Dette brukte vi f.eks. til å bevise binomialteoremet. n i. (a + b) n = a i b n i. i=0

Like dokumenter
MA1301 Tallteori Høsten 2014 Oversikt over pensumet

Repetisjon: høydepunkter fra første del av MA1301-tallteori.

MA1301 Tallteori Høsten 2014 Løsninger til Eksamen

Løysingsforslag til eksamen i MA1301-Talteori, 30/

Euklids algoritmen. p t 2. 2 p t n og b = p s 1. p min(t 2,s 2 )

Forelesning 19 torsdag den 23. oktober

Forelesning 14 torsdag den 2. oktober

Løsningsforslag Øving 5 TMA4140 Diskret matematikk Høsten 2010

Største felles divisor. (eng: greatest common divisors)

Oversikt over lineære kongruenser og lineære diofantiske ligninger

6 Kryptografi Totienten Eulers teorem Et eksempel på et bevis hvor Eulers teorem benyttes RSA-algoritmen...

Oversikt over det kinesiske restteoremet

MA1301 Tallteori Høsten 2014

Introduksjon i tallteotri med anvendelser

Teorem 10 (Z n, + n ) er en endelig abelsk gruppe. 8. november 2005 c Vladimir Oleshchuk 35. Teorem 11 (Z n, ) er en endelig abelsk gruppe.

Oversikt over bevis at det finnes uendelig mange primtall med bestemte egenskaper

Il UNIVERSITETET I AGDER

HJEMMEOPPGAVER (utgave av ):

Oversikt over kryptografi

TMA4140 Diskret Matematikk Høst 2018

Oversikt over kvadratiske kongruenser og Legendresymboler

Primtall. Et heltall p > 0 kalles et primtall hvis kun 1 og p går opp i p.

Heltallsdivisjon og rest div og mod

KAPITTEL 10. EUKLIDS ALGORITME OG DIOFANTISKE LIGNINGER

Løsningsforslag til eksamenen i MAT103, våren 2015

Heltallsdivisjon og rest div og mod

STØRRELSER OG TALL Om størrelser skriver Euklid i Bok 5: 1. En størrelse er en del av en annen størrelse, den mindre av den større når den måler (går

1. Bevis følgende logiske ekvivalens: ((p q) p) (p q) 2. Bestem de sannhetsverdier for p, q og r som gjør følgende utsagn galt: (p (q r)) (q r p)

MA1301 Tallteori Høsten 2014 Oversikt over pensumet for midtsemesterprøven

MAT 4000 Innføring i klassisk tallteori

MAT 1140 Innføring i klassisk tallteori

Lineære likningssystemer og matriser

Forelesning 24 mandag den 10. november

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Relativt primiske tall

Forelesning 20 mandag den 27. oktober

TALL. 1 De naturlige tallene. H. Fausk

KONTINUASJONSEKSAMEN I TMA4140 LØSNINGSFORSLAG

KLASSISK TALLTEORI. Erik Alfsen og Tom Lindstrøm. Matematisk Institutt, UiO, 1994

Karakteriseringen av like mengder. Mengder definert ved en egenskap.

Forelesning 11 mandag den 22. september

Løsningsforslag til prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

Forelesning 10 torsdag den 18. september

MAUMAT644 ALGEBRA vår 2016 Andre samling Runar Ile

Forelesning 6 torsdag den 4. september

LF, KONTINUASJONSEKSAMEN TMA

MAT1030 Forelesning 17

Diofantiske likninger Peer Andersen

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MNF130 VÅREN 2010 OPPGAVE 1

Modulo-regning. hvis a og b ikke er kongruente modulo m.

