 2 (mod 7). 6754 = (11).q4 + r4 6754 = 10 . 675 + 4, logo 24 5 (mod 11).
Precisamos, portanto, resolver o sistema: x 1 (mod 3) x 4 (mod 5) x 2 (mod 7) x 5 (mod 11) Solução:
170
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
m = m1 . m2 . m3 . m4 = 3 . 5 . 7 . 11 = 1155 M1
m 1155 m 1155 m 1155 m 1155 105 231; M3 385 ; M2 165 ; M4 m4 m2 11 5 m1 3 m3 7
M1.x1 1 (mod m1) 385.x1 1 (mod 3) x1 385(3)–1 (mod 3) 1 (mod 3) M2.x2 1 (mod m2) 231.x2 1 (mod 5) x2 231(5)–1 (mod 5) 1 (mod 5) M3.x3 1 (mod m3) 165.x3 1 (mod 7) x3 165(7)–1 (mod 7) 2 (mod 7) M4.x4 1 (mod m4) 105.x4 1 (mod 11) x4 105(11)–1 (mod 11) 2 (mod 11) Assim, temos: x a1.M1.x1 + a2.M2.x2 + a3.M3.x3 + a4.M4.x4 (mod m) x 1 . 385 . 1 + 4 . 231 . 1 + 2. 165 . 2 + 5 . 105 . 2 (mod 1155) x 3019 (mod 1155) 709 (mod 1155)
EXERCÍCIOS 1) Construa as tabelas de operações em Z 8 , Z9 ,
Z10 , Z13 e Z17 .
b) 51773 (mod 919199) c) 8397 (mod 2926) d) 313961 (mod 12369)
2) Encontre os dois números primos, cujos produtos, geraram os números abaixo, utilizando o método da Fatoração de Fermat: a) 437623 b) 919199 c) 9797 d) 4061 e) 19109 3) Calcule a potências utilizando o método da exponenciação rápida. a) 33268 (mod 335) b) 1774096 (mod 277) c) 818192 (mod 92) d) 482048 (mod 20) 4) Calcule as potências utilizando o Pequeno Teorema de Fermat a) 52349899 (mod 17) b) 4511223311 (mod 19) c) 1001002003007 (mod 281) 5) Calcule as potências utilizando o Pequeno Teorema de Fermat e o Algoritmo Chinês do Resto. a) 4753 (mod 437623)
171
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
LEITURA COMPLEMENTAR: PSEUDOPRIMOS De acordo com o teorema de Fermat, se p é primo e a é um inteiro qualquer não divisível por p, então ap a (mod p). Imagine então a seguinte situação: temos um número ímpar n, e desejamos saber se é, ou não, composto. Digamos que descobrimos um inteiro b tal que bn b (mod n). Pergunta-se: n pode ser primo? A resposta é não, porque isto viola o teorema de Fermat. Logo, isto nos dá uma maneira indireta de verificar se um número é composto. Observe que, na prática, só precisamos considerar os inteiros b no intervalo 1 < b < n – 1. Por quê? Em primeiro lugar, como estamos trabalhando módulo n, qualquer inteiro é congruente a um inteiro no intervalo de 0 a n – 1. Além disso, a equação bn b (mod n) é sempre satisfeita quando b é 0, 1 ou n – 1. Este teste produz uma situação surpreendente. Com ele podemos chegar à conclusão de que um número é composto mesmo que não nos seja possível determinar seus fatores. Antes de fazer um exemplo, é conveniente formularmos um teste de uma maneira mais fácil de utilizar na prática. Para isto usaremos a segunda versão do teorema de Fermat. Eis o teste: se n > 0 e 1 < b < n – 1 são números inteiros, e bn–1 1 (mod n), então n é um número composto. O número b é conhecido como uma “testemunha de fato” de n ser composto. Será que podemos inverter o teorema de Fermat para verificar se um número é primo? Na verdade, estamos perguntando se um número ímpar n que satisfaz bn–1 1 (mod n), para algum 1 < b < n – 1, é primo? Leibniz, famoso pela invenção do cálculo (quase ao mesmo tempo que Newton), achava que sim, e usou isto como um critério de primalidade. Na verdade, ele tomava apenas b = 2, que é o caso mais simples de calcular. Infelizmente isto não é verdade. Por exemplo, 2340 1 (mod 341). Logo, segundo Leibniz, 341 seria um número primo. Mas, 341 = 11 . 31, é composto. Estes “falsos primos” são conhecidos como pseudoprimos. Isto é, um inteiro positivo n, ímpar e composto, é um pseudoprimo para a base b (onde 1 < b < n – 1) se bn – 1 1 (mod n). Assim, 341 é um pseudoprimo para a base 2. Apesar de às vezes dar errado, o teste de Leibniz é muito útil. Pelo menos para números pequenos, ele acerta mais do que erra. Por exemplo, entre 1 e 109 existem 50.847.534 primos, mas apenas 5597 pseudoprimos para a base 2. Logo um número menor que um bilhão que passa no teste de Leibniz apenas com a base 2 tem uma alta probabilidade de ser primo. Além disto, usamos apenas a base 2 até agora. Por que não testar para mais de uma base? Fazendo isto o teste fica ainda mais eficiente. Por exemplo, 3340 56 (mod 341). Logo 3 é uma testemunha de fato de que 341 é composto. Na verdade, há apenas 1272 pseudoprimos simultâneos para as bases 2 e 3 no intervalo entre 1 e 109.
172
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
Como estamos limitando nossas bases ao intervalo entre 1 e n – 1, podemos considerar a possibilidade de testar se n é pseudoprimo para todas estas bases. Se n é grande, isto vai ser impossível, logo o interesse prático é muito limitado. Por outro lado, este problema leva a algumas questões surpreendentes, e de real interesse prático, como veremos em seguida com os números de Carmichael. Números de Carmichael Primeiramente, não existem números que sejam pseudoprimos para todas as bases. Isto é fácil de constatar. Se n é composto, então tem um fator b, ou seja, MDC(b ,n) 1. Como também o MDC(bn – 1, n) 1, temos pelo teorema de inversão que b não pode ser inversível módulo n. Em particular, bn – 1 1 (mod n). Logo n não é pseudoprimo para a base b. Entretanto, pode ocorrer que um número composto n seja pseudoprimo para todas as bases que são primas a n. É este tipo de número que desejamos discutir. É preferível reformular o problema da seguinte maneira: seja n um número inteiro positivo, como caracterizar os números compostos n que satisfazem à equação bn b (mod n)? A vantagem desta formulação é que podemos dispensar a condição MDC(b, n) = 1, o que é muito conveniente. O primeiro matemático a dar exemplos destes números foi R. D. Carmichael, em um artigo publicado em 1912. Por isso são chamados números de Carmichael. Portanto, um número composto ímpar n > 0 é um número de Carmichael se bn b (mod n) para todo 1 < b < n – 1. Observe que, para um número ser de Carmichael é preciso que seja composto. Um número primo p também satisfaz à equação bp b (mod p), mas não é um número de Carmichael. Como o próprio Carmichael determinou, o menor número de Carmichael é 561. Em princípio podemos verificar isto usando a definição. Entretanto, mesmo para um número relativamente pequeno como este, isto é difícil de fazer usando apenas lápis e papel. Afinal, para mostrar que 561 é um número de Carmichael pela definição, precisamos mostrar que b561 b (mod 561) para b = 2, 3, 4, 5, ..., 558, 559; o que dá um total de 558 bases a serem testadas, algumas não tão pequenas. Não há duvida de que esta é uma tarefa para um computador. Entretanto, mesmo um computador razoável pode ter dificuldade em usar este método para verificar que, por exemplo: 349407515342287435050603204719587201 é um número de Carmichael. Felizmente há uma maneira mais simples de verificar que um dado número composto é de Carmichael. Consideremos 561 mais uma vez. Podemos facilmente fatorá-lo: 561 = 3 . 11 . 17 Seja agora b um número inteiro entre 2 e 559. Queremos mostrar que b561 b (mod 561). Nossa estratégia será a seguinte: mostraremos que b561 – b é divisível por 3, 11 e 17 para todos os valores de b entre 2 e 559. Como são primos distintos, segue que o produto destes primos
173
CAPÍTULO 10 FERMAT, WILSON E EULER
divide b561 – b. Mas este produto é 561, e dizer que 561 divide b561 – b é equivalente a dizer que b561 b (mod 561). Só nos resta mostrar que b561 – b é divisível por cada um dos fatores de 561, separadamente. Como estes fatores são primos, o teorema de Fermat vem em nossa ajuda. Vamos efetuar as contas para o primo 17 e deixar 3 e 11 como exercício. Queremos verificar que b561 – b é divisível por 17, isto é, b561 b (mod 17). Há dois casos a considerar. Se 17 divide b então ambos b e b561 são membros de b congruentes a zero modulo 17, logo a congruência é imediatamente verificada. Mas, digamos que 17 não divide b. Neste caso, o teorema de Fermat diz que b16 1 (mod 17). Para aplicar isto, precisamos dividir 561 por (17 – 1), mas isto resulta em 561 = 35 . 16 + 1. Assim, b561 (b16)35 . b (mod 17) (1)35 . b (mod 17) b (mod 17). Alguns números de Carmichael (existem infinitos): 561, 1105, 1729, 2465, 2821, 6601, 8911, 10585, 15841, 29341, 41041, 46657, 52633, 62745, 63973, 75361, 101101, 115921, 126217, 162401, 172081, 188461, 252601, 278545, 294409, 314821, 334153, 340561, 399001, 410041, 449065, 488881, 512461, 530881, 552721, 656601, 658801, 670033, 748657, 825625, 838201, 852841, 997633. Provaremos que, se t é tal que (6.t + 1), (12.t + 1) e (18.t + 1) são todos primos, então o seu produto é um número de Carmichael. Não se sabe ainda (2005), se existe uma infinidade de tais números t. Demonstração: temos que n = (6t + 1).(12t + 1).(18t + 1) é composto. E que (n – 1) = 1296.t3 + 396.t2 + 36.t 0 (mod 36) Seja o MDC(a, n) = 1. Então, a é relativamente primo com (6.t + 1), (12.t + 1) e (18.t + 1). Pelo PTF: a6.t 1 (mod 6.t + 1) a36.t 1 (mod 6.t + 1) a12.t 1 (mod 12.t + 1) a36.t 1 (mod 12.t + 1) a18.t 1 (mod 18.t + 1) a36.t 1 (mod 18.t + 1) Logo, a36.t 1 (mod n). Como 36.t divide (n – 1), temos que an–1 1 (mod n). Como n é composto, n é um número de Carmichael.
