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Aritmética modular

En matemática, la aritmética modular es un sistema aritmético para clases de equivalencia de números enteros llamadas clases de congruencia. La aritmética modular fue introducida en 1801 por Carl Friedrich Gauss en su libro Disquisitiones Arithmeticae.[1]

Cubierta de la edición original de Disquisitiones arithmeticae de Gauss, libro fundamental de la aritmética modular.

Algunas veces se le llama, sugerentemente, aritmética del reloj, ya que los números «dan la vuelta» tras alcanzar cierto valor llamado módulo.[2]

Relación de congruencia

 
El tiempo llevado por este reloj usa aritmética en módulo 12.

La aritmética modular puede ser construida matemáticamente mediante la relación de congruencia entre enteros, que es compatible con las operaciones en el anillo de enteros: suma y multiplicación. Para un determinado módulo n, ésta se define de la siguiente manera:[3]

a y b se encuentran en la misma "clase de congruencia" módulo n, si ambos dejan el mismo resto si los dividimos entre n, o, equivalentemente, si ab es un múltiplo de n.

Esta relación se puede expresar cómodamente utilizando la notación de Gauss:[3]

 

Así se tiene por ejemplo

 

ya que ambos, 63 y 83 dejan el mismo resto (3) al dividir entre 10, o, equivalentemente, 63 − 83 es un múltiplo de 10. Se lee:[3]

«63 es congruente con 83, módulo 10», «en módulo 10, 63 y 83 son congruentes», o «63 y 83 son congruentes uno con otro, módulo 10».

«Módulo» a veces se abrevia con la palabra «mod» al hablar, de la misma manera que como está escrito y proviene de la palabra modulus del latín, la lengua de los escritos originales de Gauss. Así, el número n, que en este ejemplo es 10, sería el modulus.

Otro ejemplo; cuando el módulo es 12, entonces cualesquiera dos números que divididos entre doce den el mismo resto son equivalentes (o "congruentes") uno con otro. Los números

..., −34, −22, −10, 14, 26,....

son todos "congruentes módulo 12" unos con otros, ya que cada uno deja el mismo resto (2) cuando los dividimos entre 12. La colección de todos esos números es una clase de congruencia.[4]

Propiedades principales

Clases de equivalencia módulo n

La aritmética modular se basa en una relación de equivalencia, y las clases de equivalencia de un entero a se denota con [a]n (o simplemente [a] si sobreentendemos el módulo.) Otras notaciones son por ejemplo a + nZ o a mod n. El conjunto de todas las clases de equivalencia se denota con Z/nZ = { [0]n, [1]n, [2]n,..., [n-1]n }.[5]

Esta relación de equivalencia tiene importantes propiedades que se siguen inmediatamente de la definición:[5]

Si

 

y

 

entonces

 

y

 

Lo que muestra que la suma y la multiplicación son operaciones bien definidas sobre el conjunto de las clases de equivalencia. En otras palabras, la suma y la multiplicación están definidas sobre Z/nZ mediante las fórmulas siguientes:[5]

 
 

De este modo, Z/nZ se convierte en un anillo con n elementos. Por ejemplo, en el anillo Z/12Z, se tiene :[8]12[3]12 + [6]12 = [30]12 = [6]12.

El conjunto de enteros en Z/pZ forma un cuerpo finito si y sólo si p es primo.[6]

Resolución de congruencias

Si a y b son enteros, la congruencia: axb (mod n) tiene solución x si y solo si el máximo común divisor (a, n) divide a b. Los detalles están recogidos en el teorema de congruencia lineal. Sistemas de congruencias más complicados con módulos diferentes se pueden resolver usando el teorema chino del resto o el método de sustitución sucesiva.[7]

En el anillo de enteros, si consideramos la ecuación ax ≡ 1 (mod n), vemos que a tiene un inverso multiplicativo si y solo si a y n son coprimos. Por tanto, Z/nZ es un cuerpo si y sólo si n es un primo.[8]​ Se puede probar que cada cuerpo finito es una extensión de Z/pZ para algún primo p.

Pequeño teorema de Fermat y teorema de Euler

Un hecho importante sobre aritmética modular, cuando los módulos son números primos es el pequeño teorema de Fermat: si p es un número primo, entonces:[9]

Si a es cualquier entero:

 

Si a es un entero no divisible entre p:

 

Esto fue generalizado por Euler: para todo entero positivo n y todo entero a relativamente primo a n, :aφ(n) ≡ 1 (mod n), donde φ(n) denota función phi de Euler que cuenta el número de enteros entre 1 y n que sean coprimos con respecto a n.[10]​ El teorema de Euler es una consecuencia del teorema de Lagrange, aplicado al caso del grupo de las unidades del anillo Z/nZ.

Generalizaciones

Dos enteros a, b son congruentes módulo n, escrito como:ab (mod n) si su diferencia ab es divisible entre n, esto es, si ab = kn para algún entero k.

Usando esta definición, podemos generalizar a módulos no enteros. Por ejemplo, podemos definir ab (mod 2π) si ab = k2π para algún entero k. Esta idea se desarrolla plenamente en el contexto de la teoría de los anillos y funciones trigonométricas.

En Álgebra abstracta se ve que la aritmética modular es un caso especial del proceso de crear un anillo factorial de un anillo módulo un ideal. Si R es un anillo conmutativo, e I es un ideal de R, entonces dos elementos a y b de R se dicen congruentes módulo I si ab es un elemento de I. Como pasaba con el anillo de enteros, esto se convierte en una relación de equivalencia, y la suma y la multiplicación se convierten en operaciones bien definidas sobre el anillo factorial R/I.

Proposiciones básicas

Proposición 1

Sean a,b,c∈Z. Entonces

  1. Reflexividad:  a≡a (mod n).
  2. Simetría: Si  a≡b (mod n), entonces b≡a (mod n).
  3. Transitividad: Si  a≡b (mod n)y b≡c (mod n), entonces a≡c (mod n).

