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Acerca de Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

Hola. Soy Leonardo Martínez. Soy Profesor de Tiempo Completo en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Hice un doctorado en Matemáticas en la UNAM, un postdoc en Israel y uno en Francia. Además, me gusta colaborar con proyectos de difusión de las matemáticas como la Olimpiada Mexicana de Matemáticas.

Álgebra Lineal I: Cambio de base de transformaciones lineales

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

1 respuesta

Introducción

En la entrada anterior definimos las matrices de cambio de base. Vimos algunas de sus propiedades básicas y mostramos cómo nos pueden ayudar para resolver el primero de los siguientes dos problemas.

  • Supongamos que tenemos dos bases $B_1$ y $B_2$ de un espacio vectorial $V$ y que tomamos un vector $v$ en $V$. Si ya sabemos la combinación lineal de elementos de $B_1$ que da $v$, ¿cómo podemos saber la combinación lineal de elementos de $B_2$ que da $v$? En otras palabras, ¿cómo podemos pasar a $v$ de su expresión en base $B_1$ a su expresión en base $B_2$?
  • Supongamos que tenemos una transformación lineal $T:V\to W$ entre dos espacios vectoriales $V$ y $W$, dos bases $B_1$ y $B_2$ de $V$ y dos bases $C_1$ y $C_2$ de $W$. Si ya sabemos qué le hace $T$ a los elementos de $V$ en términos de las bases $B_1$ y $C_1$, ¿cómo podemos saber qué hace $T$ en términos de las bases $B_2$ y $C_2$?

El objetivo de esta entrada es ver cómo con las matrices de cambio de base también podemos resolver el segundo problema. Después de hacer esto, hablaremos de una noción fundamental en álgebra lineal: la de matrices similares.

Matrices de cambio de base y transformaciones lineales

Las matrices de cambios de base nos ayudan a entender a las matrices de transformaciones lineales en bases diferentes.

Teorema. Sea $T:V\to W$ una transformación lineal entre espacios de dimensión finita $V$ y $W$. Sean $B_1$ y $B_2$ bases de $V$, y $C_1$ y $C_2$ bases de $W$. Entonces $$\Mat_{C_2,B_2}(T) = \Mat_{C_2}(C_1)\Mat_{C_1,B_1}(T)\Mat_{B_1}(B_2).$$

Observa cómo la elección de orden en la notación está rindiendo fruto. En el lado derecho «van apareciendo las bases» en el «orden natural» $C_2$, $C_1$, $B_1$, $B_2$.

Demostración. Sean $P=\Mat_{C_1}(C_2)$ y $Q=\Mat_{B_1}(B_2)$. Por un resultado de la entrada anterior, $P$ es la matriz que representa a la transformación identidad en $W$ con respecto a las bases $C_1$ y $C_2$, es decir, $P=\Mat_{C_1,C_2}(\text{id}_W)$.

Por cómo son las matrices de composiciones de transformaciones lineales, y usando que $\text{id}_W\circ T=T$, tenemos que $$\Mat_{C_1,C_2}(\text{id}_W)\Mat_{C_2,B_2}(T)=\Mat_{C_1,B_2}(T).$$

De manera análoga, $Q$ es la matriz que representa a la transformación identidad en $V$ con respecto a las bases $B_1$ y $B_2$, de donde tenemos que $$\Mat_{C_1,B_1}(T)\Mat_{B_1,B_2}(\text{id}_V)=\Mat_{C_1,B_2}(T).$$

De esta forma, $$P\Mat_{C_2,B_2}(T) = \Mat_{C_1,B_2}(T) = \Mat_{C_1,B_1}(T) Q.$$ El resultado se obtiene multiplicando por la izquierda ambos lados de esta ecuación por $P^{-1}=\Mat_{C_2}(C_1)$.

$\square$

En la siguiente entrada se verán varios ejemplos que involucran crear matrices para transformaciones lineales, matrices de cambios de base y multiplicarlas para entender una transformación lineal en distintas bases.

Por el momento, dejamos únicamente un corolario del teorema anterior, para el caso en el que tenemos una transformación lineal de un espacio vectorial a sí mismo expresado en términos de dos bases.

Corolario. Sea $T:V\to V$ una transformación lineal de un espacio vectorial $V$ de dimensión finita a sí mismo. Sean $B$ y $B’$ bases de $V$ y $P$ la matriz de cambio de base de $B$ a $B’$. Entonces $$\Mat_{B’}(T)=P^{-1}\Mat_{B}(T)P.$$

Matrices similares

Definición. Decimos que dos matrices $A$ y $B$ en $M_{n}(F)$ son similares o conjugadas si existe una matriz invertible $P$ en $M_n(F)$ tal que $B=P^{-1}AP$.

En otras palabras, $A$ y $B$ son matrices similares si representan a una misma transformación lineal en diferentes bases.

Proposición. La relación «ser similares» es una relación de equivalencia en $M_n(F)$.

Demostración. Toda matriz es similar a sí misma usando $P=I_n$, la identidad. Si $A$ y $B$ son similares con matriz invertible $P$, entonces $B$ y $A$ son similares con matriz invertible $P^{-1}$. Si $A$ y $B$ son similares con matriz invertible $P$ y $B$ y $C$ son similares con matriz invertible $Q$, notemos que $A=P^{-1}BP=P^{-1}(Q^{-1}CQ)P=(QP)^{-1}C(QP)$, de modo que $A$ y $C$ son similares con matriz invertible $QP$.

$\square$

¿Por qué es importante saber si dos matrices son similares? Resulta que dos matrices similares comparten muchas propiedades, como su traza, su determinante, su rango, etc. Para algunas matrices es más sencillo calcular estas propiedades. Así que una buena estrategia en álgebra lineal es tomar una matriz $A$ «complicada» y de ahí encontrar una matriz similar $B$ «más simple», y usar $B$ para encontrar propiedades de $A$.

Veamos un ejemplo de esto. Mediante un sencillo argumento inductivo se puede mostrar lo siguiente.

Proposición. Si $A$ y $B$ son matrices similares con $A=P^{-1}BP$, entonces $A^n=P^{-1}B^nP$.

Si $B$ fuera una matriz diagonal, entonces es fácil encontrar $B^n$: basta con elevar cada una de las entradas de su diagonal a la $n$ (lo cual es mucho más fácil que hacer productos de matrices). Así, esto da una forma muy fácil de encontrar $A^n$: basta con encontrar $B^n$, y luego hacer dos multiplicaciones de matrices más, por $P^{-1}$ a la izquierda y por $P$ a la derecha.

Más adelante…

En estas últimas dos entradas aprendimos a hacer «cambios de base», tanto para coordenadas, como para formas matriciales. También, introdujimos el concepto de similitud de matrices. Cuando $A$ es una matriz similar a una matriz diagonal, decimos que $A$ es diagonalizable. Que una matriz sea diagonalizable trae muchas ventajas. Como ya mencionamos, una de ellas es poder elevar la matriz a potencias de manera sencilla. Otra ventaja es que en las matrices diagonalizables es sencillo calcular rangos, determinantes y otras invariantes de álgebra lineal.