174
Capítulo 11
INTRODUÇÃO À CRIPTOGRAFIA A palavra Criptografia é composta por dois termos gregos kryptos (kryptos secreto, escondido, oculto) e grapho (grapho - escrita grafia). A criptografia é uma arte ou ciência de escrever ocultamente talvez tão antiga quanto a própria escrita, hoje em dia é um dos métodos mais eficientes de se transferir informação, sem que haja a possibilidade de interferência por parte de terceiros. É o estudo de técnicas matemáticas, relacionadas com os aspectos de segurança e confidencialidade de informação, a integridade de dados, a autenticação de entidades e a autenticidade de origem de dados, ou seja, consiste na conversão de dados num código secreto como medida de segurança para que possam existir comunicações seguras. A criptografia lida de um modo muito estreito com termos como - encriptação e desencriptação. A encriptação é a conversão de dados para uma forma que não será compreendida facilmente por pessoas autorizadas com o objectivo de assegurar a privacidade mantendo a informação escondida e ilegível mesmo para quem vê os dados encriptados. A desencriptação é o processo de converter dados encriptados de volta á sua forma original, para que a mensagem possa ser compreendida e para isso acontecer requer alguma informação secreta, usualmente denominada chave de desencriptação. A chave de desencriptação é o algoritmo que desfaz o trabalho do algoritmo de encriptação. Um algoritmo é um programa de computador que pode ser visto como um algoritmo elaborado. É baseada em chaves, uma informação pode ser codificada através de algum algoritmo de criptografia, de modo que, tendo conhecimento do algoritmo e da chave utilizados, é possível recuperar a informação original fazendo o percurso contrário da encriptação, a desencriptação.
175
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
Embora os códigos secretos remontem aos primórdios da comunicação escrita, tem havido um aumento recente de interesse no assunto devido à necessidade de manter a privacidade da informação transmitida ao longo de linhas públicas de comunicação. Na linguagem da criptografia, os códigos são denominados cifras, as mensagens não codificadas, são textos comuns e as mensagens codificadas são textos cifrados ou criptogramas. O processo de converter um texto comum em cifrado é chamado cifrar ou criptografar e o processo inverso de converter um texto cifrado em comum é chamado decifrar. As cifras mais simples, denominadas cifras de substituição (ou Código de César), são as que substituem cada letra do alfabeto por uma outra letra. Por exemplo, na cifra de substituição Comum A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Cifra DE FG HI J KLM NOP Q RS TUVWX Y Z ABC A letra de texto comum A é substituída por D, a letra de texto comum B por E e assim por diante. Com esta cifra, a mensagem de texto comum ROMA NÃO FOI CONSTRUÍDA
EM UM DIA
fica URPD QDR IRL FRQVWUXLGD HP XP
GLD
A Cifra de César Um dos sistemas criptográficos mais antigos e simples é a chamada “cifra de César”, em homenagem ao famoso imperador romano . Júlio César usou sua famosa cifra de substituição para cifrar mensagens governamentais. Atualmente denomina-se qualquer cifra baseada na substituição cíclica do alfabeto de código de César. Com o uso de dois discos concêntricos contendo todas as letras do alfabeto, a substituição se tornava extremamente simples.
A cifra de César baseia-se na seguinte propriedade:
176
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
“Seja m>1 um inteiro. Para cada a Z m fixado, temos que f: Z m Z m definida por f(x) = x a (mod m) é bijetiva”. Demonstração: (i) f é injetiva. De fato: f(x) = f(y) x + a = y + a (mod m) x + a - a = y + a - a (mod m) x = y (mod m) x = y em Z m , donde f(x) = f(y) acarreta x = y (ii) f é sobrejetiva Seja x um elemento qualquer de Z m . Então x - a está em Z m e f(x - a) = x, uma vez que em Z m x – a = x – a + km, para todo inteiro k. Logo todo x em Z m é igual a f(x - a), donde f é sobrejetiva. Como f é injetiva e sobrejetiva, então f é bijetiva. Imaginemos, por questão de simplicidade, as 26 letras usuais e o espaço (entre duas palavras) associados aos elementos de Z 27 conforme a Tabela 1 abaixo ( adotaremos o símbolo [ ] para indicar um espaço entre as palavras): A 1 N 14 [] 0
B 2 O 15
C 3 P 16
D 4 Q 17
E 5 R 18
F 6 S 19
G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
Tabela 1
Fixado um elemento a Z m ( a é a chave do código – de transmissão e de recepção), a aplicação f: x x a (mod 27) permuta os elementos de Z 27 e, conseqüentemente, os elementos do conjunto formado pelo símbolo do espaço e as 26 letras. Dessa forma cada mensagem se transforma em código; o fato de f ser bijetiva garante que mensagens diferentes são codificadas de maneira diferente e, ainda, a possibilidade da decodificação. Exemplo 11.1: Vejamos como codificar a frase “EU VOU”, usando como chave a = 14, ou seja com y = x + 15 (mod 27) E U [] V O U
5 5 + 14 19(mod 27) S 21 21 + 14 8 (mod 27) H 0 0 + 14 14 (mod 27) N 22 22 + 14 9 (mod 27) I 15 15 + 14 2 (mod 27) B 21 21 + 14 8 (mod 27) H
177
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
Portanto o código para a frase dada é “ SHNIBH”. Para decodificar, considerando que o simétrico aditivo de 14 módulo 27 é 13 (pois, 14 + 13 0 (mod 27)), mantendo, portanto, a chave a = 14 ), procede-se assim: S H N I B H
19 8 14 9 2 8
19 + 13 8 + 13 14 + 13 9+13 2+13 8+13
5 21 0 22 15 21
(mod 27) (mod 27) (mod 27) (mod 27) (mod 27) (mod 27)
E U [] V O U
11.1. Funções Polinomiais de Codificação No exemplo acima usamos a função polinomial f(x) = x + 15 (mod 27) para codificar a mensagem e usamos a sua inversa f -1(x) = x + 12 (mod 27) para decodificação. A pergunta que podemos fazer é podemos usar qualquer função polinomial módulo m para codificar uma mensagem? A resposta é não! Como vimos, precisamos da inversa para decodificar a mensagem. Assim se escolhermos uma função polinomial que não seja bijetiva no domínio trabalhado teremos problemas em decodificar em situações normais. Além disso, nos casos em que tivermos multiplicações e divisões da variável x, dependendo de Zm podemos não ter os inversos de x módulo m nos casos em que m não é primo impossibilitando a decodificação. Vejamos alguns exemplos: Exp1. Use a tabela abaixo e a função f ( x) x 2 23(mod 29) para codificar a palavra DJ A 1 N 14 Á 27
B 2 O 15 É 28
C 3 P 16 [] 0
D 4 Q 17
E 5 R 18
F 6 S 19
G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
D f (4) 42 23 10(mod 29) J J f (10) 102 23 7(mod 29) G
Queremos agora decodificar a mensagem JG. A inversa da função y = x2 + 23 é obtida pelo método prático de trocar x por y e colocar y em função de x, ou seja: y x 2 23 x y 2 23 y 2 x 23 ou y 2 x 6(mod 29)
178
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
Ou seja, para “voltarmos” estamos interessado em saber que número y elevado ao quadrado é igual a um número x + 6 (mod 29) ( isto é, [f(x)]2 = x + 6 ). Assim,
J y 2 10 6 16(mod 29) Que número elevado ao quadrado é igual a 16 módulo 29? Resposta: 4. Logo J é D.