Es decir, la congruencia ≡ es una relación de equivalencia.

DEMOSTRACIÓN
1. Se sabe que n|0 y 0=a−a. Por lo tanto; n|(a−a), que implica a≡a (mod n).

2. Por hipótesis, se sabe que a≡b (mod n). Esto implica que n|(a−b). Por otro lado, si n|y entonces n|(−y) (con y∈Z). Bajo esta consideración, n|(b−a); lo que implica b≡a (mod n).

3. Por hipótesis, se sabe que a≡b (mod n) y b≡c (mod n). Por lo tanto, existen únicos k,t∈Z tales que nk=a−b y nt=b−c. Sumando estas dos igualdades, se obtiene n(k+t)=a−c. Esto implica a≡c (mod n).

Proposición 2.

Sean a,b,c,d,λ∈Z y n∈N tales que a≡b (mod n) y c≡d (mod n). Entonces

  1. λa≡λb (mod n).
  2. a+c≡b+d (mod n).
  3. ac≡bd (mod n).
DEMOSTRACIÓN
Como a≡b (mod n) y c≡d (mod n), entonces existen únicos k,t∈Z tales que nk=a−b y nt=c−d.

Como nk=a−b, podemos multiplicar por λ (entero). Así, n(λk)=λa−λb. Esto implica λa≡λb (mod n).

Por otro lado, sumando nk=a−b y nt=c−d, se obtiene n(k+t)=(a+c)−(b+d). Esto implica a+c≡b+d (mod n).

Multiplicando por c, la expresión nk=a−b; se consigue nkc=ac−bc. Si se multiplica por b, la expresión nt=c−d; se consigue ntb=cb−db. Al sumar estas cantidades, se logra n(kc+tb)=ac−bd. Esto implica ac≡bd (mod n).

Proposición 3.

Sean a,b∈Z y n,k∈N, tales que a≡b (mod n). Entonces ak≡bk (mod n).

DEMOSTRACIÓN
La demostración de esta proposición se realizará por Inducción. Considere la función proposicional p(k):ak≡bk (mod n), con k,n∈N y a,b∈Z.

p(1) es verdadero; pues por hipótesis, a≡b (mod n).

Considere la hipótesis de inducción p(k):ak≡bk (mod n). Por demostrar p(k+1):a(k+1)≡b(k+1) (mod n) es verdadero. En efecto a(k+1)≡ak⋅a≡bk⋅a≡bk⋅b≡b(k+1) (mod n),

por hipótesis de inducción y transitividad de la congruencia. Por lo tanto, p(k)⇒p(k+1).

Por Principio de Inducción, se verifica que si a≡b (mod n) entonces ak≡bk (mod n) para todo k∈N.

Proposición 4.

Sean a,b∈Z y m,n∈N. Si a≡b (mod n) y m|n entonces a≡b (mod m).

DEMOSTRACIÓN
Por hipótesis, se sabe que m|n. Además, a≡b (mod n) implica n|(a−b). Por transitividad de la divisibilidad (si a|b y b|c entonces a|c), se concluye que m|(a−b). Por lo tanto, a≡b (mod m).

Proposición 5.

Sean a,b,c∈Z y n∈N. Si ac≡bc (mod n) y (c,n)=1, entonces a≡b (mod n).

DEMOSTRACIÓN
Como ac≡bc (mod n), entonces n|c(a−b). Adicionalmente, (c,n)=1 (es decir, n∤ c) entonces n|(a−b). Por lo tanto, a≡b (mod n).

Proposición 6.

Sean a,b,c∈Z y p∈N. Si ac≡bc (mod p) y p es primo tal que p∤ c, entonces a≡b (mod p).

DEMOSTRACIÓN
Como ac≡bc (mod p), entonces p|c(a−b). Como p es primo, por Lema de Euclides; p|c ∨ p|c. Sin embargo; p∤ c, por lo que p|(a−b). Esto implica que a≡b (mod p).

Proposición 7.

Sean a,b,c∈Z, n∈N y (c,n)=d. Entonces ac≡bc (mod n) si y sólo si a≡b (mod nd).

DEMOSTRACIÓN
Se asumirá que ac≡bc (mod n). Por lo tanto, n|c(a−b). Por propiedad de divisibilidad, nd|cd(a−b). Note que nd,cd∈Z, pues (c,n)=d implica (cd,nd)=1. De esto último, se consigue que nd∤cd. Por lo tanto, nd|(a−b). Entonces a≡b (mod nd).

Nuestra hipótesis es a≡b (mod nd). Por lo tanto, nd|(a−b). Por propiedad de divisibilidad, n|d(a−b). Adicionalmente, ya que (c,n)=d entonces d|c. Esto implica que d(a−b)|c(a−b). Por transitividad de la divisibilidad, n|c(a−b). Por lo tanto, ac≡bc (mod n).

División

Tú sabes que si a × b = 1, entonces b es el recíproco o inverso de a y también a es el inverso de b.

  • Por ejemplo, inverso de a = 4 es b = 0.25 porque 4 · 0.25 = 1. El inverso del entero 4 es el decimal (racional) 0.25.
  • Esta es una anomalía que no queremos en ZN. Quisíeramos que en ZN los inversos de los elementos de ZN estén en ZN, como sucede con los negativos. Pero esto no siempre sucede. Por ejemplo en Z9 = {0, ..., 8}, ningún elemento es inverso de 3, porque ningún número multiplicado por 3 daría 1. Tendría que dar 10, para que al tomarlo módulo 9, dé 1, y ese entero no existe. Sin embargo 2 · 5 = 1. lo que revela que el 5 es el inverso del 2 y, simétricamente, el 2 es el inverso de 5. Podemos afirmar que en Z9, el 2 es invertible, es decir tiene inverso y su inverso es 2−1 = 5. Observa la notación: el inverso de a es a−1. Contar con inversos es importante porque nos permiten hacer divisiones y resolver ecuaciones. En efecto, la division a / b la entendemos como a · b−1, es decir multiplicamos a por el inverso del divisor b.