Una parte importante de lo que resta del curso consistirá en entender por qué las matrices simétricas con entradas reales son diagonalizables. El teorema principal del curso (el teorema espectral), consistirá en mostrar que toda matriz simétrica con entradas reales es diagonalizable mediante matrices ortogonales. Para poder demostrarlo, necesitaremos primero estudiar teoría geométrica de espacios vectoriales y teoría de determinantes.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  • Deduce el corolario del teorema principal de esta entrada.
  • Considera $\mathbb{R}[x]_2$ de polinomios con coeficientes reales y grado a lo más dos. Sea $T: \mathbb{R}[x]_2$ la transformación tal que $T(p)=p’$, el polinomio derivado. Encuentra la matriz que representa a la transformación en la base $\{1+x+x^2,1+2x,1\}$ y la matriz que representa a la transformación en la base $\{1,x,x^2\}$. Encuentra también la matriz de cambio de base de la primera a la segunda. Verifica que se cumple la conclusión del corolario.
  • Sean $A$ y $B$ matrices similares. Muestra que $A$ es invertible si y sólo si $B$ lo es.
  • Sean $A$ y $B$ matrices similares. Muestra que $A$ y $B$ tienen la misma traza.
  • Completa el argumento inductivo para demostrar la última proposición.
  • Considera la matriz con entradas complejas $A=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 0 & i & 0\\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}$. Encuentra $A^{105}$.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104721 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM»

Álgebra Superior II: Teorema chino del residuo

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

3 respuestas

Introducción

En entradas anteriores platicamos de congruencias y de algunos teoremas que se pueden usar para trabajar con potencias y factoriales módulo un entero. También, aprendimos a resolver una ecuación lineal módulo $n$. El resultado principal fue el siguiente:

Teorema 1. Sean $a,b$ enteros y $n$ un entero positivo. La ecuación $ax\equiv b\pmod n$ tiene solución si y sólo si $M:=\text{MCD}(a,n)$ divide a $b$. Cuando sí hay solución, ésta se puede expresar de manera única en módulo $n’:=n/M$.

Ya que sabemos resolver una ecuación lineal, el siguiente paso es aprender a resolver sistemas que involucren dos o más ecuaciones lineales. En esta entrada veremos primero cómo resolver un sistema de dos ecuaciones lineales.

Luego, veremos cómo resolver un sistema con más ecuaciones y demostraremos un resultado clásico: el teorema chino del residuo. Pero para eso necesitaremos el resultado para dos ecuaciones lineales. Vamos poco a poco.

Sistemas de dos ecuaciones lineales

Supongamos que queremos entender por completo el sistema de ecuaciones
\begin{align*}
ax&\equiv b \pmod m\\
cx&\equiv d \pmod n,
\end{align*}

es decir, determinar cuándo existe una $x$ que satisfaga ambas ecuaciones y, si existe, determinar cómo se ven todas las soluciones. Por lo primero que nos tenemos que preocupar es por que cada una de las ecuaciones tenga solución: si alguna no tiene, entonces no hay solución para el sistema.

Así, lo primero que tiene que pasar es que $\text{MCD}(a,m)$ divida a $b$ y que $\text{MCD}(c,n)$ divida a $d$. Cuando sí tienen solución, entonces podemos intercambiar a las ecuaciones por sus ecuaciones reducidas y obtener el sistema de ecuaciones lineales equivalente
\begin{align*}
a’x&\equiv b’ \pmod {m’}\\
c’x&\equiv d’ \pmod {n’}.
\end{align*}

La primera ecuación tiene una única solución módulo $m’$ y la segunda una única solución módulo $n’$, así que este sistema es equivalente al sistema
\begin{align*}
x&\equiv e \pmod {m’}\\
x&\equiv f \pmod {n’},
\end{align*}

en donde $e$ y $f$ son las soluciones a cada una de las ecuaciones lineales reducidas por separado. Ahora sí podemos combinar ambas ecuaciones. Lo único que nos falta es entender cuándo los sistemas de esta forma tienen solución.

Ejemplo 1. El sistema lineal de ecuaciones
\begin{align*}
x&\equiv 2 \pmod 6\\
x&\equiv 4 \pmod {15}
\end{align*}
no tiene solución.

Solución. La primera ecuación implica que $6\mid x-2$. Como $3\mid 6$, por transitividad tenemos $3\mid x-2$, así que la primera ecuación implica que $x$ deja residuo $2$ al dividirse entre $3$.

La segunda ecuación implica que $15\mid x-4$. Como $3\mid 15$, por transitividad $3\mid x-4$, o bien $x\equiv 4 \equiv 1 \pmod 3$. Es decir, la segunda ecuación implica que $x$ deja residuo $1$ al dividirse entre $3$. De esta forma, es imposible satisfacer simultáneamente ambas ecuaciones.

$\triangle$

En el ejemplo anterior, $3$ es el máximo común divisor de $6$ y $15$ y por eso convino estudiar la divisibilidad entre $3$. La siguiente proposición justo dice cuándo el sistema tiene solución en términos de cierta divisibilidad por el máximo común divisor de los módulos.

Proposición 4. Sean $a$ y $b$ enteros y $m$ y $n$ enteros positivos. El sistema lineal de ecuaciones en congruencias
\begin{align*}
x&\equiv a \pmod m\\
x&\equiv b \pmod n
\end{align*}

tiene solución si y sólo si $M:=\text{MCD}(m,n)$ divide a $a-b$. En este caso, la solución se puede expresar de manera única módulo $N:=\text{mcm}(m,n)$, el mínimo común múltiplo de $m$ y $n$.

Demostración. Supongamos que $x$ es solución. Por la primera ecuación, $m\mid x-a$ y como $M\mid m$, entonces $M\mid x-a$. De manera análoga, $M\mid x-b$. Así, $M\mid (x-b)-(x-a)=a-b$, lo cual prueba una implicación de la proposición.

Por otro lado, si $M$ divide a $a-b$, entonces existe una combinación lineal de $m$ y $n$ que da $a-b$, digamos $ym+zn=a-b$, que podemos reescribir como $b+zn=a-ym$. Tomemos $x=b+zn=a-ym$. Notemos que
\begin{align*}
x&=a-ym\equiv a\pmod m\\
x&= b+zn \equiv b \pmod n,
\end{align*}

de modo que $x$ es solución para el sistema. Notemos que $x+rN$ para cualquier $r$ entero y $N$ el mínimo común múltiplo de $m$ y $n$ también es solución pues $N\equiv 0 \pmod m$ y $N\equiv 0 \pmod n$.

Veamos que la solución es única módulo $N$. Si tenemos $x$ y $y$ que son soluciones al sistema, entonces tenemos
\begin{align*}
x&\equiv a \equiv y\pmod m\\
x&\equiv b \equiv y\pmod n,
\end{align*}

lo cual implica $m\mid x-y$ y $n\mid x-y$. Como $N$ es el mínimo común múltiplo, $N\mid x-y$, de modo que $x\equiv y \pmod N$.

$\square$

Terminamos esta sección con un teorema que recopila todo lo que hemos mostrado para dos ecuaciones lineales.

Teorema 2. Consideremos el sistema de ecuaciones
\begin{align*}
ax&\equiv b \pmod m\\
cx&\equiv d \pmod n.
\end{align*}

Si $\text{MCD}(a,m)$ no divide a $b$ o $\text{MCD}(c,n)$ no divide a $d$, entonces el sistema no tiene solución. Si tenemos ambas divisibilidades, entonces el sistema original es equivalente al sistema
\begin{align*}
x&\equiv e \pmod {m’}\\
x&\equiv f \pmod {n’},
\end{align*}

donde $e$ y $f$ son las soluciones únicas a las reducciones de la primer y segunda congruencia respectivamente. Si $\text{MCD}(m’,n’)$ no divide a $e-f$, entonces el sistema original no tiene solución. Si sí, entonces el sistema original tiene una única solución módulo $\text{mcm}(m’,n’)$.

Ejemplo 2. Determina las soluciones al siguiente sistema lineal de ecuaciones:
\begin{align*}
4x&\equiv 12 \pmod {24}\\
10x&\equiv 5 \pmod {75}.
\end{align*}

Solución. Para la primera ecuación, notamos que $\text{MCD}(4,24)=4$ sí divide a $12$ así que la ecuación sí tiene solución, y su conjunto solución es el mismo que el de $x\equiv 3\pmod 6$.

Para la segunda ecuación, notamos que $\text{MCD}(10,75)=5$ sí divide a $5$ así que la ecuación sí tiene solución, y su conjunto solución es el mismo que el de $2x\equiv 1\pmod {15}$. La solución de esta ecuación es $x\equiv 8 \pmod {15}$. De este modo, el sistema original es equivalente al sistema:

\begin{align*}
x&\equiv 3 \pmod {6}\\
x&\equiv 8 \pmod {15}.
\end{align*}

Tenemos que $\text{MCD}(6,15)=3$. Pero $3$ no divide a $3-8=-5$. Entonces este sistema no tiene solución, y por lo tanto el original tampoco.

