Számelméleti alapfogalmak

Hasonló dokumentumok
1.1. Definíció. Azt mondjuk, hogy a oszója b-nek, vagy más szóval, b osztható a-val, ha létezik olyan x Z, hogy b = ax. Ennek jelölése a b.

Diszkrét matematika I.

Számelmélet (2017. február 8.) Bogya Norbert, Kátai-Urbán Kamilla

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

Számelmélet. 1. Oszthatóság Prímszámok

2016, Diszkrét matematika

Bevezetés az algebrába az egész számok 2

SzA XIII. gyakorlat, december. 3/5.

2017, Diszkrét matematika

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Diszkrét matematika 1. estis képzés. Komputeralgebra Tanszék ősz

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

Minden egész szám osztója önmagának, azaz a a minden egész a-ra.

Bevezetés az algebrába 1

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Számelmélet I.

Hatványozás. A hatványozás azonosságai

2018, Diszkre t matematika. 10. elo ada s

RSA algoritmus. P(M) = M e mod n. S(C) = C d mod n. A helyesség igazoláshoz szükséges számelméleti háttér. a φ(n) = 1 mod n, a (a 1,a 2,...

Waldhauser Tamás december 1.

2. Tétel (Az oszthatóság tulajdonságai). : 2. Nullát minden elem osztja, de. 3. a nulla csak a nullának osztója.

SZÁMELMÉLETI FELADATOK

Kongruenciák. Waldhauser Tamás

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

Waldhauser Tamás. Jelölés. Az egyszerűség kedvéért (a, b) ρ helyett gyakran azt írjuk, hogy aρb.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Diszkrét matematika I.

Data Security: Public key

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 28.

Matematikai alapismeretek. Huszti Andrea

Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás március 24.

illetve a n 3 illetve a 2n 5

7. Számelmélet. 1. Lehet-e négyzetszám az a pozitív egész szám, amelynek tízes számrendszerbeli alakjában 510 darab 1-es és valahány 0 szerepel?

megtalálásának hihetetlen nehéz voltán alapszik. Az eljárás matematikai alapja a kis FERMAT-tétel egy következménye:

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

OSZTHATÓSÁG. Osztók és többszörösök : a 3 többszörösei : a 4 többszörösei Ahol mindkét jel megtalálható a 12 többszöröseit találjuk.

RSA algoritmus. Smidla József. Rendszer- és Számítástudományi Tanszék Pannon Egyetem

Tartalom. Algebrai és transzcendens számok

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

Algebra es sz amelm elet 3 el oad as Nevezetes sz amelm eleti probl em ak Waldhauser Tam as 2014 oszi f el ev

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

Algoritmuselmélet gyakorlat (MMN111G)

Következik, hogy B-nek minden prímosztója 4k + 1 alakú, de akkor B maga is 4k + 1 alakú, s ez ellentmondás.

Oszthatósági problémák

Matematika 7. osztály

Számelmélet. 4. Igazolja, hogy ha hat egész szám összege páratlan, akkor e számok szorzata páros!

Prímszámok. A cikkben szereplő eredmények 2008 decemberéből származnak.

1. Egészítsük ki az alábbi Python függvényt úgy, hogy a függvény meghatározza, egy listába, az első n szám faktoriális értékét:

1. Polinomok számelmélete

4. Algebrai Módszerek Klasszikus Eredmények

Szakács Lili Kata megoldása

Mintafeladat az RSA algoritmus szemléltetésére

1. A maradékos osztás

Diszkrét matematika I.

2018, Diszkre t matematika. 8. elo ada s

Sapientia Egyetem, Matematika-Informatika Tanszék.

HHF0CX. k darab halmaz sorbarendezésének a lehetősége k! Így adódik az alábbi képlet:

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Vizsgatematika Bevezetés a matematikába II tárgyhoz tavasz esti tagozat

Polinomok (el adásvázlat, április 15.) Maróti Miklós

Polinomok (előadásvázlat, október 21.) Maróti Miklós

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Diszkrét matematika 2.

2. Feladatsor. N k = {(a 1,...,a k ) : a 1,...,a k N}

Más szavakkal formálisan:, ahol olyan egész szám, hogy. Más szavakkal formálisan:, ahol olyan egész szám, hogy.