Teorema (Criterios de divisibilidad)

Sea n = (ap . . . a0)10 ∈ N en base 10. Entonces n = ap10p + ap−110p−1 + ap−210p−2 + · · · + a2102 + a110 + a0 y por tanto,

i) n ≡ a0 (mod 2), luego n es divisible por 2 ⇔ a0 lo es,

ii) n ≡   ai (mod 3), luego n es divisible por 3 ⇔  ai lo es,

iii) n ≡ 10a1+a0 ≡ 2a1+a0 (mod 4), luego n es divisible por 4 ⇔ (a1a0)10 lo es,

iv) n ≡ a0 (mod 5), luego n es divisible por 5 ⇔ a0 lo es,

v) n ≡   ai (mod 9), luego n es divisible por 9 ⇔   ai lo es,

vi) n ≡  (−1)i ai (mod 11), luego n es divisible por 11 ⇔  (−1)i ai

Multiplicación

Las operaciones de suma y producto en Z se pueden trasladar a Zm puesto que son compatibles con la estructura de este último conjunto.

Teorema

Sean n ∈ N y a, b, c, d ∈ Z tales que a ≡ b (mod m) y c ≡ d (mod m). Entonces

i) a + c ≡ b + d (mod m),

ii) ac ≡ bd (mod m).

DEMOSTRACIÓN
Supongamos que a ≡ b (mod m) y c ≡ d (mod m). Entonces a = b+k1m y c = d +k2m con k1, k2 ∈ Z y por tanto (a+c) = (b+d)+(k1+k2)m con k1 +k2 ∈ Z y ac = bd + (bk2 +ck1 +k1k2m)m con bk2 +ck1 +k1k2 ∈ Z

Ecuaciones Lineales de Congruencia

Definición 1

Sean a,b∈Z; no nulos y n∈N. Se denomina Ecuación Lineal de Congruencia a la expresión ax≡b (mod n). El número entero x: corresponde a la solución de la ecuación.

Las soluciones de una Ecuación Lineal de Congruencia deben ser números enteros. ¿Existe algún criterio para determinar cuando una Ecuación Lineal de Congruencia tiene soluciones enteras? La respuesta es afirmativa.

Definición 2.

Sean a,b∈Z no nulos y n∈N. La ecuación ax≡b (mod n), tiene solución si y sólo si (a,n)|b.

DEMOSTRACIÓN
La ecuación tiene solución si y sólo si n|(ax−b). Es decir, si existe un único entero y tal que ny=ax−b. Reordenando, se logra b=ax+nt con t=−y. Por una de las propiedades de la diofántica, la ecuación diofántica ax+nt=b tiene solución si y sólo si (a,n)|b.

Sin embargo (y nuevamente, al igual que en las Ecuaciones Diofánticas Lineales), una Ecuación Lineal de Congruencia puede poseer más de una solución. Por lo tanto, consideremos el siguiente resultado (Definición 3).

Definición 3.

Sean a,b∈Z no nulos, n∈N, (a,n)=d y d|b. Entonces la congruencia ax≡b (mod n) tiene d soluciones. Adicionalmente x≡x0+ntd (mod n), es el conjunto solución de la ecuación, con t={1,2,3,...,d−1} y x0 es una solución particular de ax≡b (mod n). Los siguientes resultados permitirán resolver de manera más expedita una Ecuación Lineal de Congruencia (Definición 4 y 5).

Definición 4.

Sean a,b∈Z y n,d∈N. Si ad≡bd (mod nd), entonces a≡b (mod n).

DEMOSTRACIÓN
Por definición, existe un único entero t tal que ndt=d(a−b). Reordenando y factorizando, se logra d[nt−(a−b)]=0. Como d≠0 y Z no tiene divisores de cero, entonces nt−(a−b)=0. Así, nt=a−b; por lo que a≡b (mod n).

Definición 5.

Sean a,b∈Z y n,d∈N tales que (n,d)=1. Si ad≡bd (mod n), entonces a≡b (mod n).

DEMOSTRACIÓN
Por definición, n|d(a−b). Como (n,d)=1 entonces n∤d. Por lo tanto, n|(a−b). Así, a≡b (mod n).

¿Es posible relacionar la función φ de Euler con las Ecuaciones Lineales de Congruencia? La Definición 6 tiene la respuesta.

Definición 6.

Sean a,b∈Z no nulos, n∈N y (a,n)=1. Entonces la única solución a la ecuación ax≡b (mod n) es x≡aφ(n)−1⋅b (mod n).

DEMOSTRACIÓN
Por definición 3., la ecuación tiene solución única. Por consiguiente, basta probar que x≡aφ(n)−1⋅b (mod n) es solución. Sin embargo, esto es inmediato; pues

a(aφ(n)−1⋅b)≡aφ(n)⋅b≡b (mod n), ya que (a,n)=1, por lo que el Teorema de Euler - Fermat establece que aφ(n)≡1 (mod n).