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen MAT H Løsninger

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Oblig 1 - MAT2400. Fredrik Meyer

RAMMER FOR MUNTLIG EKSAMEN I MATEMATIKK ELEVER 2018

Matematikk for IT, høsten 2016

Andrew Wiles, modularitetsformodningen og Fermats siste sats

MAUMAT644 ALGEBRA vår 2016 Første samling Runar Ile

Øvingsforelesning 5. Binær-, oktal-, desimal- og heksidesimaletall, litt mer tallteori og kombinatorikk. TMA4140 Diskret Matematikk

Hva man må kunne i kapittel 2 - Algebra

LØSNINGSFORSLAG SIF5015 DISKRET MATEMATIKK Onsdag 18. desember 2002

1 Primtall og divisorer

Forord. Oslo, juni 2001 Arne B. Sletsjøe

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i TMA4155 Kryptografi Intro Høst 2003 Løsningsskisse

Forside. MAT INF 1100 Modellering og beregninger. Mandag 9. oktober 2017 kl Vedlegg (deles ut): formelark. Tillatte hjelpemidler: ingen

Forberedelseskurs i matematikk

RAMMER FOR MUNTLIG EKSAMEN I MATEMATIKK ELEVER 2015

Rekurrens. MAT1030 Diskret matematikk. Rekurrens. Rekurrens. Eksempel. Forelesning 16: Rekurrenslikninger. Dag Normann

INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16

b) 17 går ikke opp i 84 siden vi får en rest på 16 når 84 deles med 17 c) 17 går opp i 357 siden

Forelesning 1 mandag den 18. august

Notater fra forelesning i MAT1100 mandag

Prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag øving 7

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Egenverdier for 2 2 matriser

Niels Henrik Abels matematikkonkurranse Finale Løsninger

KJENT OG UKJENT I ELEMENTÆR TALLTEORI. Dan Laksov KTH, Stockholm

MATEMATIKK 1 (for trinn) Emnebeskrivelser for studieåret 2014/2015

DAFE BYFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 1 Innleveringsfrist Fredag 22. januar :00 Antall oppgaver: 5.

Oppfriskningskurs i matematikk Dag 3

Polare trekanter. Kristian Ranestad. 27. oktober Universitetet i Oslo

Kryptogra og elliptiske kurver

Inverse matriser. E.Malinnikova, NTNU, Institutt for matematiske fag. September, 2009

KOMPENDIUM FOR FORKURS I MATEMATIKK FOR MASTERSTUDIET I INFORMASJONSSIKKERHET VED HØGSKOLEN I GJØVIK SOMMEREN 2004.

UNIVERSITETET I OSLO

Underveiseksamen i MAT-INF 1100, 17. oktober 2003 Tid: Oppgave- og svarark

Problemløsing. Treningshefte foran Niels Henrik Abels matematikk-konkurranse. Einar Andreas Rødland 199X

Notat om Peanos aksiomer for MAT1140

Diskret matematikk tirsdag 13. oktober 2015

MYNTVEKSLING Cirkeln, KTH 31 Jan. 02

Prosent- og renteregning

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Transkript:

Prinsippet om matematisk induksjon: anta du har en påstand som er avhengig av et positivt heltall n. Om du kan vise to ting, nemlig at påstanden er sann for n = 1 og at om påstanden er sann for n = k, så er den også sann for n = k +1, så er den sann for alle positive heltall n. Dette brukte vi f.eks. til å bevise binomialteoremet (a + b) n = n i=0 ( n i ) a i b n i 1

Euklids algoritme Teorem 1 La a og b være positive heltall. Divider gjentatte ganger, inntil en rest blir null: Da er r n = gcd(a, b). a = q 1 b + r 1 b = q 2 r 1 + r 2. r k 2 = q k r k 1 + r k. r n 2 = q n r n 1 + r n r n 1 = q n+1 r n + 0 2

Baklengs gjennom Euklids algoritme for å uttrykke gcd(a, b) som en kombinasjon av a og b, vi fjerner en rest for hver likning. Men først: r n = r n 2 q n r n 1 Eliminer r n 1 fra nest siste likning: r n 1 = r n 3 q n 1 r n 2 Sett inn i den første: r n = r n 2 q n r n 1 = r n 2 q n (r n 3 q n 1 r n 2 ) Eliminer r n 2 fra tredje siste likning, osv. Til slutt står det r n = noe.b + noe.r 1 = noe.b + noe(a qb) så den første likningen brukes til å eliminere r 1. Til slutt finner vi altså d = gcd(a, b) = ax + by for passe heltall x og y. 3