Számítógépes Számelmélet

Prímtesztelés, Nyilvános kulcsú titkosítás

1. Részcsoportok (1) C + R + Q + Z +. (2) C R Q. (3) Q nem részcsoportja C + -nak, mert más a művelet!

A Dirichlet-tétel. Matematika BSc szakdolgozat. Témavezető: Dr. Waldhauser Tamás Algebra és Számelmélet Tanszék. Szerző: Körmendi Kristóf

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Oszthatóság. Oszthatóság definíciója (az egészek illetve a természetes számok halmazán):

Számelmélet Megoldások

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

1. melléklet: A tanárokkal készített interjúk főbb kérdései

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Számelmélet

Sorozatok határértéke SOROZAT FOGALMA, MEGADÁSA, ÁBRÁZOLÁSA; KORLÁTOS ÉS MONOTON SOROZATOK

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Jelölés. Az egyszerűség kedvéért (a, b) ρ helyett gyakran azt írjuk, hogy aρb.

5. Az Algebrai Számelmélet Elemei

Sorozatok I. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

NEVEZETES SZÁMELMÉLETI FÜGGVÉNYEKRŐL

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

GAUSS-EGÉSZEK ÉS DIRICHLET TÉTELE

Acta Acad. Paed. Agriensis, Sectio Mathematicae 29 (2002) PARTÍCIÓK PÁRATLAN SZÁMOKKAL. Orosz Gyuláné (Eger, Hungary)

SE EKK EIFTI Matematikai analízis

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások. 21 és 5 7 = 15

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

MBNK12: Permutációk (el adásvázlat, április 11.) Maróti Miklós

4. előadás Prímek, tökéletes számok, Fermat-teszt, pszeudoprímek

1. Mondjon legalább három példát predikátumra. 4. Mikor van egy változó egy kvantor hatáskörében?

Titkosírás. Biztos, hogy titkos? Szabó István előadása. Az életben sok helyen használunk titkosítást (mobil, internet, jelszavak...

A folyammenti kultúrák. (a, b, c) N 3 Pithagoraszi számhármas, ha. Pithagoraszi számhármasok, a Fermat problémakör. a 2 + b 2 = c 2.

Bevezetés az algebrába az egész számok

KÉSZÍTSÜNK ÁBRÁT évfolyam

Számelméleti alapfogalmak

Matematika A1a Analízis

Gy ur uk aprilis 11.

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Átírás:

1 Számelméleti alapfogalmak 1 Definíció Az a IN szám osztója a b IN számnak ha létezik c IN melyre a c = b Jelölése: a b 2 Példa a 0 bármely a számra teljesül, mivel c = 0 univerzálisan megfelel: a 0 = 0 0 b csak b = 0 esetén teljesül, mert bármely c-re 0 c = b-ből b = 0 következik a 1 csak a = 1-re lesz igaz, mert a c = 1-ből a = 1 (és c = 1) következik 1 b bármely b-re teljesül, hiszen c = b választással 1 b = b a a bármely a esetén fennáll, hiszen a 1 = a (c = 1) 3 Definíció A p IN számt prím, ha p-nek pontosan két osztója van Egy természetes szám összetett, ha egynél nagyobb és nem prím Jelölés: p IP 4 Példa 0 IP, 1 IP, 2 IP, 3 IP, 4 IP, 5 IP, 5 Tétel (Számelmélet alaptétele) Minden egynél nagyobb természetes szám a tényezők sorrendjétől eltekintve egyértelműen felírható prímszámok szorzataként Vezessük most be a π(x) függvényt, amely a pozitív számokon van értelmezve és megadja, hogy x-ig hány prímszám van 6 Példa π(1) = 0, π(2) = 1, π(2371) = 1, π(10) = 4, 7 Tétel (Prímszámtétel, De la Vallée Poussin, Hadamard, (egymástól függetlenül, 1896)) lim x A tétel azt fejezi ki, hogy x-ig körülbelül a π(x) x formával is jelölni ln x π(x) x/ ln x = 1 x ln x prímszám van Ezt a tényt szokták még 8 Példa Megvizsgáljuk, hogy mekkora az esélye annak, hogy a 150 jegyű számok közül egyet véletlenszerűen kiválasztva az prímszám lesz Másképpen fogalmazva, meghatározzuk, hogy a 150 jegyű számok között mennyi a prímek aránya Ha egy p prím 150 jegyű, akkor 10 149 < p < 10 150 π ( 10 150) π ( 10 149) 10150 ln 10 ( 10149 = 10149 150 149 ln 10 10 150 ln 10 1 149 ln 10 Annak a valószínűsége, hogy egy véletlenszerűen kiválasztott 150 jegyű szám prím: π (10 150 ) π (10 149 ) 1 ( 10 10 150 10 149 9 ln 10 150 1 ) = 00029 149 1 Mivel 345, a kapott eredményt úgy szemléltethetjük, hogy a 150 jegyű számok 00029 közül átlagosan minden 345-ödik prím Ehhez hozzátéve, hogy a prímek keresésénél páros )