G y 2 7 6 13(mod 7) Que número elevado ao quadrado é igual a 13 módulo 29? Temos um problema! Existem dois valores que elevado ao quadrado são iguais a 13 módulo 29: 10 e 19, letras J e S respectivamente, pois
10.10 13(mod 29) e 19.19 13(mod 29) impedindo-nos, em situações mais complexas, de decodificar a mensagem. Isso se deve ao fato de f(x) = x2 + 23 não ser bijetiva.
Exercícios Use a Tabela 2 abaixo para os seus cálculos
A 1 N 14 ? 27
B 2 O 15 Á 28
C 3 P 16 Ã 29
D 4 Q 17 É 30
E 5 R 18 [] 0
F 6 S 19
Z31 G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
1. Utilize as funções abaixo para codificar e sua inversa* para decodificar as mensagens dadas. a) y 2 x(mod 31) ; y x 7(mod 31) ; O MAIS QUERIDO b) y 3x(mod 31) ; y 2 x 30(mod 31) ; NAVEGAR É PRECISO? c) y 4 x(mod 31) ; y 3x 2(mod 31) ; SE VOU NÃO FICO x 1 d) y 5 x(mod 31) ; y (mod 31) ; ELVIS NÃO MORREU x 29 * Use o método da troca de variáveis para encontrar a função inversa
179
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
LEITURA COMPLEMENTAR: ANÁLISE DE FREQUÊNCIA Em qualquer língua, alguns sons são utilizados com mais frequência do que outros. Isto significa que, na linguagem escrita, algumas letras também são mais utilizadas que outras. Determinar a frequência com que ocorrem determinadas letras em determinada língua, ou seja, fazer uma análise da frequência de ocorrência de letras. Apesar de não se saber quem foi o primeiro a perceber que a variação na frequência de letras poderia ser explorada para se quebrar cifras, a descrição mais antiga de que se tem conhecimento e que descreve esta técnica data do século 9 e é devida ao cientista Abu Yusuf Ya 'qub ibn Is-haq ibn as-Sabbah ibn 'omran ibn Ismail al-Kindi. Conhecido como o filósofo dos árabes, al-Kindi foi o autor de 290 livros sobre medicina, astronomia, matemática, linguística e música. No entanto, seu maior tratado, o qual foi apenas redescoberto em 1987 no Arquivo Sulaimaniyyah Ottoman em Istambul, na Turquia, é intitulado "Um Manuscrito sobre Decifração de Mensagens Criptográficas. A cifra de substituição monoalfabética parecia inquebrável devido ao número muito grande de chaves possíveis. Entretanto, havia uma fraqueza que minava sua segurança. A quebra da cifra de substituição marca o nascimento da criptanálise. Tal fato ocorreu durante os anos dourados da civilização islâmica, quando muitos manuscritos estrangeiros foram levados para Bagdá para integrarem as grandes bibliotecas árabes. Alguns destes manuscritos estavam encriptados, o que motivou os arrombadores de códigos a quebrarem as cifras para revelar os segredos que continham. As letras "A" e "I" são as mais comuns em Árabe. No Inglês, as letras mais comuns são o "E", o "T" e o "A". Já no Português, as mais frequentes são "A", "E", "O" e "S". Se uma mensagem é cifrada de modo que cada letra seja substituída por uma outra, então a nova letra assumirá todas os atributos da letra original, inclusive com que frequência é utilizada. Desta forma, se a longa mensagem estiver em Português e se a letra mais comum na mensagem cifrada for G, então G provavelmente representa A. Se a segunda letra mais frequente na mensagem cifrada for W, então a probabilidade de que esteja substituindo o E é bastante grande, e assim por diante. Devemos considerar qual foi a língua utilizada para redigir a mensagem. Esta é uma questão essencial porque define o padrão da frequência da ocorrência de letras que deve ser usada para fazer a comparação. É óbvio que SEMPRE existem outras pistas que podem ajudar: o remetente da mensagem, o destinatário, o possível assunto, etc. Caso estejamos considerando o Português, é claro que se vai fazer uma análise de frequência usando esta língua como base. Quanto mais longo for o texto, maior a probabilidade dos valores encontrados estarem mais próximos dos valores padrão. Além disso, não se deve esquecer que os valores padrão representam a MÉDIA da frequência de ocorrência. Se, por exemplo, o
180
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
padrão para a letra A é de 14.63%, esta frequência pode variar, digamos, de 13% a 17%. Neste caso estamos contando com um desvio de cerca de 2%. Abaixo estão as tabelas de das frequências relativas das letras nas línguas Portuguesa e Inglesa.
Frequência relativa das letras no Português
Frequência relativa das letras no Inglês
181
CAPÍTULO 11 CIFRA DE CÉSAR
Exercícios 1. Suponha que você interceptou a mensagem: JV
F
UZEYVZIF
JFSIRJJV
V JV
VCR
DV
RDRJJV
Segundo suas fontes ela foi codificada utilizando a cifra de César de acordo com a tabela seguinte A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
É claro que você não sabe a chave usada. Como bom estudante de Estatística, você fez uma análise de frequência ( isso é que é interesse nas coisas alheias!). Suponha que você já havia interceptado um texto com mais de 1000 letras da mesma origem. De acordo com a análise de frequência, a letra A é mais comum na língua portuguesa. Você percebeu que a letra mais comum no texto cifrado foi a R. Com mais uma suposição de que a chave ainda não foi trocada, decodifique a mensagem. Desconsidere os espaços. 2. Para as questões de 1 a 6, utilize a seguinte tabela de conversão: A B C D E F G 1 2 3 4 5 6 7 N O P Q R S T 14 15 16 17 18 19 20 *O espaço em branco [ ] é representado pelo valor 0.
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
1. Utilizando a função f(x) = x + 13 (mod 27), codifique a palavra SOFTWARE. 2. Utilizando a função f(x) = 4.x + 11 (mod 27), codifique a palavra UNIVERSO. Encontre a função inversa de f(x) e verifique se sua resposta está correta. 3. Decodifique a palavra GESIOF sabendo que a função f(x) = x + 14 (mod 27) foi utilizada para cifragem. 4. Decodifique a palavra BVJZOL sabendo que a função f(x) = 5.x + 17 (mod 27) foi utilizada para cifragem. 5. Dada a mensagem em texto simples FELIZ, e o seu respectivo texto cifrado YXDAR, encontre a função afim que foi utilizada na cifragem. Determine a função inversa 6. Dada a mensagem em texto simples TEMPO, e o seu respectivo texto cifrado ORTNG, encontre a função afim que foi utilizada na cifragem. Determine a função inversa.
182
Capítulo 12
CIFRA DE VIGENÈRE A cifra de Vigenère tem este nome em homenagem a Blaise de Vigenère, embora realmente tenha sido inventada antes por Giovan Batista Belaso. O que Vigenère fez foi modificar a cifra para torná-la mais robusta. A cifra de Vigenère é um método de encriptação que usa um série de diferentes cifras de César baseadas em letras de uma senha. Trata-se de uma versão simplificada de uma mais geral cifra de substituição polialfabética, inventada por Leone Battista Alberti a cerca de 1465. A cifra de Vigenère foi uma campeã em segurança. Foram precisos 300 anos para que, quase que simultaneamente, ao redor de 1860, Babbage (na Inglaterra) e Kasiski (na Alemanha) quebrassem a cifra. A invenção da cifra de Vigenère é erradamente atribuída a Blaise de Vigenère; encontra-se originalmente descrita por Giovan Batista Belaso no seu livro datado de 1553 com o título La cifra del. Sig. Giovan Batista Belaso. Esta cifra é muito conhecida porque é fácil de perceber e de pôr em prática. Conseqüentemente, muitos programadores implementaram esquemas de encriptação nas suas aplicações que são no essencial cifras de Vigenère.