Aritmética con números grandes

Casi todos los procesadores trabajan mucho más rápido con números pequeños que con números grandes. Este problema puede resolverse utilizando congruencias. Para ello consideramos un conjunto {m1, m2, . . . , mk } de números primos entre sí (esto es mcd(mi, mj) = 1 para todo i != j). Entonces cualquier número positivo S menor que m = m1m2 · · · mk se puede expresar mediante una n-upla (r1,r2, . . . ,rk ) (con 0 ≤ ri < mi para todo i ∈ {1, 2, . . . , k}) donde

 

Además, por el teorema del resto chino existe un único x ∈ {0, 1, 2, . . . , m} satisfaciendo estas condiciones. Además, si

 

Por tanto, las operaciones aritméticas se pueden realizar entre las r-uplas – cuyas coordenadas son todas menores o iguales que max1≤i≤r mi –, pudiéndose realizar estas operaciones en paralelo. Esto es, para sumar n y n' se suman los vectores asociados (r1,r2, . . . ,rk ) y(r'1,r'2, . . . ,r'k ) y para multiplicar n y n' se multiplican escalarmente los vectores asociados.

Finalmente x + x' y xx' serán las soluciones (únicas en Zm) de los sistemas anteriores.

Por ejemplo se pueden considerar m1 = 99, m2 = 98, m3 = 97 y m4 = 95 para trabajar con números menores o iguales que m = m1m2m3m4 = 89403930.

Otros enteros que pueden escogerse son los de la forma 2k − 1 con k ∈ N puesto que es relativamente fácil encontrar conjuntos de estos enteros primos entre sí

(mcd(2a − 1, 2b −1) = 2mcd(a,b) − 1). Además con estos enteros es fácil trabajar en base 2. Por ejemplo, 235 − 1, 234 − 1, 233 − 1,231 −1, 229 −1 y 223 −1 son primos entre sí y el producto de ellos es mayor que 2184.


Ejemplo: Si tomamos m1 = 3, m2 = 4 se tiene que 0 = (0, 0) 1 = (1, 1) 2 = (2, 2) 3 = (0, 3) 4 = (1, 0) 5 = (2, 1) 6 = (0, 2) 7 = (1, 3) 8 = (2, 0) 9 = (0, 1) 10 = (1, 2) 11 = (2, 3) y 5 + 6 ≡ (2, 1) + (0, 2) = (2, 3) ≡ 11.

Por otra parte y 2 · 3 ≡ (2, 2) · (0, 3) = (0, 6) ≡ (0, 2) ≡ 6. Sin embargo 5 · 6 no es calculable, puesto que el resultado es mayor o igual que 12.

Aplicaciones de la aritmética modular

La aritmética modular, estudiada sistemáticamente en primer lugar por Carl Friedrich Gauss al final del Siglo XVIII, se aplica en teoría de números, álgebra abstracta, criptografía, y en artes visuales y musicales.

Las operaciones aritméticas que hoy en día hacen la mayoría de las computadoras son aritmético modulares, donde el módulo es 2b (b es el número de bits de los valores sobre los que operamos). Esto se ve claro en la compilación de lenguajes de programación como el C; donde por ejemplo todas las operaciones aritméticas sobre "int", enteros, se toman módulo 232 en la mayoría de las computadoras.

En el arte

En música, debido a la equivalencia de octavas y equivalencia enarmónica (esto es, los pasos en razones de 1/2 o 2/1 son equivalentes, y Do# es lo mismo que Reb), la aritmética modular se usa cuando consideramos la escala de doce tonos igualmente temperada, especialmente en el dodecafonismo. En artes visuales esta aritmética puede usarse para crear patrones artísticos basados en las tablas de multiplicación módulo n (ver enlace abajo).

Véase también

Referencias

  1. «Cap.1 Numbers congruences in general». Disquisitiones Arithmeticae. Yale University Press. 1965. ISBN 0-300-09473-6. . (Traducción al español) el 25 de noviembre de 2011 en Wayback Machine.
  2. López, Jorge M. (28 de febrero de 2011). «Criptografía» (PDF). Consultado el 28 de febrero de 2011. «p.3». 
  3. Gauss, Carl Friedrich (1965). «Sec.I art.1-3». Disquisitiones Arithmeticae. Yale University Press. ISBN 0-300-09473-6. . (Traducción al español) el 25 de noviembre de 2011 en Wayback Machine.
  4. Hortalá, María Teresa; Rodríguez, Mario; Leach, Javier (2001). Matemática discreta y lógica matemática. Madrid: Complutense S.A. p. 67. ISBN 84-7491-650-X. 
  5. Carmona Collado, Luis Miguel. «Congruencias» (HTML). Introducción a la aritmética entera y modular. Universidad politécnica de Madrid. Consultado el 19 de abril de 2011. 
  6. Kostrikin: Introducción al álgebra, Mir, Moscú (1974)
  7. Santiago Zaragoza, Antonio Cipriano (2009). «2.4. Congruencias lineales». Teoría de números (1ª edición). Madrid: Visión libros. pp. 22-25. ISBN 978-84-9886-360-4. 
  8. Navarro, Gabriel (2002). Universitat de València, ed. Un curso de álgebra (1ª edición). Valencia. p. 77. ISBN 84-370-5419-2. 
  9. Gauss, Carl Friedrich (1965). «Sec III, art. 50». Disquisitiones Arithmeticae. Yale University Press. ISBN 0-300-09473-6. . (Traducción al español) el 20 de septiembre de 2008 en Wayback Machine.
  10. Euler, Leonhard « Theoremata circa residua ex divisione potestatum relicta », en Novi Comment. acad. sc. Petrop., vol. 7, 1761, p. 49-82. Texto original del latín Dartmouth College (Euler archive) con número E262. Traducción al inglés : arΧiv:math/0608467

Enlaces externos

Bibliografía

http://www.matematicas.ciencias.uchile.cl/juaco/section-10.html

http://serbal.pntic.mec.es/jpem0100/cesar/01.html

https://www.cartagena99.com/recursos/alumnos/apuntes/Tema3%20Aritmetica%20Modular.pdf