2 számokkal nem próbálkozunk, nagyjából minden 172-edik kísérletre fogunk prímszámra bukkanni 9 Definíció A d IN számot az a IN és b IN számok legnagyobb közös osztójának nevezzük, ha d a és d b (d közös osztó); ha d 1 d és d 1 a, d 1 b akkor d 1 < d (d a közös osztók közül a legnagyobb) Jelölés: d = gcd(a, b) 10 Példa gcd(10, 0) = 10, gcd(10, 4) = 2, gcd(10, 21) = 1 11 Definíció Ha gcd(a, b) = 1 akkor az a és b számokat relatív prímeknek nevezzük A legnagyobb közös osztó meghatározására két eljárást ismertetünk Az első az általános iskolából ismert, ennek a módszernek egy gyengéjére fel fogjuk hívni a figyelmet A második algoritmus az ókori Görögországból származik, ennél jobb módszert lényegében ma sem lehet mondani a legnagyobb közös osztó meghatározására I gcd(a, b) meghatározása prímtényezőkre való bontással Legyen ismert az a és b természetes számok prímfelbontása: a = p α 1 1 p α 2 2 p αs s, b = p β 1 1 p β 2 2 p βs s, ahol megengedjük, hogy a kitevők között lehet 0 is, de az azonos prímalaphoz tartozó kitevők összege pozitív legyen Tehát bármelyik p i a két prímfelbontás valamelyikében ténylegesen szerepeljen Ekkor gcd(a, b) = p min{α 1,β 1 } 1 p min{α 2,β 2 } 2 p min{αs,βs} s A probléma az, hogy nagy a és b számok esetén a prímfaktorizációt nem lehet belátható időn belül előállítani 12 Példa a = 4200 = 2 3 3 5 2 7, b = 980 = 2 2 5 7 2, gcd(a, b) = 2 2 5 7 = 140 II gcd(a, b) meghatározása Euklideszi algoritmussal Az algoritmus ismertetéséhez szükség lesz az alábbi tételre 13 Tétel (Maradékos osztás tétele) Legyenek a > b > 0 tetszőleges természetes számok Ekkor egyértelműen léteznek olyan q és r természetes számok melyekre a = q b + r, 0 r < b

3 A tételben szereplő r-et osztási maradéknak is szokás hívni, míg q-ra használhatjuk a hányados elnevezést Az euklideszi algoritmus során maradékos osztásokat végzünk egymás után, egészen addig míg a maradék 0 nem lesz Ez előbb utóbb be fog következni, mert a maradékos osztásoknál a maradékok csökkenő sorozatot alkotnak A legnagyobb közös osztó az utolsó nem nulla maradék lesz: gcd(a, b) = r n a = q 1 b + r 1, 0 < r 1 < b b = q 2 r 1 + r 2, 0 < r 2 < r 1 r 1 = q 3 r 2 + r 3, 0 < r 3 < r 2 r n 2 = q n r n 1 + r n, 0 < r n < r n 1 r n 1 = q n+1 r n, (r n+1 = 0) 14 Példa Mivel egyenlő 1547 és 560 legnagyobb közös osztója? Tehát gcd(1547, 560) = 7 1547 = 2 560 + 427, 0 < 427 < 560 560 = 1 427 + 133, 0 < 133 < 427 427 = 3 133 + 28, 0 < 28 < 133 133 = 4 28 + 21, 0 < 21 < 28 28 = 1 21 + 7, 0 < 7 < 21 21 = 3 7, 15 Tétel Ha gcd(a, b) = c akkor léteznek olyan x és y egész(!) számok, melyekre c = ax + by Az előző tételben szereplő x és y együtthatókat az Euklideszi algoritmus számításait felhasználva lehet kiszámolni Minden sorban felülről lefelé haladva a maradékot fejezzük ki a-val és b-vel, és felhasználjuk a korábbi számolások eredményét is 16 Példa 427 = 1547 2 560; 133 = 560 1 427 = 3 560 1 1547; 28 = 427 3 133 = 4 1547 11 560; 21 = 133 4 28 = 47 560 17 1547; 7 = 28 1 21 = 21 1547 58 560 Tehát x = 21 és y = 58 17 Definíció Legyen n > 0 természetes szám Bevezetjük az Euler-féle ϕ függvényt az alábbi módon Legyen ϕ(1) = 1, továbbá n > 1 esetén ϕ(n) megadja, hogy az 1, 2,, n 1 számok közül hány n-hez relatív prím van 18 Példa ϕ(6) = 2, mert az 1, 2, 3, 4, 5 közül csak az 1 és 5 relatív prím 6-hoz (gcd(2, 6) = 2, gcd(3, 6) = 3, gcd(4, 6) = 2) 19 Tétel Ha 1 < n prímfelbontása n = p α 1 1 p α 2 2 p α s s akkor ) ) ) (1 (1 1p1 (1 1p2 1ps ϕ(n) = n