Descrição Em uma cifra de César, cada letra do alfabeto é deslocada da sua posição um número fixo de lugares; por exemplo, se tiver uma deslocação de 3, a letra A se torna D, B se torna E, etc. A cifra de Vigenère consiste na sequência de várias cifras de César com diferentes valores de deslocamento. A cifra de Vigenère pode ser vista algebricamente. A encriptação pode ser escrita como Ci (Pi + ai) (mod m) e a decriptação como Pi (Ci – ai) (mod m) onde Pi corresponde aos valores das letras a serem cifradas, ai aos valores das letras da chave e Ci aos valores das letras cifradas.
183
CAPÍTULO 12 CIFRA DE VIGENÈRE
Exemplo 12.1: Vamos supor agora, que a palavra-chave escolhida tenha sido "GREGO" e a mensagem a ser codificada seja “PERXES PREPARA UM ATAQUE”. Para isso utilizaremos a seguinte tabela de valores módulo 31: A B C D E F G H I 1
2
3
4
5
6
7
8
J K L M N O P
9 10 11 12 13 14 15 16
Q R S T U V W X Y Z ? Á Ã É [] 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0 Para codificar a mensagem, podemos escrever as letras da palavra-chave quantas vezes for preciso acima da frase: G R E G O G R E G O G R E G O G R E G O G R E G P
E R X E
S
P
R E
P
A R A
U M
A T A Q U E
isto equivale a fazer os seguintes cálculos 7
18
5
7
15
7
18
5
7
15
7
18
5
7
15
7
18
5
7
15
7
18
5
7
16
5
18
24
5
19
0
16
18
5
16
1
18
1
0
21
13
0
1
20
1
17
21
5
0
5
8
4
8
4
26
12
E
H
D
H
D
Z
L
Somando termo a termo mod 31 (Ci (Pi + ai)), obtemos: 23
23
23
W
W
W
0
20
26
18
21
25
20
23
19
23
8
15
28
T
Z
R
U
Y
T
W
S
W
H
O
Á
Para decifrar a mensagem WWW TZRUYTWSWHOÁ EHDHDZL basta fazer a operação inversa (Pi (Ci – ai)).
184
CAPÍTULO 12 CIFRA DE VIGENÈRE
Exercícios: Para as questões abaixo, utilize a seguinte tabela de conversão: A B C D E
F G H
I
1
6
9 10 11 12 13 14 15 16
5
7
8
J
2
3
4
Q R
S
T U V W X Y Z
K L M N O P ?
Á Ã É []
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0 Tabela de conversão de caracteres para a Cifra de Vigenère (mod 31).
1) Decifre a mensagem abaixo, usando a palavra-chave CERA: QIOETGZTQHVIZSLARIISKE 2) Descubra a mensagem a seguir, capturada na transmissão do inimigo. TXBQMXWFRSIIMOETVOEKMENAVKYHAVT A palavra-chave utilizada foi TEBAS. Codifique a mensagem “RIO DE JANEIRO” utilizando a chave TRIUNFO. Codifique a mensagem “FRONTEIRAS DO BRASIL” utilizando a chave TIGRE. Decodifique a mensagem “DYDSSX YNYFS” sabendo que a chave BYTE foi utilizada. Decodifique a mensagem “XIDHY OLOWFBRL” sabendo que a chave MISTURA foi utilizada. 7) Dada a palavra em texto simples “ILUSTRE”, e o seu respectivo texto cifrado “MCI FYS”, encontre a chave que foi utilizada na cifragem. 8) Dada a mensagem em texto simples “CRISE DOS INFERNOS”, e o seu respectivo texto cifrado “EEVHYHVGSBW VYZEGS”, encontre a chave que foi utilizada na cifragem. 9) Desafio: dada a mensagem OSFYSRWXMFTANASWVNSSDMJMVAMVSISINQBLUDB”,decodifique-a e encontre a chave que foi utilizada na cifragem. 3) 4) 5) 6)
185
Capítulo 13
CIFRA DE HILL Uma das desvantagens de cifras de substituição é que elas preservam as frequências de letras individuais, tornando relativamente fácil quebrar o código por métodos estatísticos. Uma maneira de superar este problema é dividir o texto em grupos de letras e criptografar o texto comum por grupo, em vez de uma letra de cada vez. Um sistema poligráfico é um sistema de criptografia no qual o texto comum é dividido em conjuntos de n letras, cada um dos quais é substituído por um conjunto de n letras cifradas. Veremos uma classe de sistemas poligráficos chamados cifras de Hill (Em 1929 Lester S. Hill publica seu livro Cryptography in an Algebraic Alphabet, no qual um bloco de texto claro é cifrado através de uma operação com matrizes). Daqui em diante, nós vamos supor que cada letra de texto comum e de texto cifrado, tem um valor numérico que especifica sua posição no alfabeto padrão (Tabela 1). Utilizaremos o símbolo [ ] para indicar um espaço entre as letras ou palavras.
A 1 N 14
B 2 O 15
C 3 P 16
D 4 Q 17
E 5 R 18
Tabela 1 F G H 6 7 8 S T U 19 20 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 0
Iniciemos com o caso mais simples de cifras de Hill que utiliza matrizes 2x2. Usando a tabela acima em Z 26 transformaremos pares sucessivos de texto comum em texto cifrado pelo seguinte procedimento: Passo 1. Escolha uma matriz A, 2 x 2, com entradas inteiras para efetuar a codificação. A matriz deve ser inversível módulo 26 . Passo 2. Agrupe letras sucessivas de texto comum em pares, adicionando uma letra fictícia para completar o último par se o texto comum tem um número ímpar de letras; substitua cada letra de texto comum por seu valor numérico. Passo 3. Converta cada sucessivo p1 p2 de letras de texto comum em um vetor-coluna p, e forme o produto A.p. Nós chamamos p de vetor comum e Ap o correspondente vetor cifrado.
186
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
Passo 4. Converta cada vetor cifrado em seu equivalente alfabético. Em todas as operações converter os valores para congruência módulo 26. Exemplo 13.1: Cifra de Hill de uma Mensagem
1 2 para obter a cifra de Hill da mensagem de texto comum 0 3
Use a matriz A=
PARAFUSO Solução. Se nós agruparmos o texto comum em pares de letras, obteremos PA RA FU SO ou, equivalentemente, usando a Tabela 1, 16 -1 18 - 1 6 -21 19 -15 Para codificar o par PA nós efetuamos o produto matricial
1 2 16 18 = (mod 26) 0 3 1 3 que fornece o texto cifrado RC pela Tabela 1. Para codificar o par RA nós efetuamos o produto matricial 1 2 18 20 = (mod 26) 0 3 1 3
que fornece o texto cifrado TC. Os cálculos para os demais vetores cifrados são
48 22 1 2 6 21 = 63 = 11 (mod 26) 0 3 1 2 19 49 23 = = (mod 26) 0 3 15 45 19 Estes vetores correspondem aos pares de textos cifrado VK e WS, respectivamente. Coletando os pares, obtemos a mensagem cifrada completa
187
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
RCTCVKWS Como o texto comum foi agrupado em pares e criptografado por uma matriz 2 x 2, dizemos que a cifra de Hill do Exemplo 1 é uma 2-cifra de Hill. Evidentemente também é possível agrupar o texto comum em ternos e criptografar com uma matriz 3 x 3 com entradas inteiras; isto é chamado uma 3-cifra de Hill. Em geral, para uma n-cifra de Hill agrupamos o texto comum em conjunto de n letras e codificamos com uma matriz codificadora n x n de entradas inteiras. Decifrando Cada cifra útil deve possuir um procedimento para decifrar. Para decifrar as cifras de Hill, usamos a inversa (mod m) da matriz codificadora. Para ser preciso, se m é um inteiro positivo, dizemos que uma matriz A com entradas em Zm é inversível módulo m se existir uma matriz B com entradas em Zm tal que A . B = B . A = I (mod m) Suponha agora que
a a A = 11 12 a21 a22 é inversível módulo m e que esta matriz é usada para uma 2-cifra de Hill. Se
p p = 1 p2 é um vetor comum, então c=Ap é o correspondente vetor cifrado e p = A-1 c Assim, cada vetor comum pode ser recuperado do correspondente vetor cifrado pela multiplicação à esquerda por A-1 (mod m). Em criptografia é importante saber quais matrizes são inversíveis módulo m e como obter suas inversas. Em seguida investigaremos estas questões. Em aritmética comum, uma matriz quadrada A é inversível se, e somente se, det (A) 0 ou, equivalentemente, det (A) tem um inverso. O teorema seguinte é o análogo deste resultado em aritmética modular.