$\triangle$

Hagamos un ligero cambio en el sistema de ecuaciones.

Ejemplo 3. Determina las soluciones al siguiente sistema lineal de ecuaciones:
\begin{align*}
4x&\equiv 20 \pmod {24}\\
10x&\equiv 5 \pmod {75}.
\end{align*}

Solución. Para la primera ecuación, notamos que $\text{MCD}(4,24)=4$ sí divide a $20$ así que la ecuación sí tiene solución, y su conjunto solución es el mismo que el de $x\equiv 5\pmod 6$.

Para la segunda ecuación, notamos que $\text{MCD}(10,75)=5$ sí divide a $5$ así que la ecuación sí tiene solución, y su conjunto solución es el mismo que el de $2x\equiv 1\pmod {15}$. La solución de esta ecuación es $x\equiv 8 \pmod {15}$. De este modo, el sistema original es equivalente al sistema:
\begin{align*}
x&\equiv 5 \pmod {6}\\
x&\equiv 8 \pmod {15}.
\end{align*}

Tenemos que $\text{MCD}(6,15)=3$ y que $3$ sí divide a $5-8=-3$, de modo que sí hay solución. Para encontrarla, expresamos a $-3$ como combinación lineal de $6$ y $15$: $$5-8= -3 = (-3)\cdot 6 + 1\cdot 15.$$

De aquí, $x=8+15=23$ es una solución, y por lo tanto el conjunto de soluciones queda descrito módulo $\text{mcm}(6,15)=30$ de manera única como $$x\equiv 23 \pmod {30}$$.

$\triangle$

El teorema chino del residuo

Varias de las ideas que usamos para un sistema de dos ecuaciones lineales las podemos reciclar para cuando queremos encontrar una $x$ que satisfaga simultáneamente el sistema de ecuaciones lineales en congruencias
\begin{align*}
a_1x&\equiv b_1\pmod {m_1}\\
a_2x&\equiv b_2\pmod {m_2}\\
&\vdots\\
a_nx&\equiv b_n\pmod {m_n}
\end{align*}

Si este sistema tiene solución, entonces claramente:

  • Cada una de las ecuaciones debe tener solución y,
  • cada par de ellas debe tener solución.

Lo impresionante del siguiente teorema es que estas dos condiciones son las únicas que tenemos que verificar para que el sistema tenga solución. Y afortunadamente ya estudiamos cuándo dos ecuaciones lineales en congruencias tienen una solución simultánea.

Si cada una de las ecuaciones del sistema tiene solución, entonces es única, así que podemos remplazar cada ecuación por su solución y obtener un sistema de ecuaciones en donde todos los coeficientes de $x$ son $1$ (como le hicimos en el caso de dos ecuaciones). El siguiente resultado estudia estos sistemas.

Teorema 3. Sea $n\geq 2$ un entero, $b_i$ enteros para $i\in \{1,\ldots,n\}$ y $m_i$ enteros positivos para $i\in \{1,\ldots,n\}$. El sistema de ecuaciones en congruencias
\begin{align*}
x&\equiv b_1\pmod {m_1}\\
x&\equiv b_2\pmod {m_2}\\
&\vdots\\
x&\equiv b_n\pmod {m_n}
\end{align*}
tiene solución si y sólo si para cada par de índices $i$ y $j$ en $\{1,2,\ldots,n\}$ se tiene que la ecuación $i$ y la ecuación $j$ tienen solución, es decir, si y sólo si $\text{MCD}(m_i,m_j)\mid b_i-b_j$. En este caso, la solución es única módulo $\text{mcd}(m_1,\ldots,m_n)$.

Demostración. Si el sistema completo tiene solución, entonces claramente cualquier par de ecuaciones tiene solución. Para demostrar la afirmación inversa, procederemos por inducción. Para $n=2$ la afirmación es directa, pues justo la hipótesis es que ese par de ecuaciones tiene solución.

Supongamos entonces el resultado cierto para cuando tenemos $n$ ecuaciones y consideremos un sistema con $n+1$ ecuaciones
\begin{align*}
x&\equiv b_1\pmod {m_1}\\
x&\equiv b_2\pmod {m_2}\\
&\vdots\\
x&\equiv b_n\pmod {m_n}\\
x&\equiv b_{n+1}\pmod {m_{n+1}}.
\end{align*}

Supongamos que cualquier par de ellas tienen solución. Tenemos que mostrar que todo el sistema tiene solución y que es única módulo $\text{mcm}(m_1,\ldots,m_{n+1})$. Como cualquier par tienen solución, entonces cualquier par de las primeras $n$ tienen solución. Por hipótesis inductiva, entonces podemos reemplazar a las primeras ecuaciones por una ecuación módulo $N=\text{mcm}(m_1,\ldots,m_{n})$, que es única por la unicidad en la hipótesis inductiva. En otras palabras, existe un entero $c$ tal que el sistema de ecuaciones original es equivalente al sistema de ecuaciones
\begin{align*}
x&\equiv c \pmod N\\
x&\equiv b_{n+1} \pmod {m_{n+1}}
\end{align*}

Mostraremos ahora que este sistema tiene solución. Para esto, basta mostrar que $\text{MCD}(N,m_{n+1})$ divide a $c-b_{n+1}$.

Como $c$ es solución del sistema para las primeras $n$ ecuaciones, tenemos que $c\equiv b_i\pmod {m_i}$ para toda $i=1,\ldots, n$, es decir, $m_i\mid c-b_i$. Por transitividad, $\text{MCD}(m_{n+1},m_i)\mid c-b_i$.

Como cualquier par de ecuaciones de las originales tenía solución, tenemos que $\text{MCD}(m_{n+1},m_i)\mid b_i-b_{n+1}$. De esta forma, $$\text{MCD}(m_{n+1},m_i)\mid -(c-b_i)-(b_i-b_{n+1})=b_{n+1}-c.$$

Con esto mostramos que cada $\text{MCD}(m_{n+1},m_i)$ divide a $b_{n+1}-c$, de modo que el mínimo común múltiplo de estos números también divide a $b_{n+1}-c$. Pero el mínimo común múltiplo de estos números precisamente $\text{MCD}(N,m_{n+1})$.

En otras palabras, el sistema
\begin{align*}
x&\equiv c \pmod N\\
x&\equiv b_{n+1} \pmod {m_{n+1}},
\end{align*}

que es esquivalente al original, tiene una solución, y esta es única módulo $$\text{mcm}(N,m_{n+1})=\text{mcm}(m_1,\ldots,m_n,m_{n+1}).$$

Esto es justo lo que queríamos para dar el paso inductivo.

$\square$

Como corolario, obtenemos el teorema chino del residuo, que habla acerca de soluciones a sistemas de ecuaciones en los cuales los módulos que tomamos son primos relativos entre sí.

Teorema 4 (teorema chino del residuo). Sea $n\geq 2$ un entero, $b_i$ enteros para $i\in\{1,2,\ldots,n\}$ y $m_i$ enteros positivos para $i\in\{1,\ldots,n\}$. Supongamos además que cada par $m_i, m_j$ de enteros ($i\neq j$) son primos relativos. Entonces el sistema lineal de congruencias
\begin{align*}
x&\equiv b_1\pmod {m_1}\\
x&\equiv b_2\pmod {m_2}\\
&\vdots\\
x&\equiv b_n\pmod {m_n}
\end{align*}
tiene una y sólo una solución módulo $m_1m_2\ldots m_n$.

Demostración. Como cada pareja de módulos son primos relativos, tenemos que $\text{MCD}(m_i,m_j)=1$ y entonces claramente cada par de ecuaciones tiene solución. Por el Teorema 3, el sistema tiene solución y esta es única módulo el mínimo común múltiplo de $m_1,\ldots,m_n$, que como son primos relativos dos a dos, es $m_1m_2\ldots m_n$.