Likningen ax + by = c, der a, b, c er heltall, kalles en lineær diofantisk likning. Vi er interessert i heltallsløsninger. Da har vi dette resultatet: Teorem 2 ax + by = c har en løsning hvis og bare hvis d = gcd(a, b) deler c. Hvis x = x 0, y = y 0 er en løsning, er alle løsninger gitt ved x = x 0 + b d t, y = y 0 a d t der parameteren t gjennomløper alle hele tall. For å finne den første løsningen x 0, y 0, utfør Euklids algoritme for a og b, gå baklengs gjennom den for å uttrykke d som en kombinasjon av a og b, og gang med c/d. 4

Teorem 3 (Aritmetikkens fundamentalteorem) Ethvert positivt heltall kan skrives entydig som et produkt av primtall. Husk at et primtall er et heltall > 1 som bare kan deles på seg selv og på 1. Teorem 4 Det finnes uendelig mange forskjellige primtall. Teorem 5 (Dirichlet) Anta a og b er positive heltall med gcd(a, b) = 1. Da inneholder følgen a, a + b, a + 2b, a + 3b, a + 4b, uendelig mange primtall. Vi har vist dette for b = 4, a = 3. 5

Delingsegenskaper kan vi også uttrykke ved hjelp av kongruenstegnet. a b (mod n) betyr n (a b) altså at n deler differansen mellom a og b. Dette tegnet (kongruens modulo n) likner på et likhetstegn, dette er ikke tilfeldig. Se på noen egenskaper: a b(mod n) b a(mod n) a b(mod n) ka kb(mod n) a b(mod n) og a b (mod n) gir a + a b + b (mod n). a b(mod n) og a b (mod n) gir aa bb (mod n). NB: Vanskelig å dele, ab ac (mod n) gir bare b c (mod n d ), der d = gcd(a, n). 6

En kongruenslikning ax b (mod n) har løsning hvis og bare hvis d = gcd(a, n) b, se Teorem 2. Om det finnes en løsning, vil det finnes d inkongruente løsninger (mod n). Det kan også formuleres som at det finnes en entydig løsning (mod n d ). Eksempel: 3x 6(mod 9) har løsningene x 2, 5, 8 (mod 9) (eller x 2 (mod 3) eller x = 2 + 3t, det parameteren t gjennomløper alle hele tall). Hvis gcd(a, n) = 1 finnes det bare en løsning. For å finne en løsning bruker vi Euklids algoritme, og den igjen baklengs, til å uttrykke d ved hjelp av a og n, gang med b/d, og vi har funnet den første, x 0. Alle er gitt ved x x 0 + n dt (mod n), der t = 0, 1, 2,, n 1. 7

I dette kurset har vi to forskjellige (kongruens)likningssystemer som kan løses ved reduksjon til løsning av lineære kongruenslikninger i en variabel. Først: det kinesiske restklasseteoremet. Se på x a 1 (mod n 1 ) x a 2 (mod n 2 ). x a r (mod n r ) Anta gcd(n i, n j ) = 1 for alle par i j. La N i = n 1 n 2 n i 1 n i+1 n r (produktet av alle n-ene bortsett fra den i-te). Da kan likningene N i x 1 (mod n i ) løses entydig modulo n i ; kall løsningen x i. Da er x a 1 N 1 x 1 +a 2 N 2 x 2 + +a r N r x R (mod N) løsning på det opprinnelige systemet (N = n 1 n 2 n r ). Merk at vi her trenger å bruke Euklid r ganger, fram og tilbake, for å løse de r hjelpelikningene. 8

Det andre likningstypen vi har med er ax + by r (mod n) cx + dy s (mod n) Den har entydig løsning, modulo n, hvis og bare hvis gcd(ad bc, n) = 1 I så fall kan vi finne løsningen først ved å gange den øverste likningen med c, den andre med a, og så ta differansen. Det gir en likning med bare y som vi kan løse. Deretter ganger vi den første med d, den andre med b, tar differansen, og står igjen med en løsbar likning bare med x. Her må vi bruke Euklids algoritme, men det viser seg at vi bare trenger å gjøre det en gang, for i begge tilfellene blir koeffisienten foran den ukjente ad bc. 9