188
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
Teorema 13.1 Uma matriz quadrada A em Zm é inversível módulo m se, e somente se, o detA( mód m) tem um inverso módulo m. Desse modo, em particular, temos que, se
a
A= c
b d
tem entradas em Zm se o det(A) = ad – bc (mod m) for relativamente primo com m, então a inversa de det(A) (mod m) é dada por
d b (mod m) ( I ) c a
A-1 = (ad-bc)-1
Onde (ad – bc)-1 (mod m) é o inverso de ad – bc (mod m). Exemplo 13.2. Decifrando uma 2-Cifra de Hill Decifre a seguinte 2-cifra de Hill, que foi dada no Exemplo 1: RCTCVKWS Solução: Pela Tabela 1, o equivalente numérico do texto cifrado é 18-3 20-3 22-11 23-19 para obter os pares de texto comum, multiplicamos cada vetor cifrado pela inversa de A: det(A) = 1.3 – 2.0 = 3 temos que o inverso de 3 módulo 26 é igual 9, ou seja 3.9 1(mod 26). Assim, por ( I ),
3 2 = 1
A-1 = 9 0
27 18 1 8 = (mod 26) 0 9 0 9
Logo
1 8 18 42 16 0 9 3 = 27 = 1 (mod 26)
1 8 20 44 18 0 9 3 = 27 = 1 (mod 26)
189
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
1 8 22 110 6 0 9 11 = 99 = 21 (mod 26) 1 8 23 175 19 0 9 19 = 171 = 15 (mod 26) Pela Tabela 1, pode-se ver que os equivalentes alfabéticos destes vetores são
PARAFUSO Matrizes Inversas Módulo m Teorema: Se M é uma matriz quadrada de ordem n e det M 0, então a inversa de M módulo mé M-1 = (det M )-1. M (mod m) onde M é a matriz adjunta de M. Exemplo 13.4:
9 0 5 Utilizando a matriz A 8 7 6 (mod 29) como chave, codifique e decodifique a mensagem 3 2 0 MATEMÁTICA em Z 29 , tal que A 1 N 14 Á 27
B 2 O 15 É 28
C 3 P 16 [] 0
D 4 Q 17
E 5 R 18
F 6 S 19
G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
Solução: Convertendo a mensagem:
13 5 20 1 MAT 1 ; EMÁ 13 ; TIC 9 ; A _ _ 0 20 27 3 0 Para codificarmos a mensagem, basta multiplicar cada matriz 3x1 obtida pela matriz codificadora A:
190
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
9 0 5 13 217 14 8 7 6 1 231 28 (mod 29) 3 2 0 20 41 12 9 0 5 5 180 6 8 7 6 13 293 3 (mod 29) 3 2 0 27 41 12 9 0 5 20 195 21 8 7 6 9 241 9 (mod 29) 3 2 0 3 78 20 9 0 5 1 9 8 7 6 0 = 8 (mod 29) 3 2 0 0 3
A mensagem codificada é: NÉLFCLUITIHC DECODIFICAÇÃO: Para decodificar precisamos da matriz inversa de A. Cálculo da matriz inversa A1 (mod 29): 2- Det (A) = -133, ou seja, Det (A) = 12 ( mod 29). Temos que
1 1 (mod 29) 17 . Det ( A) 12
De fato: 12 (29) 1 17(mod 29) 1227 1(mod 29) , pois 123 17 129 173 12 1227 123 17(mod 29) 12 18 -5 17 18 24 3- Matriz dos Cofatores: C 10 -15 -18 10 14 11 (mod 29) 35 -14 63 23 15 5 4- A Matriz Adjunta ( M ) é a transposta da Matriz dos Cofatores: 17 10 23 M C t 18 14 15 (mod 29) 24 11 5
5- Matriz Inversa A1 =
1 .M (mod 29), temos: Det ( A)
17 10 23 289 170 391 28 25 14 A 17. 18 14 15 306 238 255 16 6 23 (mod 29) 24 11 5 408 187 85 2 13 27 1
Basta, então, multiplicar a mensagem codificada pela matriz inversa para obtermos a mensagem original.
191
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
Exercícios: Z32 A 1 N 14 Ê 27
B 2 O 15 ? 28
C 3 P 16 Á 29
D 4 Q 17 Ã 30
E 5 R 18 É 31
F 6 S 19 [] 0
G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
L 12 Y 25
M 13 Z 26
Tabela 1
1. Utilizando a tabela 1 e as matrizes dadas como chave, codifique e decodifique as mensagens correspondentes, pelo método de Hill a) A , O PIOR CEGO É AQUELE QUE NÃO ENXERGA O QUE VÊ 2 7 1 3
b) A 9 15 , LEÃO AZUL 19 2
c)
d)
7 8 1 B 12 23 14 , MATEMÁTICA É LEGAL 22 4 21
1 2 7 B 0 3 1 , CATACLISMÁTICO 0 5 2
➢ Para as questões de 2 a 8, utilize a seguinte tabela de conversão: A 1 N 14
B 2 O 15
C 3 P 16
D 4 Q 17
E 5 R 18
F 6 S 19
G 7 T 20
H 8 U 21
I 9 V 22
J 10 W 23
K 11 X 24
Tabela de conversão de caracteres módulo 26.
2. Codifique a palavra AFRODITE utilizando a matriz
10 11 9 12
14 13 11 3. Codifique a palavra ELETRICIDADE utilizando a matriz 15 17 18 19 16 12
192
L 12 Y 25
M 13 Z 0
CAPÍTULO 13 CIFRA DE HILL
20 21 foi utilizada na 19 22
4. Decodifique a palavra KJQCDYVU sabendo que a matriz cifragem.
2 6 3 5. Decodifique a palavra GEIOHSSFGQUD sabendo que a matriz 1 7 4 foi utilizada na 8 9 5 cifragem. 6. Decodifique 2 3 1 11 13 5 16 9 14 8 7 6
a
mensagem ODNINDTYTXPWVZPQ 4 12 foi utilizada na cifragem. 15 10
sabendo
que
a
matriz
7. Dada a mensagem em texto simples MITO, e o seu respectivo texto cifrado UQNI, encontre a matriz 2 x 2 que foi utilizada na cifragem. 8. Dada a mensagem em texto simples ALGORITMO e o seu respectivo texto cifrado ODVMFFYWS. Encontre a matriz 3 x 3 que foi utilizada na cifragem, sabendo que todos os elementos desta matriz são inteiros positivos distintos menores ou iguais a 9. ➢ Para as questões de 9 e 10, utilize a seguinte tabela de conversão: A 1 M 13 Y 25
B 2 N 14 Z 26
C 3 O 15 Á 27
D 4 P 16 É 28
E 5 Q 17 Í 29
F 6 R 18 Ó 30
G 7 S 19 Ú 31
H 8 T 20 Â 32
I 9 U 21 Ô 33
J 10 V 22 Ã 34
K 11 W 23 Õ 35
L 12 X 24 Ç 36
*O espaço em branco é representado pelo valor 0 (zero). Tabela de conversão extendida de caracteres módulo 37.
31 33 29 35
9. Codifique a palavra EQUAÇÕES utilizando a matriz
26 28 29 10. Decodifique a palavra PBGEZJÃÁÓÍMJ sabendo que a matriz 21 25 27 foi utilizada 22 23 24 na cifragem.
193
Capítulo 14
RSA Três americanos desenvolveram um sistema de código secreto, chamado RSA, baseado nas dificuldades existentes para descobrir os fatores primos de um número muito grande. Criava-se um novo ramo da Criptografia, a ciência dos códigos, fortemente baseado na Teoria dos Números. Com o advento dos computadores e da computação algébrica, a Criptografia ganhou um novo impulso. Neste momento, a proliferação de senhas bancárias e de cartões de crédito, bem como a crescente necessidade de criptografar dados confidenciais que inundam a Internet, fazem da Criptografia um dos ramos mais pesquisados da Matemática. O sistema RSA, batizado em homenagem a seus inventores Ronald Rivest, Adi Shamir e Leonard Adleman, foi o primeiro criptossistema de chave pública e ainda é o mais importante. Sua segurança está intimamente relacionada à dificuldade de encontrar a fatoração de um número inteiro positivo composto, que é o produto de dois primos gigantes.
14. 1. PRÉ-CODIFICAÇÃO Em primeiro lugar, devemos converter a mensagem em uma sequência de números. Essa primeira etapa é chamada de pré-codificação. Há várias maneiras de se fazer isso. Aqui vamos supor que o texto não contém acentuação, pontuação, números etc, apenas as letras A a Z (maiúsculas). Também vamos adicionar espaços em branco entre palavras, que será substituído pelo número 99. A letra A será convertida no número 10, B será 11 e assim por diante, até o Z correspondendo ao número 35. Observe que cada letra corresponde a um número com exatamente dois algarismos. Isso evita ambigüidades. A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
[] 99
A chave pública é um número n = p . q, onde p e q são primos. Antes de começar devemos, então escolher esses números. O último passo da pré-codificação é quebrar a mensagem em blocos. Esses blocos devem ser números menores que n. A maneira de escolher os blocos não é única, mas é importante evitar duas situações: • Nenhum bloco deve começar com o número 0 (problemas na decodificação). • Os blocos não devem corresponder a nenhuma unidade lingüística (palavra, letra, etc). Assim
a decodificação por contagem de freqüência fica impossível.
