Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Átírás

1 Diszkrét matematika 1. középszint ősz 1. Diszkrét matematika 1. középszint 8. előadás Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy Mérai László diái alapján Komputeralgebra Tanszék ősz

2 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 2. Egységek Ha egy ε szám bármely másiknak osztója, akkor ε-t egységnek nevezzük. Álĺıtás Az egész számok körében két egység van: 1, 1. Bizonyítás A ±1 nyilván egység. Megfordítva: ha ε egység, akkor 1 = ε q valamely q egész számra. Mivel ε 1, q 1 ε = 1, azaz ε = ±1. Példa A Gauss-egészek körében az i is egység: a + bi = i(b ai). Megjegyzés Pontosan 1 osztói az egységek.

3 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 3. Asszociáltak Oszthatóság szempontjából nincs különbség a 12 ill. 12 között. Két szám asszociált, ha egymás egységszeresei. Megjegyzés a és b pontosan akkor asszociált, ha a b és b a. Bizonyítás = : Ha b = εa és a = ε b, ahol ε, ε egységek, akkor a b és b a nyilvánvaló. =: Legyen b = ab 1 és a = ba 1. Ekkor b = ab 1 = ba 1 b 1, így a 1 b 1 = 1, vagyis a 1 és b 1 is egységek. Egy számnak az asszociáltjai és az egységek a triviális osztói.

4 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 4. Prímek, felbonthatatlanok Ha egy nem-nulla, nem egység számnak a triviális osztóin kívül nincs más osztója, akkor felbonthatatlannak (irreducibilisnek) nevezzük. Példa 2, 2, 3, 3, 5, 5 felbonthatatlanok. Példa 6 nem felbonthatatlan, mert 6 = 2 3. Egy nem-nulla, nem egység p számot prímszámnak nevezünk, ha p ab p a vagy p b. Példa 2, 2, 3, 3, 5, 5. Példa 6 nem prímszám, mert de 6 2 és 6 3.

5 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 5. Prímek, felbonthatatlanok Álĺıtás Minden prímszám felbonthatatlan. Bizonyítás Legyen p prímszám, és legyen p = ab egy felbontás. Igazolnunk kell, hogy a vagy b egység. Mivel p = ab, így p ab, ahonnan például p a. Ekkor a = pk = a(bk), azaz bk = 1, ahonnan következik, hogy b és k is egység. A fordított irány nem feltétlenül igaz: Z-ben igaz, (lásd később); {a + bi 5 : a, b Z}-ben nem igaz.

6 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 6. Maradékos osztás A számelméletben a fő eszközünk a maradékos osztás lesz: Tétel Tetszőleges a egész számhoz és b 0 egész számhoz egyértelműen léteznek q, r egészek, hogy a = bq + r és 0 r < b. Bizonyítás A tételt csak nemnegatív számok esetében bizonyítjuk. 1 Létezés: a szerinti indukcióval. a = 0 esetén q = r = 0 jó választás. Tegyük fel, hogy a-nál kisebb számok már feĺırhatók ilyen alakban. Ha a < b, akkor a = b 0 + a (q = 0, r = a). Ha a b, akkor legyen az indukciós feltevés értelmében a b = bq + r. Ekkor a = b(q + 1) + r (q = q + 1, r = r ). 2 Egyértelműség: legyen a = bq + r = bq + r. Ekkor b(q q ) = r r. Ez csak akkor lehet, ha q = q és r = r.

7 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 7. Maradékos osztás Legyenek a,b egész számok (b 0). Legyen a = b q + r (0 r < b ). Ekkor a mod b = r. Megjegyzés: q = a/b, ha b > 0, és q = a/b, ha b < 0. Példa 123 mod 10 = 3, 123 mod 100 = 23, 123 mod 1000 = 123; 123 mod 10 = 3, mod 10 = 7, 123 mod 100 = 77, 123 mod 1000 = 877; 123 mod 10 = 7,...

8 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 8. Maradékos osztás Példa 1 Ha most 9 óra van, hány óra lesz 123 óra múlva? Osszuk el maradékosan 123-at 24-gyel: 123 = Tehát = 12: déli 12 óra lesz! 2 Ha most 9 óra van, hány óra lesz 116 óra múlva? Osszuk el maradékosan 116-ot 24-gyel: 116 = Tehát = 29. Újabb redukció: 29 = : hajnali 5 óra lesz! 3 Tegyük fel, hogy ma november 11-e (kedd) van. Milyen napra fog esni jövőre november 11-e? Milyen napra esett három éve november 15-e? hétfő 0 kedd 1 szerda 2 csütörtök 3 péntek 4 szombat 5 vasárnap 6 Osszuk el maradékosan 365-öt 7-tel: 365 = kedd + 1 nap 1+1=2 szerda Osszuk el maradékosan -( )-ot (2012. szökőév) 7-tel: 1096 = 7 ( 157) + 3. szombat + 3 nap = 8 redukció = 1 kedd

9 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 9. Számrendszerek 10-es számrendszerben a 123: 123 = = es számrendszerben a 123: (2) = (10) (2) = (10) Tétel Legyen q > 1 rögzített egész. Ekkor bármely n pozitív egész k egyértelműen feĺırható n = a i q i alakban, ahol 0 a i < q egészek, a k 0. i=0 Ez a feĺırás n q számrendszerben történő feĺırása. q a számrendszer alapja. a 0,..., a k az n jegyei. k = log q n.