$\square$

La demostración del Teorema 3 también nos da un procedimiento para resolver de manera práctica los sistemas de ecuaciones lineales en congruencias:

  • Si los coeficientes de $x$ del sistema no son $1$, entonces primero resolvemos todas las ecuaciones con coeficiente distinto de $1$ para transformarla en una del estilo de las del Teorema 3. Si alguna no se puede, entonces el sistema no tiene solución.
  • Una vez que el sistema está en la forma del Teorema 3, verificamos si cada par de ecuaciones tienen solución calculando los máximos comunes divisores de dos en dos y viendo que dividen a las restas respectivas. Si alguno de estos pares falla, entonces el sistema no tiene solución.
  • Si todos los pares cumplen la hipótesis, entonces resolvemos las primeras dos ecuaciones para remplazarlas por otra módulo su mínimo común múltiplo. Luego, usamos esa que obtuvimos y la tercera para remplazarlas por otra. Seguimos así hasta que sólo nos queden dos ecuaciones. La solución a esas será la solución al sistema original.

Ejemplo. Resolvamos el siguiente sistema de congruencias:

\begin{align*}
x&\equiv 11 \pmod{5}\\
x&\equiv 5 \pmod{7}\\
x&\equiv 7 \pmod{11}
\end{align*}

Solución. Los números $5$, $7$ y $11$ son primos relativos por parejas, de modo que la solución existe y es única módulo $5\cdot 7 \cdot 11= 385$. Para encontrarla, primero resolvemos las primeras dos ecuaciones. Estas corresponden al sistema
\begin{align*}
x&\equiv 11\equiv 1 \pmod{5}\\
x&\equiv 5 \pmod{7}
\end{align*}

Para encontrar la solución, ponemos a $1-5=-4$ como combinación lineal de $5$ y $7$, que tras explorar un poco, se puede hacer así: $1-5=-4=2\cdot 5 + (-2)\cdot 7$. De este modo, la solución es $x\equiv 5-14 \equiv -9 \equiv 26 \pmod{35}$ (este es un buen momento para substituir en las dos ecuaciones originales y ver que todo vaya bien).

Así, el sistema original es equivalente al sistema
\begin{align*}
x&\equiv 26 \pmod{35}\\
x&\equiv 7 \pmod{11}
\end{align*}

Ahora lo que tenemos que hacer es expresar a $26-7=19$ como combinación lineal de $35$ y $11$. Es difícil encontrar una combinación «al tanteo», así que aquí es mejor usar el algoritmo de la división de Euclides:
\begin{align*}
35&=3\cdot 11 + 2\\
11&=2\cdot 5 + 1
\end{align*}

De aquí, $$1=11-2\cdot 5=11-(35-3\cdot 11)\cdot 5 = (-5)\cdot 35 +
16\cdot 11,$$ por lo que $$19=(-5\cdot 19)\cdot 35 + (19\cdot 16)\cdot 11=(-95)\cdot 35 + (304)\cdot 11.$$

Así, la solución al sistema está dada por $x=7+304\cdot 11=3351\equiv 271 \pmod {385}$.

$\square$

Más adelante…

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Verifica que, en efecto, las soluciones que obtuvimos en el ejemplo después del Teorema 2 sí son soluciones de la ecuación original.
  2. Cuando un sistema de dos ecuaciones en módulos $m$ y $n$ sí tiene solución, ¿cuántas soluciones módulo $mn$ tiene?
  3. Usando $(\ldots)$ para máximo común divisor y $[\ldots]$ para mínimo común múltiplo, demuestra que para cualesquiera enteros $m_1,m_2,\ldots,m_n$ se tiene que $$([m_1,\ldots,m_n],m_{n+1})=[(m_1,m_{n+1}),\ldots,(m_n,m_{n+1})].$$
  4. Verifica que las soluciones del último ejemplo en efecto satisfacen el sistema de ecuaciones inicial.
  5. Demuestra que para cualquier entero $n\geq 1$ existen $n$ enteros consecutivos tal que la factorización en primos de cada uno de ellos usa al menos dos primos diferentes.

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Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104522 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 2»

Seminario de Resolución de Problemas: Máximo común divisor

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

5 respuestas

Con esta entrada comenzamos a tratar los temas de números enteros y su aritmética. Varios de los temas que se ven aquí se estudian a profundidad en un curso de Álgebra Superior, así que varios de los resultados los enunciaremos sin demostración. Lo que nos interesa es cómo se pueden utilizar los resultados principales de la teoría de números enteros para la resolución de problemas matemáticos.

Divisibilidad y máximo común divisor

Trabajaremos todo el tiempo con números enteros, a menos que digamos lo contrario.

Decimos que $a$ divide a $b$ si $b$ es un mútiplo de $a$, es decir, si existe un $r$ tal que $b=ra$. Lo escribimos en símbolos como $a\mid b$. También decimos que $a$ es divisor de $b$.

Proposición 1. La relación de divisibilidad es reflexiva y transitiva, pero no es simétrica. Si $a\mid b$ y $b\mid a$, entonces $|a|=|b|$, es decir $a=b$ o $a=-b$.

Si tenemos varios números $a_1,\ldots,a_n$, el máximo común divisor es el mayor número que divide a todos. El mínimo común múltiplo es el menor entero positivo que es múltiplo de todos. Los denotamos respectivamente por $\MCD{a_1,\ldots,a_n}$ y $\mcm{a_1,\ldots,a_n}$.

Proposición 2. Si $n$ divide a $a$ y a $b$, entonces divide a cualquier combinación lineal entera $ra+sb$ de ellos. En particular, si $n$ divide a dos términos de la igualdad $a+b=c$, entonces divide al tercero.

Notemos que $a+(b-a)=b$. Por la Proposición 2, un divisor de $a$ y $b$ será divisor de $b-a$, y uno de $b-a$ y de $a$ será divisor de $b$. De aquí sale que $\MCD{a,b}=\MCD{a,b-a}$

Problema. Determina todas las funciones $f:\mathbb{Z}^+\times \mathbb{Z}^+ \to \mathbb{Z}^+$ tales que cumplen las siguientes tres propiedades simultáneamente:

  1. $f(a,a)=a$ para todo entero positivo $a$.
  2. $f(a,b)=f(b,a)$ para todo par de enteros positivos $a$ y $b$.
  3. $f(a,b)=f(a,a+b)$ para todo par de enteros positivos $a$ y $b$.

Sugerencia pre-solución. Haz casos particulares que puedas obtener a partir de esas propiedades para conjeturar el valor de $f(a,b)$ para todos $a$ y $b$ enteros positivos. Intenta probar tu conjetura por inducción fuerte.

Solución. Vamos a mostrar que $f(a,b)=\MCD{a,b}$ para todo par de enteros positivos $a$ y $b$. Vamos a probarlo por inducción sobre la suma $a+b$. Como $a$ y $b$ son enteros positivos, la menor suma que pueden tener es $2$ y en este caso $a+b=2$ implica $a=b=1$. Por la hipótesis 1, tenemos $f(1,1)=1$, que coincide con $\MCD{1,1}$.

Supongamos que el resultado es cierto cuando $a+b=k$ para todo entero $k=1,\ldots,n$ y tomemos $a$ y $b$ enteros de suma $n+1$. Si $a=b$, entonces $$f(a,b)=f(a,a)=a=\MCD{a,a}=\MCD{a,b},$$ como queremos. Si $a\neq b$, por la simetría que nos da la hipótesis 2 podemos suponer $b>a$. Por la hipótesis 3, $$f(a,b)=f(a,a+(b-a))=f(a,b-a).$$ En la expresión de la derecha, tenemos que sus entradas suman $a+(b-a)=b<a+b=n+1$, de modo que podemos aplicar la hipótesis inductiva para obtener que $f(a,b-a)=\MCD{a,b-a}$. Por la discusión antes de este problema, $\MCD{a,b-a}=\MCD{a,b}$. Así, concluimos que $f(a,b)=\MCD{a,b}$, como queríamos.

$\square$

El máximo común divisor y el mínimo común múltiplo de un número son especiales. No sólo son el divisor más grande y el múltiplo más chico, sino que además si hay otro divisor de todos los números (o múltiplo de todos los números), además se cumplen ciertas divisibilidades.