20 Példa ϕ(6) = 6(1 1/2)(1 1/3) = 2; n = p IP esetén ϕ(p) = p(1 1/p) = p 1; n = pq (p, q IP) esetén ϕ(n) = pq(1 1/p)(1 1/q) = (p 1)(q 1) = n p q+1 4

5 Kongruenciák Az oszthatóság, a prímszámfogalom, az Euklideszi algoritmus természetes számokra adott értelmezése egyszerű megfontolások után kiterjeszthető az egész számok halmazára A továbbiakban az egész számok körében vizsgálódunk 21 Definíció Legyenek a, b, m ZZ Azt mondjuk, hogy a kongruens b modulo m, ha m (a b) Jelölés: a b (mod m) 22 Példa Az m = 0, ±1 esetek nem túl érdekesek Ugyanis a b (mod 0) akkor és csak akkor igaz, ha 0 (a b), azaz ha a = b A 0 modulusra nézve minden szám csak önmagával kongruens a b (mod ± 1) viszont bármely a és b egészekre teljesül, hiszen ±1 (a b) mindig igaz Most szeretnénk meghatározni, hogy mely x egészek lesznek kongruensek 13-mal modulo 5 Azaz mely x-ekre teljesül, hogy 5 (x 13) Pl x = 13, vagy x = 18 jó lesz, de könnyű további példákat mutatni: x = 23, x = 28, sőt x = 8, x = 3, vagy x = 2 is megfelel Minden olyan x egész jó lesz, amely x = 5k+3 alakú Tehát x =, 2, 3, 8, 13, 18, 23, 28, Általában azt az x-et szoktuk keresni, melyre 0 x < m, jelen esetben 0 x = 3 < 5 23 Tétel (Euler-Fermat tétel) Ha gcd(a, m) = 1 akkor a ϕ(m) 1 (mod m) Ha m = p prím, és p a akkor a tétel az a p 1 1 (mod p) alakot ölti 24 Példa 3 2005 = 3 334 6+1 = (3 6 ) 334 3 1 1 334 3 = 3 (mod 7) Ebből következik, hogy ha 2005 március 11-e péntek, akkor 3 2005 nap múlva péntek + 3 nap = hétfő lesz 25 Definíció Az a és b egészek egymás multiplikatív inverzei modulo m, ha ab 1 (mod m) 26 Tétel Egy a egész számnak akkor és csak akkor létezik multiplikatív inverze modulo m ha gcd(a, m) = 1 27 Példa Az a = 3-nak létezik multiplikatív inverze modulo 10, mert 3 és 10 relatív prímek Könnyű látni, hogy a = 3 esetén b = 7 vagy b = 3 vagy pl b = 77 is jó Általában itt is azon b értéket keressük, melyre 0 < b < m teljesül, jelen példában tehát 0 < b = 7 < 10 I Multiplikatív inverz meghatározása Euklideszi algoritmussal Ha gcd(a, m) = 1 akkor léteznek x és y egészek, melyekre ax + bm = 1 Mivel 1 ax + bm ax (mod m),

6 ezért a multiplikatív inverze éppen az x együttható lesz, melyet az Euklideszi algoritmusból tudtunk kiszámolni A gyakorlat szemponjából ezt a meghatározási módszert preferáljuk Az Euler-Fermat tétel is lehetőséget nyújt a multiplikatív inverz megadására II Multiplikatív inverz meghatározása Euler-Fermat tétellel Ha gcd(a, m) = 1 akkor a ϕ(m) = a a ϕ(m) 1 1 (mod m), tehát a multiplikatív inverze éppen a ϕ(m) 1 lesz, melynek meghatározására használjuk valamilyen lehetőleg gyors hatványozó eljárást