  •   Datos: Q319400
  •   Multimedia: Modular arithmetic

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Se ha sugerido que Congruencia teoria de numeros sea fusionado en este articulo o seccion vease discusion Una vez que hayas realizado la fusion de articulos pide la fusion de historiales aqui Este aviso fue puesto el 14 de marzo de 2017 En matematica la aritmetica modular es un sistema aritmetico para clases de equivalencia de numeros enteros llamadas clases de congruencia La aritmetica modular fue introducida en 1801 por Carl Friedrich Gauss en su libro Disquisitiones Arithmeticae 1 Cubierta de la edicion original de Disquisitiones arithmeticae de Gauss libro fundamental de la aritmetica modular Algunas veces se le llama sugerentemente aritmetica del reloj ya que los numeros dan la vuelta tras alcanzar cierto valor llamado modulo 2 Indice 1 Relacion de congruencia 2 Propiedades principales 2 1 Clases de equivalencia modulo n 2 2 Resolucion de congruencias 2 3 Pequeno teorema de Fermat y teorema de Euler 2 4 Generalizaciones 3 Proposiciones basicas 3 1 Proposicion 1 3 1 1 DEMOSTRACIoN 3 2 Proposicion 2 3 2 1 DEMOSTRACIoN 3 3 Proposicion 3 3 3 1 DEMOSTRACIoN 3 4 Proposicion 4 3 4 1 DEMOSTRACIoN 3 5 Proposicion 5 3 5 1 DEMOSTRACIoN 3 6 Proposicion 6 3 6 1 DEMOSTRACIoN 3 7 Proposicion 7 3 7 1 DEMOSTRACIoN 4 Division 4 1 Teorema Criterios de divisibilidad 5 Multiplicacion 5 1 Teorema 5 1 1 DEMOSTRACIoN 6 Ecuaciones Lineales de Congruencia 6 1 Definicion 1 6 2 Definicion 2 6 2 1 DEMOSTRACIoN 6 3 Definicion 3 6 4 Definicion 4 6 4 1 DEMOSTRACIoN 6 5 Definicion 5 6 5 1 DEMOSTRACIoN 6 6 Definicion 6 6 6 1 DEMOSTRACIoN 7 Aritmetica con numeros grandes 8 Aplicaciones de la aritmetica modular 8 1 En el arte 9 Vease tambien 10 Referencias 11 Enlaces externos 12 BibliografiaRelacion de congruencia EditarArticulo principal Relacion de congruencia El tiempo llevado por este reloj usa aritmetica en modulo 12 La aritmetica modular puede ser construida matematicamente mediante la relacion de congruencia entre enteros que es compatible con las operaciones en el anillo de enteros suma y multiplicacion Para un determinado modulo n esta se define de la siguiente manera 3 a y b se encuentran en la misma clase de congruencia modulo n si ambos dejan el mismo resto si los dividimos entre n o equivalentemente si a b es un multiplo de n Esta relacion se puede expresar comodamente utilizando la notacion de Gauss 3 a b mod n displaystyle a equiv b pmod n Asi se tiene por ejemplo 63 83 mod 10 displaystyle 63 equiv 83 pmod 10 ya que ambos 63 y 83 dejan el mismo resto 3 al dividir entre 10 o equivalentemente 63 83 es un multiplo de 10 Se lee 3 63 es congruente con 83 modulo 10 en modulo 10 63 y 83 son congruentes o 63 y 83 son congruentes uno con otro modulo 10 Modulo a veces se abrevia con la palabra mod al hablar de la misma manera que como esta escrito y proviene de la palabra modulus del latin la lengua de los escritos originales de Gauss Asi el numero n que en este ejemplo es 10 seria el modulus Otro ejemplo cuando el modulo es 12 entonces cualesquiera dos numeros que divididos entre doce den el mismo resto son equivalentes o congruentes uno con otro Los numeros 34 22 10 14 26 son todos congruentes modulo 12 unos con otros ya que cada uno deja el mismo resto 2 cuando los dividimos entre 12 La coleccion de todos esos numeros es una clase de congruencia 4 Propiedades principales EditarClases de equivalencia modulo n Editar La aritmetica modular se basa en una relacion de equivalencia y las clases de equivalencia de un entero a se denota con a n o simplemente a si sobreentendemos el modulo Otras notaciones son por ejemplo a nZ o a mod n El conjunto de todas las clases de equivalencia se denota con Z nZ 0 n 1 n 2 n n 1 n 5 Esta relacion de equivalencia tiene importantes propiedades que se siguen inmediatamente de la definicion 5 Si a 1 b 1 mod n displaystyle a 1 equiv b 1 pmod n y a 2 b 2 mod n displaystyle a 2 equiv b 2 pmod n entonces a 1 a 2 b 1 b 2 mod n displaystyle a 1 a 2 equiv b 1 b 2 pmod n y a 1 a 2 b 1 b 2 mod n displaystyle a 1 a 2 equiv b 1 b 2 pmod n Lo que muestra que la suma y la multiplicacion son operaciones bien definidas sobre el conjunto de las clases de equivalencia En otras palabras la suma y la multiplicacion estan definidas sobre Z nZ mediante las formulas siguientes 5 a n b n a b n displaystyle a n b n a b n a n b n a b n displaystyle a n cdot b n a cdot b n De este modo Z nZ se convierte en un anillo con n elementos Por ejemplo en el anillo Z 12Z se tiene 8 12 3 12 6 12 30 12 6 12 El conjunto de enteros en Z pZ forma un cuerpo finito si y solo si p es primo 6 Resolucion de congruencias Editar Si a y b son enteros la congruencia ax b mod n tiene solucion x si y solo si el maximo comun divisor a n divide a b Los detalles estan recogidos en el teorema de congruencia lineal Sistemas de congruencias mas complicados con modulos diferentes se pueden resolver usando el teorema chino del resto o el metodo de sustitucion sucesiva 7 En el anillo de enteros si consideramos