Proposición 3. Si tenemos otro número $d$ que sea divisor de $a_1,\ldots,a_n$, entonces $$d\mid \MCD{a_1,\ldots,a_n}.$$ Si tenemos otro número $M$ que sea múltiplo de $a_1,\ldots,a_n$, entonces $$\mcm{a_1,\ldots,a_n}\mid M.$$

Problema. Sean $a$ y $b$ enteros positivos. Muestra que $$\MCD{a,b}\mcm{a,b}=ab.$$

Sugerencia pre-solución: Intenta resolver el problema antes de ver la solución. Para ello, necesitarás la Proposición 1 y la Proposición 3.

Solución. Para simplificar la notación, tomamos $D=\MCD{a,b}$ y $m=\mcm{a,b}$.

Como $D$ divide a $a$ y $b$, existen enteros $r$ y $s$ tales que $a=rD$ y $b=sD$. Notemos que $rsD=as=br$, así que $rsD$ es un múltiplo de $a$ y $b$, y por la Proposición 3, tenemos que $m\mid rsD$. Multiplicando por $D$ esta divisibilidad, tenemos que $Dm\mid rsD^2=ab$.

Como $ab$ es múltiplo de $a$ y de $b$, por la Proposición $3$ es múltiplo de $m$, digamos $ab=km$. Notemos que de aquí, tenemos $a=k(m/b)$ con $m/b$ entero y $b=k(m/a)$ con $m/a$ entero, de modo que $k$ divide a $a$ y a $b$. Como $D$ es máximo común divisor, por la Proposición 3 tenemos que $k\mid D$. Multiplicando por $m$ esta divisibilidad, tenemos que $km\mid DM$, es decir, $ab\mid Dm$.

Con esto logramos conseguir que $ab\mid Dm$ y $Dm\mid ab$. Por la Proposición $1$, tenemos que $|ab|=|Dm|$, pero como $a$, $b$, $D$, $m$ son positivos, entonces $ab=Dm$.

$\square$

Algoritmo de la división y algoritmo de Euclides

Tomemos $a$ y $b$ enteros. Si intentamos expresar a $a$ como múltiplo de $b$, puede que no lo logremos. Pero podemos acercarnos lo más posible y dejar un residuo «pequeño». Esto es lo que dice el algoritmo de la división.

Teorema 1 (Algoritmo de la división). Para enteros $a$ y $b\neq 0$, existen únicos enteros $q$ y $r$ tales que $0\leq r < |b|$ y $a=bq+r$.

Consideremos la igualdad $a=bq+r$ en el algoritmo de la división y apliquemos la Proposición 2. Si $d$ divide a $a$ y $b$, entonces divide a $r$. Si $d$ divide a $r$ y a $b$, entonces divide a $a$. Así, $\MCD{a,b}=\MCD{b,r}$, en donde $b$ y $r$ ahora son números más chicos que $a$ y $b$. De este modo, podemos hacer varias veces el algoritmo de la división para obtener igualdades
\begin{align*}
a&=bq_1+r_1\\
b&=r_1 q_2 + r_2\\
r_1&= r_2q_3 + r_3\\
&\vdots\\
r_{n-2}&= r_{n-1}q_n + r_n\\
r_{n-1}&= r_nq_{n+1} + 0\\
\end{align*}

de las que obtenemos $$\MCD{a,b}=\MCD{b,r_1}=\ldots=\MCD{r_n,0}=r_n.$$
En las igualdades llegamos a un residuo $0$ pues $b>r_1>r_2>r_3>\ldots\geq 0$ es una sucesión estrictamente decreciente de enteros no negativos.

En particular, obtenemos $$\MCD{a,b}=r_n.$$ A esto se le conoce como el algoritmo de Euclides, que enunciamos en otras palabras a continuación.

Teorema 2 (Algoritmo de Euclides). Podemos obtener el máximo común divisor de $a$ y $b$ aplicando el algoritmo de la división a $a$ y $b$, a $b$ y el residuo obtenido y luego repetidamente a los residuos que se van obteniendo. El último residuo no cero es $\MCD{a,b}$.

Hay todavía una conclusión adicional muy importante que podemos obtener a partir del algoritmo de Euclides.

Problema. Sean $a\geq b$ enteros. Sean $q_i$ y los $r_i$ los números obtenidos en el algoritmo de Euclides. Definimos recursivamente una sucesión de $n+1$ vectores en $\mathbb{R}^3$ como sigue:

\begin{align*}
v_1&=(a,1,0)\\
v_2&=(b,0,2)\\
v_{i+2}&=v_{i}-q_iv_{i+1}\quad \text{para $i=1,\ldots,n-1$}
\end{align*}

Sean $r_{-1}=a$ y $r_{0}=b$. Muestra que para $i=1,2,3,\ldots,n+1$ se tiene que $v_i=(x_i,y_i,z_i)$, en donde:

  • $x_i=r_{i-2}$
  • $x_i=ay_i+bz_i$

Sugerencia pre-solución. Intenta resolver el problema haciendo inducción sobre el índice. Los casos $i=1,2$ son inmediatos.

Solución. Procedemos por inducción fuerte en el subíndice $i$. Para $i=1,2$, el resultado es cierto pues $x_1=a=r_{-1}$, $x_2=b=r_0$, $a=1\cdot a + 0 \cdot b$ y $b=0 \cdot a + 1\cdot b$. Supongamos el resultado cierto para los índices $1,2,\ldots, k$ para algún $2\leq k\leq n$. Tomemos el índice $k+1$.

Estudiemos primero la entrada $x_{k+1}$. Por definición de la recursión e hipótesis inductiva
\begin{align*}
x_{k+1}&=x_{k-1}-q_{k-1}x_{k}\\
&=r_{k-3}-q_{k-1}r_{k-2}\\
&=r_{k-1},
\end{align*}

que es lo que queríamos mostrar para la entrada $x_{k+1}$. Para la segunda parte, de nuevo usando la recursión e hipótesis inductiva, tenemos que
\begin{align*}
x_{k+1}&=x_{k-1}-q_{k-1}x_{k}\\
&=ay_{k-1}+bz_{k-1} – q_{k-1} (ay_{k}+bz_{k})\\
&=a(y_{k-1}-q_{k-1}y_k) + b(z_{k-1}-q_{k-1}z_k)\\
&=ay_{k+1}+bz_{k+1}.
\end{align*}

Con esto terminamos la inducción.

$\square$

El problema anterior nos dice que, en particular, $r_n=ay_n+bx_n$. Esta conclusión es muy importante y la enunciamos como teorema.

Teorema 3. El máximo común divisor de enteros $a$ y $b$ se puede escribir como combinación lineal entera de $a$ y $b$, es decir, existen enteros $m$ y $n$ tales que $\MCD{a,b}=am+bn$.

Veamos un ejemplo concreto de cómo podemos usar el problema para encontrar la combinación lineal que da el máximo común.

Problema. Expresa al máximo común divisor de $754$ y $221$ como combinación lineal entera de estos números.

Solución. Hacemos la siguiente tabla, en donde ponemos a los vectores del problema como vectores columna (en los renglones $2,3,4$). En el primer rengón vamos apuntando las $q_i$.

3223
7542219139130
101-25-17
01-37-1758

Explicamos un poco más de donde sale la tabla. Las primeras dos columnas son los vectores $v_1$ y $v_2$ del problema, que son $(754,1,0)$ y $(221,0,1)$. Para la tercer columna, nos preguntamos ¿cuántas veces cabe $221$ en $754$? La respuesta es $3$, así que ponemos un $3$ arriba (para acordarnos) y hacemos la resta de la primera columna menos tres veces la segunda. Eso va en la tercer columna.

Para la cuarta columna, nos preguntamos ¿cuántas veces cabe $91$ en $221$? La respuesta es $2$, así que lo apuntamos arriba, y la cuarta columna es la segunda, menos dos veces la tercera. Continuamos así hasta que obtengamos un $0$. La columna anterior nos dice que $13$ es el máximo común divisor, y que la combinación lineal es $$13=754\cdot 5 + 221 \cdot 58.$$

$\square$

Aquí hay otros dos problemas con aplicaciones de las ideas que vimos en esta entrada.