194
CAPÍTULO 14 RSA
14.2 – Codificando e decodificando Para codificar a mensagem precisamos de n = p . q e de um inteiro positivo e (1 < e < (n)) que seja inversível módulo (n). Em outras palavras, m.d.c.(e, (n)) = m.d.c. (e, (p – 1).(q – 1)) = 1 Note que e é sempre ímpar, dado que p – 1 é par. Chamaremos o par (n, e) de chave de codificação do sistema RSA. Codificaremos cada bloco de mensagem separadamente e a mensagem codificada será a seqüência de blocos codificados. Vamos agora mostrar como codificar cada bloco b. Chamaremos o bloco codificado de C(b). Em primeiro lugar, lembre-se que b é menor que n. Então: C(b) be (mod n) onde 0 C(b) < n. Exemplo 14.1: Considere a frase Paraty é linda. Convertendo em números, 25 10 27 10 29 34 99 14 99 21 18 23 13 10 Agora devemos escolher n. Vamos começar com um número pequeno, por exemplo, n = 11.13 = 143. Podemos então quebrar a mensagem acima em blocos, que devem ter valor menor que 143 e não devem iniciar com zero.: 25 – 102 – 7 – 102 – 93 – 49 – 91 – 49 – 92 – 118 – 23 – 13 – 10 Então temos que (143) = 10.12 = 120 e portanto vamos escolher e como o menor primo que não divide 120. O valor é 7. Logo, C(25) 257 (mod 143) C(25) 254 . 252 . 251 (mod 143) C(25) 254 . 53 . 25 (mod 143) C(25) 532 . 53 . 25 (mod 143) C(25) 92 . 53 . 25 (mod 143) C(25) 14 . 25 (mod 143) C(25) 64 (mod 143) Procedendo dessa maneira com todos os blocos, obtemos a seguinte mensagem cifrada: 64 – 119 – 6 – 119 – 102 – 36 – 130 – 36 – 27 – 79 – 23 – 117 – 10 Vejamos agora como proceder para decodificar um bloco de mensagem codificada.
195
CAPÍTULO 14 RSA
A informação que precisamos para decodificar está contida no par (n, d), onde d (1<d<(n)) é o inverso de e módulo (n) (e.d 1 (mod (n)). Chamaremos (n, d) de chave de decodificação e D(c) o resultado do processo de decodificação. D(c) é dado por: D(c) cd (mod n) onde 0 D(c) < n. Observe que é possível calcular d, desde que (n) e e sejam conhecidos. Entretanto, se não conhecemos p e q é praticamente impossível calcular d. Voltando ao nosso exemplo, temos que n = 143 e e = 7. Para calcular d, usamos o Teorema de Euler: d.e 1 (mod (n)) d e((n)) – 1 (mod (n))
ou seja, d 7((143)) – 1 (mod (143)) d 7(120) – 1 (mod 120) d 732 – 1 (mod 120) d 731 (mod 120) d 103 (mod 120) Como exemplo, deciframos o primeiro bloco da mensagem cifrada: D(64) 64103 (mod 143) D(64) 64100 . 643 (mod 143) D(64) (6410)10 . 643 (mod 143) D(64) ((645)2)10 . 643 (mod 143) D(64) ((642 . 643)2)10 . 643 (mod 143) D(64) ((92 . 25)2)10 . 25 (mod 143) D(64) ((12)2)10 . 25 (mod 143) D(64) (144)10 . 25 (mod 143) D(64) (1)10 . 25 (mod 143) D(64) 25 (mod 143) Os outros blocos ficam como exercícios. A pergunta óbvia que surge agora é: D(C(b)) = b? Ou seja, decodificando um bloco de mensagem codificada, encontramos um bloco da mensagem original? Porque senão todo nosso esforço foi sem sentido. Vamos mostrar nessa seção que a resposta para esta pergunta é: sim! Consideremos então n = p . q. Vamos provar que D(C(b)) b (mod n)
196
CAPÍTULO 14 RSA
E por que não a igualdade D(C(b)) = b (mod n)? Observe que D(C(b)) e b são menores que (n – 1). Por isso escolhemos b menor que n e mantivemos os blocos separados depois da codificação. Pela definição de D e C temos que D(C(b)) (be)d bed (mod n) Mas d é o inverso de e módulo (n). Logo, existe inteiro k tal que e.d = 1 + k.(n). Logo, bed b1 + k.( n ) b . (b (n))k (mod n) Se m.d.c.(b, n) = 1, então podemos usar o teorema de Euler: bed (1)k . b b (mod n) Se b e n não são primos entre si, observe que n = p . q, p e q primos distintos. Logo, bed b1 + k. (n) b1 + k.(p-1).(q-1) (b(p-1))k.(q-1). b (mod n) Se m.d.c.(b, p) = 1, então podemos usar o teorema de Fermat [bp-1 1 (mod p)]. Caso contrário, temos que p | b e portanto bed b 0 (mod p) Logo, bed b (mod p) qualquer que seja b. Fazemos o mesmo para o primo q, obtendo: bed b (mod q) Portanto, bed b (mod p.q) bed b (mod n) c.q.d. Exemplo 14.2: A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
[] 99
Digamos que você está interessado em enviar a mensagem
197
CAPÍTULO 14 RSA
FINALMENTE Você deve inicialmente numerar toda a palavra de acordo com a tabela acima: 15 18 23 10 21 22 14 23 29 14 Agora, suponha que a chave seja (n, e) = (7663, 17) Então você deve escolher blocos numéricos para codificar que sejam menores que n e que não comecem com zero. Escolhamos, por exemplo, os seguintes blocos (veja que isso vai depender da máquina que você está trabalhando): 151 – 823 – 102 – 122 – 142 – 329 – 14 Basta agora pegar cada bloco e elevar à potência e módulo n: 15117 5137 (mod 7663) 15117 5137 (mod 7663) 82317 3345 (mod 7663) 10217 1635 (mod 7663) 12217 3009 (mod 7663) 14217 2186 (mod 7663) 32917 3890 (mod 7663) 1417 2032 (mod 7663) A mensagem codificada é 5137 – 3345 – 1635 – 3009 – 2186 – 3890 – 2032 Agora vejamos como fazer se recebemos uma mensagem codificada por alguém utilizando a chave pública (n, e) = (7663, 17). Suponha que a mensagem recebida seja a mesma obtida acima: 5137 – 3345 – 1635 – 3009 – 2186 – 3890 – 2032 Para entender o que significa você precisa da chave privada d, que é inversa de e (mod ( n )). Etapas: 1. Primeiro, fatoramos o número n = 7623 ( veja abaixo a fatoração pelo método de Fermat). Encontramos os primos 79 e 97. 2. Calculamos (n) = (7663) = (79) . (97) = 78.96 = 7488.
198
CAPÍTULO 14 RSA
3. Calculamos d e((n)) – 1 (mod (n)) 17(7488) – 1 (mod 7488) 881 (mod 7488). 4. Agora basta pegar cada bloco que recebemos e elevar à potência d módulo n. 5137881 151 (mod 7663) 3345881 823 (mod 7663) 1635881 102 (mod 7663) 3009881 122 (mod 7663) 2186881 142 (mod 7663) 3890881 329 (mod 7663) 2032881 14 (mod 7663) 5. Então colocamos os resultados alinhados 151 – 823 – 102 – 122 – 142 – 329 – 14 depois separamos em blocos de dois números 15 18 23 10 21 22 14 23 29 14 que corresponde a mensagem enviada FINALMENTE
14. 3. Assinatura digital utilizando a criptografia RSA 1º passo: Como a segurança do RSA reside na dificuldade de fatorar números que são produtos de 2 primos; então é aconselhável escolher primos bem grandes (10 ou mais dígitos). Mas, para fins didáticos vamos escolher primos relativamente pequenos (menores que 1000), cuja idéia é a mesma para primos grandes. Ainda, para efeitos deste exemplo, chamaremos o remetente de Alice (A) e o destinatário de Bob (B). Para elaborarmos as chaves públicas e privadas do esquema, então escolhemos adequadamente dois primos p e q para cada participante, e calculamos o produto n = p . q. Os números primos de Alice são: pA = 859, qA = 547. Que resulta em nA = 469873. Os números primos de Bob são: pB = 937, qB = 461. Que resulta em nB = 431957. *Observação 1: os primos p e q não devem ser muito próximos para evitar fatorações rápidas como a de Fermat.