la ecuacion ax 1 mod n vemos que a tiene un inverso multiplicativo si y solo si a y n son coprimos Por tanto Z nZ es un cuerpo si y solo si n es un primo 8 Se puede probar que cada cuerpo finito es una extension de Z pZ para algun primo p Pequeno teorema de Fermat y teorema de Euler Editar Articulos principales Pequeno teorema de Fermaty Teorema de Euler Un hecho importante sobre aritmetica modular cuando los modulos son numeros primos es el pequeno teorema de Fermat si p es un numero primo entonces 9 Si a es cualquier entero a p a mod p displaystyle a p equiv a pmod p Si a es un entero no divisible entre p a p 1 1 mod p displaystyle a p 1 equiv 1 pmod p Esto fue generalizado por Euler para todo entero positivo n y todo entero a relativamente primo a n af n 1 mod n donde f n denota funcion phi de Euler que cuenta el numero de enteros entre 1 y n que sean coprimos con respecto a n 10 El teorema de Euler es una consecuencia del teorema de Lagrange aplicado al caso del grupo de las unidades del anillo Z nZ Generalizaciones Editar Dos enteros a b son congruentes modulo n escrito como a b mod n si su diferencia a b es divisible entre n esto es si a b kn para algun entero k Usando esta definicion podemos generalizar a modulos no enteros Por ejemplo podemos definir a b mod 2p si a b k2p para algun entero k Esta idea se desarrolla plenamente en el contexto de la teoria de los anillos y funciones trigonometricas En Algebra abstracta se ve que la aritmetica modular es un caso especial del proceso de crear un anillo factorial de un anillo modulo un ideal Si R es un anillo conmutativo e I es un ideal de R entonces dos elementos a y b de R se dicen congruentes modulo I si a b es un elemento de I Como pasaba con el anillo de enteros esto se convierte en una relacion de equivalencia y la suma y la multiplicacion se convierten en operaciones bien definidas sobre el anillo factorial R I Proposiciones basicas EditarProposicion 1 Editar Sean a b c Z Entonces Reflexividad a a mod n Simetria Si a b mod n entonces b a mod n Transitividad Si a b mod n y b c mod n entonces a c mod n Es decir la congruencia es una relacion de equivalencia DEMOSTRACIoN Editar 1 Se sabe que n 0 y 0 a a Por lo tanto n a a que implica a a mod n 2 Por hipotesis se sabe que a b mod n Esto implica que n a b Por otro lado si n y entonces n y con y Z Bajo esta consideracion n b a lo que implica b a mod n 3 Por hipotesis se sabe que a b mod n y b c mod n Por lo tanto existen unicos k t Z tales que nk a b y nt b c Sumando estas dos igualdades se obtiene n k t a c Esto implica a c mod n Proposicion 2 Editar Sean a b c d l Z y n N tales que a b mod n y c d mod n Entonces la lb mod n a c b d mod n ac bd mod n DEMOSTRACIoN EditarComo a b mod n y c d mod n entonces existen unicos k t Z tales que nk a b y nt c d Como nk a b podemos multiplicar por l entero Asi n lk la lb Esto implica la lb mod n Por otro lado sumando nk a b y nt c d se obtiene n k t a c b d Esto implica a c b d mod n Multiplicando por c la expresion nk a b se consigue nkc ac bc Si se multiplica por b la expresion nt c d se consigue ntb cb db Al sumar estas cantidades se logra n kc tb ac bd Esto implica ac bd mod n Proposicion 3 Editar Sean a b Z y n k N tales que a b mod n Entonces ak bk mod n DEMOSTRACIoN EditarLa demostracion de esta proposicion se realizara por Induccion Considere la funcion proposicional p k ak bk mod n con k n N y a b Z p 1 es verdadero pues por hipotesis a b mod n Considere la hipotesis de induccion p k ak bk mod n Por demostrar p k 1 a k 1 b k 1 mod n es verdadero En efecto a k 1 ak a bk a bk b b k 1 mod n por hipotesis de induccion y transitividad de la congruencia Por lo tanto p k p k 1 Por Principio de Induccion se verifica que si a b mod n entonces ak bk mod n para todo k N Proposicion 4 Editar Sean a b Z y m n N Si a b mod n y m n entonces a b mod m DEMOSTRACIoN EditarPor hipotesis se sabe que m n Ademas a b mod n implica n a b Por transitividad de la divisibilidad si a b y b c entonces a c se concluye que m a b Por lo tanto a b mod m Proposicion 5 Editar Sean a b c Z y n N Si ac bc mod n y c n 1 entonces a b mod n DEMOSTRACIoN EditarComo ac bc mod n entonces n c a b Adicionalmente c n 1 es decir n c entonces n a b Por lo tanto a b mod n Proposicion 6 Editar Sean a b c Z y p N Si ac bc mod p y p es primo tal que p c entonces a b mod p DEMOSTRACIoN EditarComo ac bc mod p entonces p c a b Como p es primo por Lema de Euclides p c p c Sin embargo p c por lo que p a b Esto implica que a b mod p Proposicion 7 Editar Sean a b c Z n N y c n d Entonces ac bc mod n si y solo si a b mod nd DEMOSTRACIoN EditarSe asumira que ac bc mod n Por lo tanto n c a b Por propiedad de divisibilidad nd cd a b Note que nd cd Z pues c n d implica cd nd 1 De esto ultimo se consigue que nd cd Por lo tanto nd a b Entonces a b mod nd Nuestra hipotesis es a b mod nd Por lo tanto nd a b Por propiedad de divisibilidad n d a b Adicionalmente ya que c n d entonces d c Esto implica que d a b c a b Por transitividad de la divisibilidad n c a b Por lo tanto ac bc mod