Problema. Muestra que para todo entero $n$ se tiene que la fracción $\frac{41-6n}{9n-61}$ es irreducible.

Sugerencia pre-solución. Intenta resolver el problema. Lo que quieres mostrar es que $41-6n$ y $9n-61$ nunca tienen divisores en común.

Solución. Notemos que $41-6n$ y $9n-61$ tienen una combinación lineal que da $1$. En efecto, $$3\cdot (41-6n) + 2\cdot (9n-61) = 123-18n+18n-122=1.$$

Cualquier entero $d$ que divida a $41-6n$ y a $9n-61$ tiene entonces que dividir a $1$, lo cual muestra que $\MCD{41-6n,9n-61}=1$, y por lo tanto la fracción siempre es irreducible.

$\square$

Problema. Se tiene un número irracional $\alpha$ para el cual $\alpha^{91}$ y $\alpha^{119}$ son números racionales. Muestra que $\alpha^{14}$ es un número racional.

Sugerencia pre-solución. Encuentra el máximo común divisor de $91$ y $119$. Recuerda que las potencias de racionales son racionales, y productos de racionales también.

Solución. Como $91=7\cdot 13$ y $119=7\cdot 13$, tenemos que $\MCD{91,119}=7$. De esta forma, existen enteros $m$ y $n$ tales que $7=91m+119n$, de donde $14=91 \cdot (2m)+119 \cdot(2n)$.

Sabemos que $\alpha^{91}$ es racional, así que $(\alpha^{91})^{2m}$ también. Análogamente, $(\alpha^{119})^{2n}$ es racional. De esta forma, el número $$\alpha^{14}=(\alpha^{91})^{2m}\cdot (\alpha^{119})^{2n}$$ también lo es.

$\square$

Más ejemplos

Puedes ver más ejemplos del uso de esta teoría en la Sección 3.1 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.

El Teorema 3 es fundamental para cuando se quieren determinar inversos multiplicativos trabajando módulo $n$.

Álgebra Superior II: Ecuaciones en congruencias

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

2 respuestas

Introducción

En entradas anteriores platicamos de congruencias y de algunos teoremas que se pueden usar para trabajar con potencias y factoriales módulo un entero. Ya que tenemos un buen manejo de la aritmética en congruencias, podemos comenzar a hacernos preguntas acerca de las ecuaciones que pueden se plantear y resolver en estos términos.

Ejemplo 1. ¿Cuáles son las soluciones enteras a la ecuación $x\equiv 3 \pmod 6$?

Solución. Un número $x$ satisface la ecuación si y sólo si $6$ divide a $x-3$, lo cual sucede si y sólo si $x$ es de la forma $x=6r+3$, donde $r$ es un número entero. Así, el conjunto de soluciones es de la forma $$6\mathbb{Z}+3:= \{6r+3: r\in \mathbb{Z}\}.$$ Dicho de otra forma, el conjunto de soluciones es la clase de equivalencia del $3$ módulo $6$, es decir, $[3]_6$.

$\triangle$

Cuando tengamos ecuaciones más complicadas, usualmente lo que haremos es dejar expresada la solución en términos de congruencias, es decir, como uno o varios elementos de $\mathbb{Z}_n$. Si se quiere encontrar a todos los enteros (en $\mathbb{Z}$) que sean solución, basta recordar este ejemplo para expresar a las soluciones en $\mathbb{Z}_n$ como conjuntos de soluciones en $\mathbb{Z}$.

Ejemplo 2. ¿Cuáles son las soluciones enteras a la ecuación $2x+1\equiv 0 \pmod 7$?

Solución. Trabajemos módulo $7$. Restando $1$ de ambos lados obtenemos $$2x\equiv -1\equiv 6 \pmod 7.$$ Multiplicando por $4$ de ambos lados tenemos que $$8x\equiv 24\equiv 3\pmod 7.$$ Como $8x\equiv x \pmod 7$, tenemos que $x\equiv 3 \pmod 7$ es la solución.

$\triangle$

En el ejemplo anterior encontramos las soluciones módulo $7$. Si queremos encontrar las soluciones en enteros, basta expresar esta congruencia en términos de enteros: las soluciones en $\mathbb{Z}$ son los números de la forma $7r+3$ con $r$ entero.

Ecuaciones lineales en congruencias

Una ecuación lineal en congruencias es de la forma $$ax\equiv b\pmod n.$$ Vamos a estudiar esta ecuación, viendo cuándo tiene solución y cuántas soluciones módulo $n$ tiene. Hay un caso fácil de estudiar, que es cuando $a$ y $n$ son primos relativos.

Proposición 1. Sean $a,b$ enteros y $n$ un entero positivo tales que $\text{MCD}(a,n)=1$. Entonces la ecuación $$ax\equiv b \pmod n$$ tiene una única solución $x$ módulo $n$.

Demostración. Como $a$ y $n$ son primos relativos, $a$ tiene un inverso multiplicativo módulo $n$, digamos $a^{-1}$. Afirmamos que $x=a^{-1}b$ es solución. En efecto, $a(a^{-1}b)\equiv 1\cdot b\equiv b \pmod n$.

Ahora, afirmamos que la solución es única. Supongamos que $x$ y $y$ son solución. Tendríamos entonces que $$ax\equiv b \equiv ay \pmod n.$$ Multiplicando ambos extremos de esta ecuación por $a^{-1}$, tenemos que $$x\equiv a^{-1}ax\equiv a^{-1}a y \equiv y \pmod n.$$

$\square$

Sin embargo, como ya vimos antes, no siempre pasa que todo elemento tenga inverso multiplicativo. Necesitamos un análisis más detallado.

Notemos que $x$ es solución de $ax\equiv b\pmod n$ si y sólo si $n$ divide a $ax-b$, lo cual sucede si y sólo si existe un entero $y$ tal que $ax-b=ny$. Reordenando, tenemos que $ax-ny=b$. En otras palabras, la ecuación en congruencias tiene solución si y sólo si podemos expresar a $b$ como combinación lineal entera de $a$ y $n$, lo cual sucede si y sólo si $$b\in a\mathbb{Z} + n \mathbb{Z}=\text{MCD}(a,n)\mathbb{Z},$$ es decir, si y sólo si $b$ es múltiplo del máximo común divisor de $a$ y $n$. Resumimos esta primer parte del análisis en la siguiente proposición.

Proposición 2. Sean $a,b$ enteros y $n$ un entero positivo. La ecuación $ax\equiv b\pmod n$ tiene solución si y sólo si $\text{MCD}(a,n)$ divide a $b$.

Ahora, queremos entender cuántas soluciones diferentes hay módulo $n$.

Ejemplo. Encuentra todas las soluciones a la ecuación $4x\equiv 1 \pmod 8$ y a la ecuación $4x\equiv 0 \pmod 8$.

Solución. Tenemos que $\text{MCD}(4,8)=4$ y que $4$ no divide a $1$, así que la primer ecuación no tiene solución. Tenemos que $4$ sí divide a $0$, así que la segunda ecuación sí tiene solución. Veamos cuántas tiene.

Notemos que al multiplicar por $4$ cada uno de los elementos $0,2,4,6$ obtenemos respectivamente $0,8,16,24$, que son todos múltiplos de $8$, así que estos elementos de $\mathbb{Z}_8$ son solución. Al multiplicar $4$ por $1,3,5,7$ obtenemos $4,12,20,28$, que módulo $8$ son $4,4,4,4$, así que ninguno de estos números son solución. Así, las soluciones son $x\equiv 0,2,4,6\pmod 8$.

$\triangle$

Una forma alternativa de expresar la solución del problema anterior es darse cuenta de que las soluciones en enteros son los números pares, o bien los enteros $n$ tales que $n\equiv 0\pmod 2$. En general, cuando la solución existe, podemos encontrar un módulo en la que la podemos describir de manera única. Este es el contenido de las siguientes dos proposiciones.