Fermats teorem: La p være et primtall, a et heltall slik at p ikke deler a. Da er a p 1 1 (mod p). Eulers φ-funksjon: La n 1 være et heltall. Da er φ(n) definert som antallet heltall a med 1 a n og gcd(a, n) = 1. Eulers teorem. La n 1 og a et heltall slik at gcd(a, n) = 1. Da er a φ(n) 1 mod n. Wilsons teorem. La p være et primtall. Da er (p 1)! 1 (mod p). 10

Ordenen til et heltall a modulo et heltall n 1 er definert når gcd(a, n) = 1. Se på mengden av alle tall k 1 som er slik at a k 1 (mod n). Det finnes slike tall, for ved Eulers teorem er a φ(n) 1 (mod n). Ordenen til a er det minste tallet 1 med denne egenskapen. Om ordenen er k, vil a i a j (mod n) hvis og bare hvis i j (mod k). Om ordenen k er φ(n) (den kan aldri være større) sier vi at a er en primitiv rot modulo n. Da er alle tall b med gcd(b, n) = 1 kongruente til en potens av a, og vi kan uttrykke multiplikasjon modulo n ved addisjon modulo φ(n) (i eksponenten til a i ). Noen moduler har primitive røtter, andre ikke. Men vi vet at alle primtall har primitive røtter, og det er alltid φ(p 1) av dem. 11

RSA-kryprografi: den som ønsker å motta hemmelige meldinger velger to primtall p og q, og danner n = pq. Nå er φ(n) = (p 1)(q 1). Velg i tillegg d slik at gcd(φ(n), d) = 1 (og 1 d < φ(n)). Da finnes det et entydig tall e med 1 e φ(n) og de 1 (mod φ(n)). Tallene {n, e} kalles den offentlige krypteringsnøkkel, og offentliggjøres. Paret {n, d} kalles den hemmelige dekypteringsnøkkel, og hemmeligholdes. Den som sender meldingen uttrykt ved tallet M, der 0 M n 1 beregner N M e (mod n) (minste positive rest), og sender det til den som skal motta melding. Denne beregner N d (mod n) (minste positive rest), og dette er den opprinnelige meldingen M. Dette er fordi a φ(n)+1 a (mod n) holder for kvadratfrie tall n. For den som kjenner φ(n) og enten e eller d, kan den andre av disse beregnes ved hjelp av Euklids algoritme, og denne baklengs. 12

Heltallslikninger av høyere grad, eksemplet er x n + y n = z n. For n = 2 har vi Teorem Anta x 2 + y 2 = z 2 for positive heltall x, y, z slik at gcd(x, y, z) = 1 og 2 x. Da finnes heltall s > t > 0, gcd(s, t) = 1, s t (mod 2) slik at x = 2st, y = s 2 t 2, z = s 2 + t 2 Omvendt bestemmer alle slike par s, t en løsning av problemet. Teorem Det finnes ingen positive heltallsløsninger for x n + y n = z n for n 3. Det siste er Wiles-Fermat-teoremet. Vi har bevist det for n = 4. 13

Noen generelle råd om eksamen og eksamenslesing. Lær definisjoner! Det er viktig å kunne definere de begrepene vi har med i kurset, og dette gir gratispoeng til eksamen. Husk betingelsene for at ting skal være definert (eksempel: Eulers φ- funksjon er definert for heltall n 1). Lær utsagnene i teoremene! Husk betingelsene, og forstå hva de forskjellige ordene som inngår betyr. Det er alltid spørsmål etter utsagnet i noen av de sentrale resultatene på eksamen, så det er billige poeng for de som kan definisjonene og teoremene. 14

Behersk metodene for utregninger! Mange av resultatene i boken gir oss metoder for å regne ut svaret på forskjellige problemer. F.eks. forklarer det kinesiske restklasseteoremet hvordan vi kan løse samtidige konguenslikninger ved hjelp av Euklids algoritme. Lær beviser! De sentrale teoremene i boken skal kunne bevises på eksamen. Men husk allikevel at det å kunne gjengi en enkel definisjon ofte kan gi like mye uttelling som å kunne gjennomføre et komplisert bevis.