n Division EditarTu sabes que si a b 1 entonces b es el reciproco o inverso de a y tambien a es el inverso de b Por ejemplo inverso de a 4 es b 0 25 porque 4 0 25 1 El inverso del entero 4 es el decimal racional 0 25 Esta es una anomalia que no queremos en ZN Quisieramos que en ZN los inversos de los elementos de ZN esten en ZN como sucede con los negativos Pero esto no siempre sucede Por ejemplo en Z9 0 8 ningun elemento es inverso de 3 porque ningun numero multiplicado por 3 daria 1 Tendria que dar 10 para que al tomarlo modulo 9 de 1 y ese entero no existe Sin embargo 2 5 1 lo que revela que el 5 es el inverso del 2 y simetricamente el 2 es el inverso de 5 Podemos afirmar que en Z9 el 2 es invertible es decir tiene inverso y su inverso es 2 1 5 Observa la notacion el inverso de a es a 1 Contar con inversos es importante porque nos permiten hacer divisiones y resolver ecuaciones En efecto la division a b la entendemos como a b 1 es decir multiplicamos a por el inverso del divisor b Teorema Criterios de divisibilidad Editar Sea n ap a0 10 N en base 10 Entonces n ap10p ap 110p 1 ap 210p 2 a2102 a110 a0 y por tanto i n a0 mod 2 luego n es divisible por 2 a0 lo es ii n i 0 p displaystyle sum i 0 p ai mod 3 luego n es divisible por 3 i 0 p displaystyle sum i 0 p ai lo es iii n 10a1 a0 2a1 a0 mod 4 luego n es divisible por 4 a1a0 10 lo es iv n a0 mod 5 luego n es divisible por 5 a0 lo es v n i 0 p displaystyle sum i 0 p ai mod 9 luego n es divisible por 9 i 0 p displaystyle sum i 0 p ai lo es vi n i 0 p displaystyle sum i 0 p 1 i ai mod 11 luego n es divisible por 11 i 0 p displaystyle sum i 0 p 1 i aiMultiplicacion EditarLas operaciones de suma y producto en Z se pueden trasladar a Zm puesto que son compatibles con la estructura de este ultimo conjunto Teorema Editar Sean n N y a b c d Z tales que a b mod m y c d mod m Entoncesi a c b d mod m ii ac bd mod m DEMOSTRACIoN EditarSupongamos que a b mod m y c d mod m Entonces a b k1m y c d k2m con k1 k2 Z y por tanto a c b d k1 k2 m con k1 k2 Z y ac bd bk2 ck1 k1k2m m con bk2 ck1 k1k2 ZEcuaciones Lineales de Congruencia EditarDefinicion 1 Editar Sean a b Z no nulos y n N Se denomina Ecuacion Lineal de Congruencia a la expresion ax b mod n El numero entero x corresponde a la solucion de la ecuacion Las soluciones de una Ecuacion Lineal de Congruencia deben ser numeros enteros Existe algun criterio para determinar cuando una Ecuacion Lineal de Congruencia tiene soluciones enteras La respuesta es afirmativa Definicion 2 Editar Sean a b Z no nulos y n N La ecuacion ax b mod n tiene solucion si y solo si a n b DEMOSTRACIoN EditarLa ecuacion tiene solucion si y solo si n ax b Es decir si existe un unico entero y tal que ny ax b Reordenando se logra b ax nt con t y Por una de las propiedades de la diofantica la ecuacion diofantica ax nt b tiene solucion si y solo si a n b Sin embargo y nuevamente al igual que en las Ecuaciones Diofanticas Lineales una Ecuacion Lineal de Congruencia puede poseer mas de una solucion Por lo tanto consideremos el siguiente resultado Definicion 3 Definicion 3 Editar Sean a b Z no nulos n N a n d y d b Entonces la congruencia ax b mod n tiene d soluciones Adicionalmente x x0 ntd mod n es el conjunto solucion de la ecuacion con t 1 2 3 d 1 y x0 es una solucion particular de ax b mod n Los siguientes resultados permitiran resolver de manera mas expedita una Ecuacion Lineal de Congruencia Definicion 4 y 5 Definicion 4 Editar Sean a b Z y n d N Si ad bd mod nd entonces a b mod n DEMOSTRACIoN EditarPor definicion existe un unico entero t tal que ndt d a b Reordenando y factorizando se logra d nt a b 0 Como d 0 y Z no tiene divisores de cero entonces nt a b 0 Asi nt a b por lo que a b mod n Definicion 5 Editar Sean a b Z y n d N tales que n d 1 Si ad bd mod n entonces a b mod n DEMOSTRACIoN EditarPor definicion n d a b Como n d 1 entonces n d Por lo tanto n a b Asi a b mod n Es posible relacionar la funcion f de Euler con las Ecuaciones Lineales de Congruencia La Definicion 6 tiene la respuesta Definicion 6 Editar Sean a b Z no nulos n N y a n 1 Entonces la unica solucion a la ecuacion ax b mod n es x af n 1 b mod n DEMOSTRACIoN EditarPor definicion 3 la ecuacion tiene solucion unica Por consiguiente basta probar que x af n 1 b mod n es solucion Sin embargo esto es inmediato pues a af n 1 b af n b b mod n ya que a n 1 por lo que el Teorema de Euler Fermat establece que af n 1 mod n Aritmetica con numeros grandes EditarCasi todos los procesadores trabajan mucho mas rapido con numeros pequenos que con numeros grandes Este problema puede resolverse utilizando congruencias Para ello consideramos un conjunto m1 m2 mk de numeros primos entre si esto es mcd mi mj 1 para todo i j Entonces cualquier numero positivo S menor que m m1m2 mk se puede expresar mediante una n upla r1 r2 rk con 0 ri lt mi para todo i 1 2 k donde x r 1 m o d m 1 x r k m o d m k displaystyle displaystyle begin cases x equiv r 1 mod m 1 x equiv r k mod m k end cases Ademas por el teorema del resto chino existe un unico x 0 1 2 m satisfaciendo estas