Proposición 3. Sean $a,b$ enteros y $n$ un entero positivo tales que $M=\text{MCD}(a,n)$ divide a $b$. Sean $a’=a/M$, $b’=b/M$ y $n’=n/M$ (con $a’$, $b’$, $n’$ enteros). El entero $x$ es solución a la ecuación en congruencias $ax\equiv b \pmod n$ si y sólo si es solución a la ecuación en congruencias $a’x\equiv b’\pmod {n’}$.

Demostración. Tenemos que $x$ es solución a $ax\equiv b \pmod n$ si y sólo si existe una combinación lineal entera $ax-ny=b$. Al dividir entre $M\neq 0$, esto sucede si y sólo si $a’x-n’y=b’$, lo cual sucede si y sólo si $x$ es solución a la ecuación en congruencias $a’x\equiv b’\pmod {n’}$.

$\square$

Estamos listos para enunciar el resultado principal de esta sección. Viene de la combinación de las ideas anteriores.

Teorema 1. Sean $a,b$ enteros y $n$ un entero positivo. La ecuación $ax\equiv b\pmod n$ tiene solución si y sólo si $M:=\text{MCD}(a,n)$ divide a $b$. Cuando sí hay solución, ésta se puede expresar de manera única en módulo $n’:=n/M$.

Demostración. La primer parte es la Proposición 2. Una vez que sabemos que la ecuación tiene solución, por la Proposición 3 podemos encontrar la ecuación equivalente $a’x\equiv b’\pmod {n’}$, en donde $a’=a/M$ y $b’=b/M$. En esta ecuación, $a’$ y $n’$ son primos relativos (ver Tarea moral abajo). Por la Proposición 1, tiene una solución única módulo $n’$.

$\square$

Como empezamos con una ecuación módulo $n$, quizás queremos saber cuántas soluciones tiene módulo $n$, y no módulo $n’$. De manera inmediata, obtenemos el siguiente resultado.

Corolario. Con la notación del teorema anterior, cuando la ecuación tiene solución, entonces tiene $M$ soluciones módulo $n$.

Ejercicio. Resuelve la ecuación lineal en congruencias $$12x\equiv 18 \pmod {30}.$$

Intenta resolver este ejercicio antes de ver la solución. Puedes comenzar calculando el máximo común divisor de $12$ y $30$.

Solución. El máximo común divisor de $12$ y $30$ es $6$, que sí divide a $18$. Entonces sí hay soluciones, y habrá $6$ soluciones módulo $30$. Para encontrar la ecuación reducida equivalente, dividimos entre $6$ para obtener $$2x\equiv 3 \pmod 5.$$

El inverso de $2$ módulo $5$ es $3$. Multiplicando en ambos lados por $3$ obtenemos la solución $$x\equiv 9 \equiv 4 \pmod 5.$$

Para recuperar las soluciones módulo $30$, a cada una de estas soluciones le sumamos $30/6=5$ repetidamente para obtener las soluciones $x\equiv 4, 9, 14, 19, 24, 29 \pmod {30}$.

$\triangle$

En la siguiente entrada veremos cómo resolver sistemas de ecuaciones lineales en los que tenemos más de una congruencia.

Más adelante…

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Sea $a$ un entero y $n$ un entero positivo. Sea $M=\text{MCD}(a,n)$ y sean $a’=a/M$ y $n’=n/M$. Muestra que $\text{MCD}(a’,n’)=1$.
  2. Demuestra el corolario al Teorema 1.
  3. Verifica que, en efecto, las soluciones que obtuvimos en el ejemplo después del Teorema 1 sí son soluciones de la ecuación original.
  4. Diseña una ecuación lineal módulo $60$ que tenga exactamente $15$ soluciones módulo $60$.
  5. Para prepararte para la siguiente entrada, intenta resolver por completo el sistema de congruencias

\begin{align*}
x&\equiv -1 \pmod{77}\\
x&\equiv -1 \pmod{55}\\
\end{align*}

Entradas relacionadas

Agradecimientos

Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104522 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM – Etapa 2»

Seminario de Resolución de Problemas: Bases numéricas y dígitos

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

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Introducción

En las entradas anteriores de teoría de números hemos hablado acerca de divisibilidad, de aritmética modular y de factorización única en primos. En esta entrada vamos a hablar de propiedades que podemos deducir de ciertos números a partir de su dígitos.

Usualmente escribimos a los números en base $10$, usando los dígitos de $1$ a $9$. En realidad, esto es relativamente arbitrario. Podemos usar bases distintas de $10$ para expresar cualquier número de manera (casi) única. Conocer la expresión de un número en cierta base nos permite deducir propiedades algebraicas y de divisibilidad que nos ayuden a resolver problemas.

Expresión en una base arbitraria

Para cualquier base entera $b\geq 2$ que elijamos, cualquier número real se puede expresar de manera (casi) única en base $b$. La afirmación precisa es el siguiente resultado.

Teorema. Sea $r$ un número real y $b\geq 2$ un entero. Entonces, existen únicos enteros $A_0,A_1,\ldots, a_1,a_2,\ldots$ en $\{0,1,\ldots,b-1\}$ tales que $$r=\sum_{i=0}^\infty A_i b^i + \sum_{i=0}^{\infty} a_i 10^{-i}$$ y $a_i\neq b-1$ para una infinidad de $i$’s.

Para estos $a_i$ y $A_i$ escribimos $$r=(\ldots A_2A_1A_0.a_1a_2\ldots)_b,$$ en donde el subíndice indica la base que se está usando.

La condición de $a_i\neq b-1$ para una infinidad de $i’s$ está ahí para garantizar que la expresión sea única pues, por ejemplo, $1=\sum_{i=0}^\infty 9\cdot 10^{-i}=0.9999\ldots$, pero esa condición descarta la expresión de la derecha.

Si $b=2$, a esta expresión le llamamos la expresión binaria de $r$.

Ejemplo. La expresión binaria de $4/3$ es $(1.010101\ldots)_2$. ¿Por qué?

Multiplicar y dividir entre $10$ cuando tenemos números en base $10$ es sencillo: simplemente recorremos el punto decimal. Lo mismo sucede en cualquier base $b$.

Proposición. Cuando tenemos un número en base $b$ y multiplicamos por $b$, el «punto decimal» se recorre a la derecha. Cuando dividimos entre $b$ se recorre a la izquierda.

Problema. Determina si existe un real $x$ tal que $$\floor{x}+\floor{2x}+\floor{4x}+\floor{8x}= 2222.$$

Sugerencia pre-solución. Trabaja hacia atrás suponiendo que la ecuación sí tiene una solución para determinar cómo tiene que verse $x$. Usa la expresión binaria de $x$.

Solución. Tenemos que $r\geq \floor{r}$ para todo real $r$, de modo que si dicho número $x$ existe, se cumple $$17x\geq \floor{x}+\floor{2x}+\floor{4x}+\floor{8x} = 2222.$$ De aquí, $x\geq 2222/17 = 130.705\ldots\geq 130$. También, $r\leq \floor{r}+1$, de modo que si $x$ existe necesitamos $$17x\leq \floor{x}+\floor{2x}+\floor{4x}+\floor{8x} + 4 = 2226.$$

De aquí, $x\leq 2226/17 =130.94\leq 131$.

Esto nos dice que $x$ es un real entre $130$ y $131$. Escribámoslo como $130$ más una parte fraccional en base $2$, es decir, de la forma $x=130+(abcde\ldots)_2$. Multiplicar por $2$ simplemente recorre el punto decimal en base $2$ un lugar hacia la derecha, de modo que
\begin{align*}
2x&=260+(a.bcde\ldots)_2\\
4x&=520+(ab.cde\ldots)_2\\
8x&=1040+(abc.de\ldots)_2,
\end{align*} y por lo tanto
\begin{align*}
\floor{x}&=130\\
\floor{2x}&=260+(a)_2=260+a\\
\floor{4x}&=520+(ab)_2=520+2a+b\\
\floor{8x}&=1040+(abc)_2=1040+4a+2b+c.
\end{align*}

Concluimos entonces que la suma buscada es igual a $1950+7a+3b+c$. Si existe el número que queremos, la ecuación $$1950+7a+3b+c=2222$$ debe tener una solución con $a$, $b$ y $c$ iguales a $0$ o a $1$. Pero esto es imposible, pues incluso aunque los tres sean iguales a $1$, tenemos a lo más $1950+11=1961$. De esta forma, no existe la $x$ que buscamos.

