ICT/COS-Kista Föreläsning Hela tal i kursen Diskret Matematik #IX1305 HT 08. (Andra föreläsningen av Bo Åhlander) Kapitel 4 Hela tal 4.2 Delbarhet Definition: Heltalet b delar heltalet a om det finns ett heltal n sådant att a = n·b Vi skriver då kortare b | a Exempel: 3 | 6, 5 | 100, 641 | (232 + 1) Exempel: 3 F7, 5 F 61 där F står för är inte delare till. Sats: Låt a, b, c, x och y vara heltal. Då, i) b | a och a | b fl a = ≤b ii) c | b och b | a fl c | a iii) c | a och c | b fl c | x·a + y·b iv) b | a och a > 0 fl b ≤ a Speciellt, för heltal a ≠ 0 gäller, ≤1 | a och ≤a | a Definition: Ett heltal p>1 kallas ett primtal om p endast har delarna ≤1 och ≤p (d.v.s. saknar så kallade äkta delare). Exempel: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19 är alla primtal under 20. Exempel: 20 är inte ett primtal eftersom 20 har äkta delare som t.ex. 5 och –2. Definition: Ett heltal a > 1 säges vara sammansatt om det inte är ett primtal (d.v.s. om det har äkta delare). Sats: Aritmetikens fundamentalsats. Varje heltal > 1 kan på ett (så när som på ordningen) entydigt sätt skrivas som en produkt av primtalspotenser. Exempel: 25 = 5 2 , 720 = 2 4 ⋅ 3 2 ⋅ 5, 641 = 6411 , 1024 = 210 1(5) ICT/COS-Kista Sats: Det finns oändligt många primtal (Euklides) Bevisskiss: Sats: Motsägelsebevis d.v.s. antag att det bara finns ändligt många primtal, säg p1, p2, … , pk. Vi betraktar talet P = p1· p2· … ·pk+1. Uppenbarligen är P olika (ty större än) var och ett av primtalen p1, p2, … , pk. Är P ett primtal har vi då fått en motsägelse som bottnar i att vi antagit att de ändligt många talen p1, p2, … , pk är alla primtal som finns. Är P inte ett primtal har ändock P (enligt Aritmetikens fundamentalsats) en primtalsdelare, säg q. Men då, q kan inte var lika med något av talen p1, p2, … , pk eftersom inget av dessa delar P medan q gör det. Så igen har vi funnit ett nytt primtal (q) vid sidan om p1, p2, … , pk . Motsägelse igen. Det följer att antalet primtal är oändligt! Q.E.D: Divisionsalgoritmen. Låt a och b vara heltal, b>0. Då finns heltal q och r sådana att a = q·b + r och 0 ≤ r < b Här är q och r entydigt bestämda. Exempel: a = 100, b = 7. Då q = 14, r = 2 och vi får 100 = 14·7 + 2 (Här 14·7 = 98 och 0 ≤ 2 <7) 4.3 Största gemensamma delare Definition: För två hela tal a och b, ej båda noll, definieras största gemensamma delaren (a, b) som det största heltal som delar både a och b. Exempel: (100, 75) = 25, (–10, 16) = 2, (7, 0) = 7 Största gemensamma delaren bestäms med euklides algoritm eller med primfaktorsuppdelning (, jämför Aritmetikens fundamentalsats). Exempel: euklides algoritm a = 1000, b = 150 1000 = 6⋅150 + 100 150 = 1⋅100 + 50 100 = 2⋅50 + 0 Sista resten ≠ 0 ger (a, b) d.v.s. (1000, 150) = 50 2(5) ICT/COS-Kista Exempel: Sats: Om för heltalen a och b vi har d = (a, b) så finns heltal s och t så att d = s⋅a + t⋅b (Direkt följd av euklides algoritm fram och baklänges) Exempel: Sats: Primfaktorsuppdelning a = 1000, b = 150 3 3 1 1 1000 = 2 ⋅ 5 , 150 = 2 ⋅ 3 ⋅ 5 2 Då, (1000, 150) = 2 min(3,1) ⋅ 3 min(0,1) ⋅ 5 min(3, 2) = 21 ⋅ 30 ⋅ 5 2 = 2 ⋅ 1 ⋅ 25 = 50 a = 1000, b = 150. Enligt tidigare exempel är d = (1000, 150) = 50. Väljes s = –1, t = 7 fås, d = s⋅a + t⋅b = (–1)⋅1000 + 7⋅150 = –1000 + 1050 = 50 Låt a och b vara två heltal, ej båda noll. För positiva heltalet d gäller: i) d | a och d | b ii) Om heltalet c sådant att c | a och c | b så c | d Då, d = (a, b) 4.4 Diofantiska ekvationer (, ekvationer som kräver heltalslösningar) Vi skall begränsa oss till att behandla diofantiska ekvationer av typen a⋅x + b⋅y = c där heltalen a, b och c antas kända och heltalen x och y skall bestämmas. Sats: a, b och c är heltal. Den diofantiska ekvationen a⋅x + b⋅y = c har lösning precis då (a, b) | c Exempel: Diofantiska ekvationen 6⋅x + 9⋅y = 4 har inga lösningar eftersom (6, 9) = 3 och 3 F 4. Exempel: Diofantiska ekvationen 7⋅x + 5⋅y = 2 har lösningar eftersom (7, 5) = 1 och 1 | 2. Vi bestämmer en lösning med euklides algoritm (fram och baklänges). Divisionsalgoritmen ger: 7 = 1⋅5 + 2 ⇔ 2 = 7 – 1⋅5 5 = 2⋅2 + 1 ⇔ 1 = 5 – 2⋅2 2 = 2⋅1 + 0 Sedan, 1 = 5 – 2⋅2 = 5 – 2(7 – 1⋅5) = (–2)⋅7 + 5 + 2⋅5 = (–2)⋅7 + 3⋅5 Sålunda, (–2)⋅7 + 3⋅5 = 1 Multiplikation med 2 ger, 2⋅(–2)⋅7 +2⋅3⋅5 = 2⋅1 (–4)⋅7 + 6⋅5 = 2 Således, vi har funnit lösningen (x, y) = (– 4, 6) åt 7⋅x + 5⋅y = 2 3(5) ICT/COS-Kista Sats: Om ( x0 , y 0 ) är en lösning till diofantiska ekvationen ax + by = c fås alla lösningar (= den allmänna lösningen) genom b ⎧ x = x − n ⋅ 0 ⎪ d där d = (a, b) och n ∈ Z (d.v.s. n är ett godtyckligt heltal) ⎨ a ⎪ y = y0 + n ⋅ d ⎩ Bevis: Antag att (x, y) liksom ( x0 , y 0 ) är lösning åt ax + by = c . Vi får, ax + by = c = ax0 + by 0 ⇒ a( x − x0 ) + b( y − y 0 ) = 0 . a b ⎛a b⎞ ( x − x0 ) + ( y − y 0 ) = 0 där ⎜ , ⎟ = 1 . d d ⎝d d ⎠ a a a | ( y − y0 ) ⇒ y − y0 = n ⋅ , n ∈ Z ⇒ y = y0 + n ⋅ Det följer, d d d Sedan, a b a b a ( x − x0 ) + ( y − y 0 ) = ( x − x0 ) + ⋅ n ⋅ = 0 ⇒ d d d d d b b ⇒ x − x0 + ⋅ n = 0 ⇒ x = x0 − n ⋅ d d Q.E.D Då, 4.5 Aritmetikens fundamentalsats (formulerad tidigare) 4.6 Minsta gemensamma multipel Definition: Låt a och b vara två heltal, båda skilda från noll. Med minsta gemensamma multipel till a och b menar vi det minsta positiva heltalet m som delas av både a och b. Vi skriver, m = [a, b] Exempel: a = 8, b = 12. Då, [a, b] = 24 Exempel: [3, 5] = 15 Sats: Om a, b ∈ Z+ så (a, b)⋅ [a, b] = a⋅b Exempel: a = 10, b = 15 Då, (a, b) = 5 och [a, b] = 30 (a, b)⋅[a, b] = 5⋅30 = 150 och a⋅b = 10⋅15 = 150. Stämmer! 4(5) ICT/COS-Kista Exempel: Bestämma [a, b] med primfaktorsuppdelning a = 100, b = 375 Då, a = 22⋅52 och b = 31⋅53 . Vi får, [a, b] = 2max(2,0)⋅3max(0,1)⋅5max(2,3) = 22⋅31⋅53 = = 4⋅3⋅125 = 1500 Exempel: a = 100, b = 375 Då, a = 22⋅52 och b = 31⋅53 . Vi får, [a, b] = 2max(2,0)⋅3max(0,1)⋅5max(2,3) = 22⋅31⋅53 (a, b) = 2min(2,0)⋅3min(0,1)⋅5min(2,3) = 20⋅30⋅52 Då, (a,b)ÿ[a,b] = 2min(2,0)⋅3min(0,1)⋅5min(2,3) ÿ2max(2,0)⋅3max(0,1)⋅5max(2,3)= = 2min(2,0)+max(2,0)⋅3min(0,1)+max(0,1)⋅5min(2,3)+max(2,3)= = 20+2⋅30+1⋅52+3=(22⋅30⋅52)ÿ(20⋅31⋅53)ÿ= (22⋅52)ÿ(31⋅53)ÿ= a⋅b (Allmänt gäller min(m,n) + max(m,n) = m + n vilket kan användas för ett bevis av sambandet (a, b)⋅ [a, b] = a⋅b efter primfaktorsuppdelning av a och b och användning av min(m,n) + max(m,n) = m + n för primtalsexponenterna analogt med sista exemplet). Speciellt: Om, (a, b) = 1 fås [a, b] = a⋅b Definition: Om (a, b) = 1 sägs a och b vara relativt prima. Slut! 5(5)