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A.6 · Congruências, divisibilidade e funções aritméticas

GRE Subject Test · GRE Mathematics · Tópico 12

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Escopo e pré-requisitos

Preparação de graduação para o GRE. Objetivos locais dentro do escopo revisado do ETS; este é ensino original, não um teste oficial ou preditor de nota.

Pré-requisitos: Algoritmo de Euclides, fatores primos e aritmética modular.

  • Resolver congruências lineares usando condições de mdc
  • Combinar congruências coprimas com o teorema chinês do resto
  • Aplique o teorema de Euler apenas a resíduos invertíveis
  • Use divisibilidade por expoentes primos para encontrar inteiros admissíveis mínimos

congruência: Igualdade de resíduos porque o módulo divide sua diferença.

físio: A contagem de resíduos coprimos ao módulo inteiro positivo.

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Escolher e justificar um método

A equação ax≡b modulo n tem solução exatamente quando d=gcd(a,n) divide b. Se sim, divida a,b,n por d para obter uma equação com coeficiente invertível. Ela possui uma solução de resíduo modulo n/d e d soluções distintas modulo n. Dividir o coeficiente mas manter o módulo original geralmente perde soluções. A fatoração prima fornece outra ferramenta de divisibilidade: se n^k deve ser divisível por um produto de potências primas p^a, cada expoente primo em n deve ser pelo menos ceil(a/k). Esses expoentes mínimos produzem independentemente o menor n admissível positivo. Para n⁴ divisível por 2⁷·3⁵, n deve conter 2² e 3², logo o menor valor é 36. Esta é uma condição de expoente primo, não uma congruência resolvida por divisão modular.

O algoritmo estendido de Euclidean expressa gcd(a,n) como ua+vn. Quando o gcd é 1, u é um inverso de a modulo n. Escolha um representante no intervalo necessário após a redução. Para 7 e 26, 1=15·7−4·26, assim 15 é o inverso de 7 modulo 26; verifique o produto para capturar erros de sinal.

Para módulos positivos coprimos m,n, o teorema chinês do resto dá exatamente uma solução modulo mn para cada par de condições de resíduo. Substitua x=r+mk na segunda congruência e resolva para k. Se os módulos não forem coprimos, seus valores de resíduo devem concordar modulo gcd(m,n); quando consistente, a unicidade é modulo o mínimo múltiplo comum, não o produto.

A função totiente de Euler φ(n) conta resíduos coprimos a n. Para divisores primos distintos p, φ(n)=n vezes o produto de (1−1/p). O teorema de Euler dá a^φ(n)≡1 apenas quando gcd(a,n)=1. O caso primo é o pequeno teorema de Fermat. Reduza expoentes apenas após verificar esta condição; um não-unitário pode se tornar zero sob potências repetidas.

Vocabulário Treinar
English Português
congruence/ˈkɒŋɡruːəns/ congruência
totient/ˈtəʊʃənt/ função totiente
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Raciocínio resolvido

Resolva 6x≡9 módulo 15. O mdc é 3 e divide 9. Divida todas as três quantidades para obter 2x≡3 módulo 5; o inverso de 2 é 3, logo x≡9≡4 módulo 5. As soluções originais módulo 15 são 4,9,14. Para x≡2 módulo 4 e x≡3 módulo 7, escreva x=2+4k; então 4k≡1 módulo 7, resultando em k≡2. Portanto x≡10 módulo 28.

Tabela: x = 4, 9 e 14 módulo 15 todos dão 6x ≡ 9
Resolva 2x ≡ 3 (mod 5) para obter x ≡ 4, depois eleve para três soluções módulo 15
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Condições e contraexemplos

A expressão a^phi(n)≡1 é falsa para a arbitrário. Por exemplo, 2 não é invertível módulo 8 e 2^4 é zero módulo 8.

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Aplicação guiada

Resolva $8x\equiv12\pmod{20}$ completamente. Encontre um inverso de 7 modulo 20. Explique por que o teorema de Euler não pode ser usado para substituir $2^8$ por 1 modulo 20.

Solução resolvida

O gcd é quatro e divide 12. Dividindo todos os três números obtemos $2x\equiv3\pmod5$, logo $x\equiv4\pmod5$. Modulo 20 as quatro respostas são $4,9,14,19$; a substituição dá resto 12 cada vez. Como $7\cdot3=21$, o inverso de 7 é 3. Embora $\phi(20)=8$, o teorema de Euler exige uma unidade. O gcd de 2 e 20 é dois, e $2^8=256\equiv16$, não 1.

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Transferência independente

Resolva $x\equiv2\pmod6$, $x\equiv5\pmod9$, ou prove inconsistência. Indique o módulo para unicidade. Encontre o menor n positivo tal que $2^5\cdot3^7$ divide $n^3$.

Verificar após tentar

Os resíduos concordam modulo o gcd três. Coloque $x=2+6k$: então $6k\equiv3\pmod9$, portanto $2k\equiv1\pmod3$ e $k\equiv2\pmod3$. Logo $x\equiv14\pmod{18}$. O módulo é o mmc, não 54. Para o problema de divisibilidade, escreva os expoentes primos em n. Eles devem satisfazer $3a\ge5$, $3b\ge7$, logo $a\ge2$, $b\ge3$. O menor n é $2^2\cdot3^3=108$; outros fatores primos só podem aumentá-lo.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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