$\square$

Bases y números racionales

Una sucesión infinita $\{a_1,a_2,\ldots,\}$ es preperiódica si existen enteros positivos $n$ y $d$ tales que $a_m=a_{m+d}$ para todo entero $m\geq n$. A $d$ se le llama un periodo de la sucesión, y decimos que $\{a_1,a_2,\ldots\}$ es periódica a partir de $a_n$.

Teorema. Sea $r$ un número real. Las siguientes tres afirmaciones son equivalentes:

  • $r$ es racional.
  • Para toda base $b$ la sucesión de dígitos después del punto $\{a_1,a_2,\ldots\}$ es preperiódica.
  • Para alguna base $b$ la sucesión de dígitos después del punto $\{a_1,a_2,\ldots\}$ es preperiódica.

Problema. Considera el número en binario $$r=(0.a_1a_2a_3\ldots)_2$$ en donde $a_i=0$ si $i$ es primo y $a_i=1$ si no. Determina si $r$ es un número racional o irracional.

Sugerencia pre-solución. Procede por contradicción, suponiendo que $r$ es racional.

Solución. Si $r$ fuera racional, la sucesión $\{a_1,a_2,\ldots\}$ sería preperiódica, de modo que existirían $n$ y $d$ tales que $a_{m+d}=a_m$ para todo $m\geq n$. Consideremos el bloque de $d$ dígitos $(a_na_{n+1}\ldots a_{n+d-1})_2$. Como el periodo de la sucesión es $d$, a partir de $a_n$ este bloque de dígitos se repite.

Los números

\begin{align*}
M&=n(2d+1)!+2,\\
M+1&=n(2d+1)!+3,\\
&\vdots\\
M+(2d-1)&=n(2d+1)!+(2d+1)
\end{align*}

son $2d$ números consecutivos mayores a $n$ y tales que ninguno de ellos es primo, pues el primero es divisible entre $2$, el segundo entre $3$, …, y el último entre $2d+1$. Esto muestra que el bloque de $d$ dígitos debe consistir de puros $1$’s, pues uno de los bloques del ciclo queda contenido en el bloque de $2d$ dígitos $(a_Ma_{M+1}\ldots a_{M+2d-1})_2$. Así, a partir de $a_n$ todos los dígitos son iguales a $1$.

Pero esto es imposible, pues quiere decir que todos los enteros mayores o iguales a $n$ no son primos. Esto contradice que hay una infinidad de números primos.

$\square$

Criterios de divisibilidad

Si sabemos cómo es la expresión de un número en una base, entonces a veces podemos decir cosas acerca de su divisibilidad o residuo al dividirse entre algunos enteros relacionados con la base. Cuando estamos trabajando módulo $10$ tenemos el siguiente resultado.

Proposición (criterios de divisibilidad base 10). Sea $n$ un entero positivo. En base $10$,

  • $n$ es congruente con el número formado por sus últimos $k$ dígitos módulo $10^k$, y por lo tanto también módulo $2^k$ y módulo $5^k$.
  • $n$ es congruente con la suma de sus dígitos módulo $9$, y por lo tanto también módulo $3$.
  • Agrupemos los dígitos de $n$ de derecha a izquierda en grupos de $j$ elementos, donde el último puede tener menos de $j$. Un número es congruente con la suma alternada (más, menos, más, etc) de estos grupos módulo $10^{j}+1$.

Demostrar estos criterios es sencillo. Por ejemplo, un número $(A_nA_{n-1}\ldots A_0)_{10}$ en base $10$ es igual a $$10^{n}A_n+10^{n-1}A_{n-1}+\ldots+10 A_1+ A_0.$$ Trabajando módulo $9$, todos los $10$ son $1$, así que $$n=10^nA_n+\ldots+A_0\equiv A_n + A_{n-1}+\ldots+A_0.$$

Como ejemplo del último criterio, considera el siguiente problema:

Problema. ¿Cuál es el residuo que queda al dividir $n=1512513514515$ entre $13$?

Sugerencia pre-solución. Usa el tercer criterio de divisibilidad base $10$ para $j=3$. Factoriza $1001$.

Solución. Vamos a estudiar al número módulo $1001$. Para esto, agrupamos los dígitos de tres en tres, de derecha a izquierda $$515, 514, 513, 512, 1$$ y hacemos la suma alternada $$515-514+513-512+1=3.$$ Por el tercer criterio de divisibilidad, tenemos que $n\equiv 3 \pmod{1001}$. Notemos que $1001=7\cdot 11 \cdot 13$, de modo que $n\equiv 3 \pmod{13}$. Así, el residuo al dividir $n$ entre $13$ es $3$.

$\square$

En general, tenemos lo siguiente.

Proposición (criterios de divisibilidad base $b$). Sea $n$ un entero positivo. En base $b$:

  • $n$ es congruente con el número formado por sus últimos $k$ dígitos módulo $b^k$, y por lo tanto también módulo $d^k$ para cualquier divisor $d$ de $b$.
  • $n$ es congruente con la suma de sus dígitos módulo $b-1$ (y por lo tanto también módulo cualquier divisor de $b-1$)
  • Agrupemos los dígitos de $n$ de derecha a izquierda en grupos de $j$ elementos, donde el último puede tener menos de $j$. Un número es congruente con la suma alternada (más, menos, más, etc) de estos grupos módulo $b^{j}+1$.

Problema. Considera los números del $1$ al $500$ (inclusive). ¿Cuántos de estos números tienen una cantidad impar de $1$’s en su expresión en base $3$? ¿Cuántos de estos números tienen una cantidad impar de $1$’s en su expresión en binario?

Sugerencia pre-solución. Haz casos pequeños para encontrar un patrón que te diga cuántos números del $1$ al $n$ tienen una cantidad impar de $1$’s en su expresión en base $2$ y $3$. Para demostrar el resultado para base $3$, usa criterios de divisibilidad generalizados. Para base $2$ usa paridad y aprovecha la simetría.

Solución. Un número en base $3$ es congruente con la suma de sus dígitos módulo $2$. En base $3$ el único dígito impar es el $1$. Así, un número en base $3$ es congruente a su cantidad de dígitos $1$ módulo $2$. De esta forma, $n$ tiene una cantidad impar de $1$’s si y sólo si es impar. Por lo tanto, hay $250$ números entre $1$ y $500$ que tienen una cantidad impar de $1$’s en su expresión en base $3$.

En base $1$ el patrón no es tan claro. Los primeros números son $1$, $10$, $11$, $100$, $101$, $110$, $111$. A veces cuando se cambia de cantidad de dígitos se cambia la paridad de $1$’s (como de $11$ a $100$) y a veces no (como de $111$ a $1000$). Haremos entonces un argumento de emparejamiento.

Notemos que cualquier número par $2n$ termina en $0$ en binario y que $2n+1$ tiene la misma expansión salvo el último dígito, que ahora es $1$.Así, a los números del $2$ al $499$ los podemos agrupar en parejas en donde en cada pareja los números tienen distinta paridad de $1$’s. De esta forma, aquí hay $498/2=249$ números con una cantidad impar de $1$’s. El $1$ tiene una cantidad impar de $1$’s. El $500$ en binario es $(111110100)_2$, que tiene una cantidad par de $1$’s. Así, hay $250$ números entre $1$ y $500$ con una cantidad impar de $1$’s en binario.

$\square$

Más ejemplos

Puedes ver más ejemplos del uso de esta teoría en la Sección 3.4 del libro Problem Solving through Problems de Loren Larson.