Diszkrét matematika I.

Átírás

1 Diszkrét matematika I. középszint ősz 1. Diszkrét matematika I. középszint 8. előadás Mérai László diái alapján Komputeralgebra Tanszék ősz

2 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 2. Oszthatóság Ha a és b racionális számok (b 0), akkor az a/b osztás mindig elvégezhető (és az eredmény szintén racionális). Ha a és b egész számok, az a/b osztás nem mindig végezhető el (a hányados nem feltétlenül lesz egész). Definíció Az a egész osztja a b egészet (b osztható a-val): a b, ha létezik olyan c egész, mellyel a c = b (azaz a 0 esetén b/a szintén egész). Példák 1 13, mert 1 13 = 13; 1 n, mert 1 n = n; 6 12, mert 6 2 = 12; 6 12, mert ( 6) ( 2) = 12. A definíció kiterjeszthető például a Gauss-egészekre: {a + bi : a, b Z}. Példák i 13, mert i ( 13i) = 13; 1 + i 2, mert (1 + i) (1 i) = 2.

3 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 3. Oszthatóság tulajdonságai Álĺıtás (HF) Minden a, b, c,... Z esetén 1 a a; 2 a b és b c a c; 3 a b és b a a = ±b; 4 a b és a b aa bb ; 5 a b ac bc; 6 ac bc és c 0 a b; 7 a b 1,..., b k a c 1 b c k b k ; 8 a 0, u.i. a 0 = 0; 9 0 a a = 0; 10 1 a és 1 a; Példák 1 6 6; és ; 3 a 3 és 3 a a = ±3; és ; ; és ; 7 3 6, 9 3 6c 1 + 9c 2

4 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 4. Egységek Definíció 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.

5 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 5. Asszociáltak Oszthatóság szempontjából nincs különbség a 12 ill. 12 között. Definíció Két szám asszociált, ha egymás egységszeresei. Megjegyzés (HF) a és b pontosan akkor asszociált, ha a b és b a. Definíció Egy számnak az asszociáltjai és az egységek a triviális osztói.

6 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 6. Prímek, felbonthatatlanok Definíció 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 felbonthatatalnok. Példa 6 nem felbonthatatlan, mert 6 = 2 3. Definíció 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.

7 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 7. 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.

8 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 8. Maradékos osztás A számelméletben a fő eszközünk a maradékos osztás lesz: Tétel Tetszőleges a, b 0 egész számokhoz 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. Ha a < b, akkor a = b 0 + a (q = 0, r = a). Ha a b, akkor tegyük fel, hogy a-nál kisebb számok már feĺırhatók ilyen alakban. Legyen a b = bq + r. Ekkor a = b(q + 1) + r és legyen 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.

9 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 9. Maradékos osztás Definíció 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,...

10 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 10. 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 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

11 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 11. 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.

12 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 12. Számrendszerek n feĺırása a q alapú számrendszerben: n = Bizonyítás A tételt indukcióval bizonyítjuk. 1 n = 0 esetén a tétel igaz. k a i q i. 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 i=0 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

13 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 13. 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

14 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 14. Legnagyobb közös osztó Definíció 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. Definíció Legyen (a, b) = lnko(a, b) a nemnegatív kitüntetett közös osztó! Definíció 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!

15 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 15. 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.

16 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 16. 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.

17 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 17. 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

18 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 18. 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 Ha b = 0, akkor a tétel nyilvánvaló. Mivel (a, b) = ( a, b ), feltehető, hogy a, b > 0. Ha b 0, osszuk el maradékosan a-t b-vel: a = b q + (a mod b). Ez az euklideszi algoritmus első sora. 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.

19 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 19. Legnagyobb közös osztó, további észrevételek Hasonló módon definiálható több szám legnagyobb közös osztója is (HF): (a 1, a 2,..., a n ). Álĺıtás (HF) Bármely a 1, a 2,..., a n egész számokra létezik (a 1, a 2,..., a n ) és (a 1, a 2,..., a n ) = ((... (a 1, a 2 ),..., a n 1 ), a n ). Álĺıtás (HF) Bármely a, b, c egész számokra (ca, cb) = c(a, b).

20 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 20. Bővített euklideszi algoritmus Tétel Minden a, b egész számok esetén léteznek x, y egészek, hogy (a, b) = x a + y b. Bizonyítás Legyenek q i, r i az euklideszi algoritmussal megkapott hányadosok, maradékok. Legyen x 1 = 1, x 0 = 0 és i 1 esetén legyen x i = x i 2 q i x i 1. Hasonlóan legyen y 1 = 0, y 0 = 1 és i 1 esetén legyen y i = y i 2 q i y i 1. Ekkor i 1 esetén x i a + y i b = r i. (Biz.: HF, indukcióval) Speciálisan x n a + y n b = r n = (a, b).

21 Elemi számelmélet Diszkrét matematika I. középszint ősz 21. Bővitett euklideszi algoritmus Algoritmus: r i 2 = r i 1 q i + r i, Algoritmus: x 1 = 1, x 0 = 0, x i = x i 2 q i x i 1, Algoritmus: y 1 = 0, y 0 = 1, y i = y i 2 q i y i 1. Példa Számítsuk ki (172, 62) értékét, és oldjuk meg a 172x + 62y = (172, 62) egyenletet! i r n q n x i y i r i = 172x i + 62y i = = = ( 2) = 172 ( 1) = ( 11) = 172 ( 9) A feĺırás: 2 = 172 ( 9) , x = 9, y = 25.