10 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 10. Számrendszerek n feĺırása a q alapú számrendszerben: n = Bizonyítás A tételt indukcióval bizonyítjuk. k a i q i. i=0 1 n = 1 esetén a tétel igaz: 1 = 1 q 0 (k = 0, a 0 = 1). 2 Tfh. minden n-nél kisebb számot fel tudunk írni egyértelműen q alapú számrendszerben. A maradékos osztás tétele alapján létezik egyértelműen 0 a 0 < q egész, hogy q n a 0. Indukció alapján írjuk fel q alapú számrendszerben n a 0 q alapján a feĺırás egyértelmű. Ekkor n = = k a i q i 1, indukció i=1 k a i q i. i=0

11 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 11. Számrendszerek Az előbbi bizonyítás módszert is ad a feĺırásra: Példa Írjuk fel az n = es számrendszerben feĺırt számot 2-es számrendszerben. i n n mod 2 n a i 2 jegyek

12 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 12. Legnagyobb közös osztó Az a és b számoknak a d szám kitüntetett közös osztója (legnagyobb közös osztója), ha : d a, d b, és c a, c b c d. Figyelem! Itt a,,legnagyobb nem a szokásos rendezésre utal: Figyelem! 12-nek és 9-nek legnagyobb közös osztója lesz a 3 is. A legnagyobb közös osztó csak asszociáltság erejéig egyértelmű. Legyen (a, b) = lnko(a, b) a nemnegatív kitüntetett közös osztó! (a, b) = 1 esetén azt mondjuk, hogy a és b relatív prímek. Az a és b számoknak az m szám kitüntetett közös többszöröse (legkisebb közös töbszöröse), ha : a m, b m, és a c, b c m c. Legyen [a, b] = lkkt(a, b) a nemnegatív kitüntetett közös többszörös!

13 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 13. Legnagyobb közös osztó kiszámolása, euklideszi algoritmus Tétel Bármely két egész számnak létezik legnagyobb közös osztója, és ez meghatározható az euklideszi algoritmussal. Bizonyítás Ha valamelyik szám 0, akkor a legnagyobb közös osztó a másik szám. Tfh a, b nem-nulla számok. Végezzük el a következő osztásokat: a = bq 1 + r 1, 0 < r 1 < b, b = r 1q 2 + r 2, 0 < r 2 < r 1, r 1 = r 2q 3 + r 3, 0 < r 3 < r 2,. r n 2 = r n 1q n + r n, r n 1 = r nq n+1. 0 < r n < r n 1, Ekkor az lnko az utolsó nem-nulla maradék: (a, b) = r n. Itt a = r 1, b = r 0.

14 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 14. Euklideszi algoritmus helyessége Bizonyítás (folyt.) a = bq 1 + r 1, 0 < r 1 < b, b = r 1q 2 + r 2, 0 < r 2 < r 1, r 1 = r 2q 3 + r 3, 0 < r 3 < r 2,. r n 2 = r n 1q n + r n, r n 1 = r nq n+1. 0 < r n < r n 1, Az algoritmus véges sok lépésben véget ér: b > r 1 > r 2 >.... Az r n maradék közös osztó: r n r n 1 r n r n 1 q n + r n = r n 2... r n b r n a. Az r n maradék a legnagyobb közös osztó: legyen c a, c b c a bq 1 = r 1 c b r 1 q 2 = r 2... c r n 2 r n 1 q n = r n.

15 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 15. Legnagyobb közös osztó kiszámolása, euklideszi algoritmus Példa Számítsuk ki (172, 62) értékét! i r i q i r i 2 = r i 1 q i + r i = = = = = A legnagyobb közös osztó: (172, 62) = 2

16 Elemi számelmélet Diszkrét matematika 1. középszint ősz 16. Legnagyobb közös osztó kiszámolása rekurzióval Tétel Legyen a 0. Ha b = 0, akkor (a, b) = a. Ha b 0, akkor (a, b) = ( b, a mod b ). Bizonyítás Következő órán Példa Számítsuk ki (172, 62) értékét! (a, b) a mod b (172, 62) 48 (62, 48) 14 (48, 14) 6 (14, 6) 2 (6, 2) 0 A legnagyobb közös osztó: (172, 62) = 2.