condiciones Ademas si x r 1 m o d m 1 x r k m o d m k y x r 1 m o d m 1 x r k m o d m k displaystyle displaystyle begin cases x equiv r 1 mod m 1 x equiv r k mod m k end cases y displaystyle begin cases x equiv r 1 mod m 1 x equiv r k mod m k end cases Por tanto las operaciones aritmeticas se pueden realizar entre las r uplas cuyas coordenadas son todas menores o iguales que max1 i r mi pudiendose realizar estas operaciones en paralelo Esto es para sumar n y n se suman los vectores asociados r1 r2 rk y r 1 r 2 r k y para multiplicar n y n se multiplican escalarmente los vectores asociados Finalmente x x y xx seran las soluciones unicas en Zm de los sistemas anteriores Por ejemplo se pueden considerar m1 99 m2 98 m3 97 y m4 95 para trabajar con numeros menores o iguales que m m1m2m3m4 89403930 Otros enteros que pueden escogerse son los de la forma 2k 1 con k N puesto que es relativamente facil encontrar conjuntos de estos enteros primos entre si mcd 2a 1 2b 1 2mcd a b 1 Ademas con estos enteros es facil trabajar en base 2 Por ejemplo 235 1 234 1 233 1 231 1 229 1 y 223 1 son primos entre si y el producto de ellos es mayor que 2184 Ejemplo Si tomamos m1 3 m2 4 se tiene que 0 0 0 1 1 1 2 2 2 3 0 3 4 1 0 5 2 1 6 0 2 7 1 3 8 2 0 9 0 1 10 1 2 11 2 3 y 5 6 2 1 0 2 2 3 11 Por otra parte y 2 3 2 2 0 3 0 6 0 2 6 Sin embargo 5 6 no es calculable puesto que el resultado es mayor o igual que 12 Aplicaciones de la aritmetica modular EditarLa aritmetica modular estudiada sistematicamente en primer lugar por Carl Friedrich Gauss al final del Siglo XVIII se aplica en teoria de numeros algebra abstracta criptografia y en artes visuales y musicales Las operaciones aritmeticas que hoy en dia hacen la mayoria de las computadoras son aritmetico modulares donde el modulo es 2b b es el numero de bits de los valores sobre los que operamos Esto se ve claro en la compilacion de lenguajes de programacion como el C donde por ejemplo todas las operaciones aritmeticas sobre int enteros se toman modulo 232 en la mayoria de las computadoras En el arte Editar En musica debido a la equivalencia de octavas y equivalencia enarmonica esto es los pasos en razones de 1 2 o 2 1 son equivalentes y Do es lo mismo que Reb la aritmetica modular se usa cuando consideramos la escala de doce tonos igualmente temperada especialmente en el dodecafonismo En artes visuales esta aritmetica puede usarse para crear patrones artisticos basados en las tablas de multiplicacion modulo n ver enlace abajo Vease tambien EditarResiduo cuadratico Teorema chino del resto Pequeno teorema de Fermat Teorema de Euler Criterio de Euler Teorema de Lagrange teoria de grupos Aritmetica de saturacion Operacion modulo Resto Teorema de congruencia lineal Principio de induccion Reflexividad Simetria Transitividad CongruenciasReferencias Editar Cap 1 Numbers congruences in general Disquisitiones Arithmeticae Yale University Press 1965 ISBN 0 300 09473 6 Traduccion al espanol Archivado el 25 de noviembre de 2011 en Wayback Machine Lopez Jorge M 28 de febrero de 2011 Criptografia PDF Consultado el 28 de febrero de 2011 p 3 a b c Gauss Carl Friedrich 1965 Sec I art 1 3 Disquisitiones Arithmeticae Yale University Press ISBN 0 300 09473 6 Traduccion al espanol Archivado el 25 de noviembre de 2011 en Wayback Machine Hortala Maria Teresa Rodriguez Mario Leach Javier 2001 Matematica discreta y logica matematica Madrid Complutense S A p 67 ISBN 84 7491 650 X a b c Carmona Collado Luis Miguel Congruencias HTML Introduccion a la aritmetica entera y modular Universidad politecnica de Madrid Consultado el 19 de abril de 2011 Kostrikin Introduccion al algebra Mir Moscu 1974 Santiago Zaragoza Antonio Cipriano 2009 2 4 Congruencias lineales Teoria de numeros 1ª edicion Madrid Vision libros pp 22 25 ISBN 978 84 9886 360 4 fechaacceso requiere url ayuda Navarro Gabriel 2002 Universitat de Valencia ed Un curso de algebra 1ª edicion Valencia p 77 ISBN 84 370 5419 2 fechaacceso requiere url ayuda Gauss Carl Friedrich 1965 Sec III art 50 Disquisitiones Arithmeticae Yale University Press ISBN 0 300 09473 6 Traduccion al espanol Archivado el 20 de septiembre de 2008 en Wayback Machine Euler Leonhard Theoremata circa residua ex divisione potestatum relicta en Novi Comment acad sc Petrop vol 7 1761 p 49 82 Texto original del latin Dartmouth College Euler archive con numero E262 Traduccion al ingles arXiv math 0608467Enlaces externos EditarWeisstein Eric W Modular arithmetic En Weisstein Eric W ed MathWorld en ingles Wolfram Research Perl arithmetic enhancements explica las razones que se encuentran tras el operador de Perl Bibliografia Editarhttp www matematicas ciencias uchile cl juaco section 10 htmlhttp serbal pntic mec es jpem0100 cesar 01 htmlhttps www cartagena99 com recursos alumnos apuntes Tema3 20Aritmetica 20Modular pdf Datos Q319400 Multimedia Modular arithmeticObtenido de https es wikipedia org w index php title Aritmetica modular amp oldid 137721836, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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