2º passo: O número n encontrado desta maneira faz parte tanto da chave pública como da chave privada de cada participante. Agora, escolhemos um número e que também será público e que seja relativamente primo à função de Euler (n) MDC((n), e) = 1.
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CAPÍTULO 14 RSA
Para Alice, (nA) = (859) . (547) = 858 . 546 = 468468. Uma boa escolha para Alice é o número primo eA = 5, pois o MDC(468468, 5) = 1. Para Bob, (nB) = (937) . (461) = 936 . 460 = 430560. Uma boa escolha para Bob é o número primo eB = 7, pois o MDC(430560, 7) = 1. *Observação 2: a chave pública e não é necessariamente um número primo, este exemplo foi apenas uma mera coincidência.
3º passo: Tendo posse de (n) e da chave pública e, podemos calcular a chave secreta d. Sendo que d é o inverso multiplicativo de e, ou seja, e.d 1 (mod (n)). Pelo teorema de Euler, d e ( ( n ))1(mod (n )) . Fazendo os devidos cálculos encontramos que: Para Alice, 5. dA 1 (mod 468468) dA = 281081. Para Bob, 7. dB 1 (mod 430560) dB = 307543. *Observação 3: uma forma computacional rápida para se encontrar a chave privada d é: int d = 0; for ( d = 2; d < phi; d++ ) {if ( (e * d) % phi == 1 ) ) {System.out.println( “Inverso = ” + d ); break; // d encontrado, sai do laço}}
Pronto, já temos posse das chaves necessárias para cifrar e decifrar mensagens. O que deve ser disponibilizado nas páginas amarelas ou qualquer diretório público: Chave pública de Alice (nA, eA) = (469873, 5). Chave pública de Bob (nB, eB) = (431957, 7). O que não deve ser disponibilizado, pois é secreto e pertence somente aos seus donos: Chave privada de Alice (nA, dA) = (469873, 281081). Chave privada de Bob (nB, dB) = (431957, 307543). *Observação 4: note que tanto os primos p e q, assim como a função (n), também devem ser mantidos secretos! Pois a partir de p e q, pode-se facilmente calcular (n) = (p – 1) * (q – 1). E vice-versa, a partir de (n) pode-se calcular p e q através de um sistema linear e uma simples equação do 2º grau. Tendo posse de (n), calcula-se a chave privada d como demonstrado.
4º passo: Finalmente, como fazer para criptografar uma mensagem? Por exemplo, tomemos a palavra “BRASIL”, que no código ASCII corresponde aos valores: (66, 82, 65, 83, 73, 76) Concatenando esses valores, obtemos 668265837376. Reagrupando em blocos (de qualquer tamanho), obtemos 668, 265, 837, 376. O valor contido em cada bloco não deve exceder o valor da chave pública n. Também se deve tomar cuidado para que nenhum bloco inicie com o valor zero, com risco de se criar um erro na cifragem. Os blocos evitam ataques por freqüência, já que se a mensagem fosse codificada caractere por caractere, o RSA se tornaria uma mera cifra de substituição. A codificação dos blocos é feita, elevando-se cada valor do bloco ao expoente público e módulo n do destinatário, obtendo-se o menor valor positivo correspondente. Assim, se Alice deseja enviar a palavra “BRASIL” para Bob, ela deve utilizar a chave pública (nB, eB) = (431957, 7) de Bob, e efetuar C(b) = be (mod n), da seguinte forma:
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CAPÍTULO 14 RSA
C(668) = 6687 (mod 431957) 331318 (mod 431957) C(265) = 2657 (mod 431957) 387742 (mod 431957) C(837) = 8377 (mod 431957) 213180 (mod 431957) C(376) = 3767 (mod 431957) 121902 (mod 431957) Alice, então, deve enviar a mensagem criptografada (331318, 387742, 213180, 121902) para Bob. 5º passo: Para decifrar a mensagem, Bob deve proceder de maneira inversa, utilizando a sua chave secreta (nB, dB) = (431957, 307543), ou seja, D(c) = cd (mod n), da seguinte forma (geralmente não é uma congruência fácil de resolver...): D(331318) = 331318307543 (mod 431957) 668 (mod 431957) D(387742) = 387742307543 (mod 431957) 265 (mod 431957) D(213180) = 213180307543 (mod 431957) 837 (mod 431957) D(121902) = 121902307543 (mod 431957) 376 (mod 431957) Bob reagrupa a mensagem decodificada 668265837376, separa em pares, (66, 82, 65, 83, 73, 76) e obtém a mensagem original “BRASIL”. Propriedades matemáticas garantem que aplicando a função de cifragem e depois decifragem, a mensagem original continua a mesma, isto é, b = D(C(b)).
Assinatura: Assinar uma mensagem é garantir que ela realmente vem de quem diz ser o remetente. Como podemos assinar uma mensagem utilizando o RSA? No exemplo, anterior, perceba que em nenhum momento chegamos a usar as chaves do remetente (Alice), portanto é chegada a hora. Devido às propriedades matemáticas das chaves públicas e privadas e e d, Alice pode utilizar sua própria chave privada dA “decodificar” a mensagem original ao invés de normalmente utilizá-la para decifrar uma mensagem cifrada com sua chave pública destinada a ela. Isto faria com que a mensagem ficasse cifrada com a sua chave privada, e como isto seria útil? Antes de partimos para o exemplo numérico, uma breve teoria. O que foi feito anteriormente (no exemplo de Bob): b CB(b) DB(CB(b)) b
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CAPÍTULO 14 RSA
onde b é a mensagem em texto puro “BRASIL”, CB( ) é a função de cifragem que utiliza a chave pública de Bob, e DB( ) é a função de decifragem que utiliza a chave secreta de Bob. O esquema de assinatura digital consiste em b DA(b) CB(DA(b)) DB(CB(DA(b))) DA(b) CA(DA(b)) b Em outras palavras, Alice utiliza sua chave privada para “decodificar” a mensagem original (que inicialmente não é uma ação muito útil, pois qualquer pessoa com conhecimento da chave pública de Alice pode desfazer esta ação). Em seguida, Alice cifra o resultado com a chave pública de Bob. Neste ponto, o que temos? Uma mensagem-cápsula duplamente criptografada com a chave privada de Alice e a chave pública de Bob. CB(DA(b)) = mensagem assinada O que isto garante? Que Bob pode primeiramente decodificar esta mensagem-cápsula com sua própria chave privada, e assim obter de volta a mensagem criptografada com a chave privada de Alice. Mas aqui que surge o grande ponto: se Bob utilizar a chave pública de Alice, ele obterá a mensagem original! Como ninguém mais além de Alice possui a chave privada dA, então realmente aquela mensagem foi codificada inicialmente por Alice. A outra garantia vem de que somente Bob sabe disto, pois Alice sabiamente também utilizou a chave pública de Bob. Em resumo, no esquema tradicional (sem assinatura), b = D(C(b)). Entretanto, devido às propriedades matemáticas, também é verdade que b = C(D(b)). Ou seja, no esquema assinado temos, b = CA(DB(CB(DA(b)))), onde as funções são aplicadas de dentro para fora na ordem que aparecem. Agora o exemplo numérico. Relembrando as chaves públicas de Alice e Bob: Chave pública de Alice (nA, eA) = (469873, 5). Chave pública de Bob (nB, eB) = (431957, 7). Chave privada de Alice (nA, dA) = (469873, 281081). Chave privada de Bob (nB, dB) = (431957, 307543). 1º passo: Alice utiliza sua chave privada para “decodificar” a palavra “BRASIL” separada em blocos como no exemplo anterior (as mesmas observações de tamanho de bloco e valores menores que os módulos também valem para este caso): DA(668) = 668281081 (mod 469873) 249014 (mod 469873) DA(265) = 265281081 (mod 469873) 82081 (mod 469873) DA(837) = 837281081 (mod 469873) 221564 (mod 469873) DA(376) = 376281081 (mod 469873) 231544 (mod 469873)
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CAPÍTULO 14 RSA
2º passo: Em seguida, Alice pega o resultado e aplica na função de codificação com a chave pública de Bob: CB(249014) = 2490147 (mod 431957) 273379 (mod 431957) CB(82081) = 820817 (mod 431957) 45868 (mod 431957) CB(221564) = 2215647 (mod 431957) 414208 (mod 431957) CB(231544) = 2315447 (mod 431957) 363416 (mod 431957) Assim, Alice envia a mensagem criptografada assinada: (273379, 45868, 414208, 363416) 3º passo: Bob, ao receber a mensagem criptografada assinada, deve primeiramente aplicar sua chave privada (é uma calculeira danada, eu sei... Tente usar o computador!): DB(273379) = 273379307543 (mod 431957) 249014 (mod 431957) DB(45868) = 45868307543 (mod 431957) 82081 (mod 431957) DB(414208) = 414208307543 (mod 431957) 221564 (mod 431957) DB(363416) = 363416307543 (mod 431957) 231544 (mod 431957) Já aqui neste resultado, Bob deve obter algo que Alice obteve no 1º passo. 4º passo: Finalmente, Bob aplica a chave pública de Alice que garante que foi ela mesma que enviou esta mensagem (nenhuma outra pessoa além de Alice pode ter a chave privada dela, lembra?): CA(249014) = 2490145 (mod 469873) 668 (mod 469873) CA(82081) = 820815 (mod 469873) 265 (mod 469873) CA(221564) = 2215645 (mod 469873) 837 (mod 469873) CA(231544) = 2315445 (mod 469873) 376 (mod 469873) Novamente, Bob reagrupa a mensagem decodificada 668265837376, separa em pares, (66, 82, 65, 83, 73, 76) e obtém a mensagem original “BRASIL”.
203
CAPÍTULO 14 RSA
Exercícios ➢ Para os exercícios seguintes utilize a tabela abaixo ou a tabela ASCII A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
[] 99
1) Usando as chaves públicas dadas, codifique e decodifique as frases correspondentes: a) (n, e) = (1037, 7) SONHO b) (n, e) = (2201, 11) REMO c) (n, e) = (1577, 5) ESPERANDO 2) A chave pública utilizada pelo Banco Crash para codificar suas mensagens é a seguinte: (n, e) = (4559, 5) Os computadores do banco receberam, de local indeterminado, os seguintes blocos de mensagem: 2621 – 2608 – 3594 – 4261 O que diz a mensagem? 3) A mensagem 96 – 61 – 751 – 9 foi codificada pelo método RSA usando a chave (n, e) = (767, 13). Decodifique a mensagem. 4) Sabendo-se que n = 27641 é igual ao produto de dois primos e que (n) 27300 , determine os fatores primos de n. 5) Sabendo-se que n = 3552377 é igual ao produto de dois primos e que (n) 3548580 , determine os fatores primos de n. 6) A mensagem 6802 – 8728 – 9451 foi codificada pelo método RSA usando a chave (n, e) = (16517, 5). Além disso, sabe-se que (n) 16236 . Decodifique a mensagem. 7) (Assinatura Digital) Considere que o Banco Bandit possua a seguinte chave pública: (nB, eB) = (20099, 7) E a Empresa Explorit possua a seguinte chave pública: (nE , eE) = (61823, 11) Demonstre como a empresa enviaria a mensagem MONEY assinada ao banco e como o banco confirmaria a autenticidade da assinatura.
204
Capítulo 15
PARTILHA DE SENHAS O Teorema Chinês do Resto é utilizado em sistemas de partilha de senhas entre várias pessoas, de modo que para cada pessoa seja dado um elemento distinto em função da senha s a ser compartilhada. A grande vantagem do método de partilha de senhas é que cada pessoa contém uma chave diferente das outras chaves e uma pessoa sozinha não consegue decifrar a senha. Outra vantagem é que não é necessária a presença de todas as pessoas com suas respectivas chaves, bastam que k ou mais pessoas estejam presentes. A chave para cada pessoa é escolhida dentro um conjunto S composto por n pares de inteiros positivos de forma que, para cada inteiro positivo k n previamente escolhido, tem-se que: ▪ ▪
Qualquer subconjunto de S com k elementos permite determinar s facilmente; É muito difícil determinar s conhecendo menos que k elementos de S.
O primeiro passo é escolher um conjunto apropriado L de n inteiros positivos distintos, dois a dois primos entre si. Seja N o produto dos k menores números de L, e M o produto dos k – 1 maiores números de L, os elementos de L devem ser escolhidos com cuidado de forma que M < N, e a senha s possa ser escolhida arbitrariamente dentro do intervalo M < s < N. Os elementos até aqui mencionados são: L = {p1, p2, ..., pn}; onde p1 < p2 < ... < pn são primos distintos entre si. k = número de pessoas que se deseja estarem presentes para a decifragem da senha. N = p1.p2. ... .pk = produto dos k menores elementos de L. M = px.px+1. ... . pn = produto dos k – 1 maiores elementos de L. s = senha aleatória que não tem relação alguma com L, mas deve ser escolhida de forma que M < s < N. Posteriormente, o conjunto gerador de chaves S será constituído pelos pares da forma (p, sp) onde p L e sp é a forma reduzida de s (mod p). Um limite k 2 implica em s > p para qualquer p L. Logo sp < s para qualquer p L. Supõe-se que sejam conhecidos, em um dado momento, t k pares de elementos de S, ou seja, existem t pessoas presentes para a decifragem da senha s. Denota-se esses pares por (p1, s1), (p2, s2), ..., (pt, st). S = {(p1, sp1), (p2, sp2), ..., (pt, spt)} Para se chegar à senha s é necessário resolver o seguinte sistema de congruências: x s1 (mod p1) x s2 (mod p2) ... x st (mod pt) Pelo Teorema Chinês do Resto, obtém-se x0 como solução, tal que: x0 s (mod p1.p2. ... .pt)
205
CAPÍTULO 15 PARTILHA DE SENHAS
É sabido que como t k, (p1.p2. ... .pt) N > k, e o sistema de congruências tem uma única solução menor que (p1.p2. ... .pt). Observações: ▪ É possível escolher os módulos de s de modo que seja impraticável encontrar s através de uma busca, conhecendo-se apenas uma das chaves; ▪ É sempre possível escolher um conjunto L que satisfaça todas as condições. A seguir, um exemplo prático para efeito de esclarecimento. Exemplo 15.1: No banco “Golden Luck” há 5 funcionários responsáveis pela manutenção da senha de um cofre, e pelo menos 2 pessoas (k = 2) têm que estar presentes para a abertura do mesmo. Logo, o conjunto L deve possuir 5 elementos e seu limiar deve igual a 2. Uma possível escolha para L envolvendo somente primos pequenos é L = {11, 13, 17, 19, 23} A partir do qual se calcula os valores dos limites N e M: N = 143 = 11.13 = produto dos (k = 2) menores elementos de L. M = 23 = produto dos (k – 1 = 2-1=1) maiores elementos de L. O valor da senha s pode ser escolhido aleatoriamente como qualquer inteiro no intervalo que vai de 23 a 143 (M < s < N). Por exemplo, suponha que a senha seja s = 50. Então o conjunto S que contêm os elementos da senha é: S = {(11, 6), (13, 11), (17, 16), (19, 12), (23, 4)} O segundo termo de cada elemento de S, sm, é o resto da divisão de s = 50 por cada termo correspondente de L, ou seja, s(mod p). Se os funcionários que possuem as senhas (17, 16) e (23, 4), por exemplo, estão no banco, para obter a senha seria preciso resolver o sistema: x 16 (mod 17) x 4 (mod 23) Solução: m = 17. 23 = 391 m m M1 = = 23 ; M 2 = = 17 m1 m2 Os inversos x1 e x2 de M1 e M2 são dados por: 23 x1 1 (mod 17) e
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17x1 1 (mod 23)
CAPÍTULO 15 PARTILHA DE SENHAS
Aplicando o método de Euler nas equações acima obtemos as soluções respectivas: x1 = 3 e x2 = 19 . Portanto, temos x a1M1x1 + a2M2x2 (mod m) x 16 . 23 . 3 + 4 . 17 . 19 (mod 391) x 2396 (mod 391) x = 50 Assim, determina-se que 50 é o menor valor inteiro positivo congruente a x, que é a senha correta.
Exercícios 1. Por motivo de segurança o banco “ Golden Luck” trocou a senha do cofre. Dois funcionários possuem as chaves (13, 5) e (19, 17). Qual a nova senha? 2. Após uma nova troca de senhas no banco “Golden Luck”, 2 funcionários tem agora as chaves (31, 6) e (41, 20). Qual é a senha agora? 3. Como duas pessoas só sabem guardar um segredo se uma delas já estiver morta, o banco “Golden Luck” resolveu fazer uma mudança completa no esquema de segurança e novamente a senha foi trocada, além disso ficou estabelecido que estejam presentes, no mínimo, 3 pessoas para que o cofre possa ser aberto. Três funcionários estão com as chaves (53, 21), (61, 9) e (71, 35). Qual é a senha?
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