הדבר הראשון שנתעניין בו הוא איך לעבוד עם מספרים שלמים? נרצה להשוות ביניהם ועל מנת לעשות זאת נשווה ביניהם ע"י חלוקה.
חלוקות
עבור 0=a∈Z,b∈Z נאמר כי a מחלק את b ובסימון a∣b אם קיים c∈Z כך ש-b=a⋅c.
2∣66∤2−3∣0
החלוקה 0∣−3 לא מוגדרת כלל, לכן לא ניתן לכתוב את זה ולא את 0∤−3.
אף אחד מהסימנים הללו לא נכון למקרה זה.
בתרגול נראה כל מיני תכונות וביניהן:
יהיו 0=a,b∈Z
אם a∣b וגם b∣a אזי a=±b.
יהיו 0=a∈Z,b,c∈Z.
אם a∣b וגם a∣c אזי לכל α,β∈Z מתקיים a∣αb+βc.
את שאר התכונות והוכחות לאלו נראה בתרגול.
כעת נשאל את עצמנו מה עושים כשלא ניתן לחלק "בלי שארית"?
משפט (חלוקה עם שארית (
Z אוקלידי))
יהיו a,b∈Z כאשר b=0. אז קיימים ויחידים שלמים המנה - q והשארית - r כך שמתקיים a=b⋅q+r ובנוסף r=0 או 0<r<∣b∣.
הרבה פעמים כאשר נרצה להראות שיש חלוקה בלי שארית נניח כי יש שארית ונראה כי r=0 במשפט הזה.
- עבור a=29,b=7 נקבל כי: 29=7⋅4+1. כלומר, q=4,r=1.
- עבור a=−29,b=7 נקבל כי: −29=7⋅(−5)+6. כלומר, q=−5,r=6.
- עבור a=29,b=7 נקבל כי: 29=(−7)⋅(−4)+1. כלומר, q=−4,r=1.
- עבור a=−29,b=−7 נקבל כי −29=(−7)⋅5+6. כלומר, q=5,r=6.
- עבור a=7,b=29 נקבל כי 7=29⋅0+7. כלומר, q=0,r=7. (נשים לב כי r=7<29 כנדרש)
המחלק המשותף
חילוק עם שארית יעזור לנו לחשב ממג"ב (מחלק משותף גדול ביותר) ותכף נראה זאת.
הגדרה 2 (מחלק משותף גדול ביותר (ממג"ב))
יהיו a,b∈Z.
נאמר כי d∈Z הוא מחלק משותף גדול ביותר של a,b (ממג"ב של a,b) אם:
- מתקיים d>0.
- מחלק משותף: d∣a וגם d∣b.
- גדול ביותר במובן חלוקה: אם c∈Z מקיים ש-c∣a וגם c∣b אזי c∣d.
סימון: אם קיים d כנ"ל נסמן d=gcd(a,b) או אפילו d=(a,b).
- על מנת למצוא את (12,18) נפרק אותם לגורמים: 12=3⋅22 ו-18=2⋅32. אנחנו רואים שלשניהם יש 2 פעם אחת ו-3 פעם אחת ולכן:
(12,18)=2⋅3=6
- עבור (0,12) נגלה כי (0,12)=12. אין משהו גדול מ-12 שמחלק את 12 ולכן זה מתקיים.
- הממג"ב של (0,0) לא מוגדר כלל שכן הוא ∞-י.
פה אנחנו רואים בעיה ונרצה לדעת האם קיים עוד זוג מספרים כמו (0,0) שעבורם לא קיים ממג"ב.
יהיו a,b∈Z כאשר a=0 או b=0, אזי קיים ממג"ב יחיד d=(a,b) ובנוסף קיימים x,y∈Z כך ש-d=xa+yb.
עבור (12,18) נראה כי x=−1,y=1 ואז 6=−12+18=18−12=8−2=6.
הוכחה:
נתחיל מהוכחת קיום:
הערה (משפט מתורת הקבוצות: עקרון הסדר הטוב)
אם C=∅ של שלמים חיוביים אז יש בה איבר מינימלי.
נגדיר קבוצה C={xa+yb∣x,y∈Z∧xa+yb>0}.
נשים לב כי C=∅ מכיוון ש
- אם a=0 אז עבור x=a,y=0 נקבל כי a2+0⋅b>0 ולכן a2∈C.
- ואם b=0 אז עבור x=0,y=b נקבל כי 0⋅a+b2>0 ולכן b2∈C.
לכן, לפי עקרון הסדר הטוב קיימים x,y∈Z כך ש-d=xa+yb מינימלי ב-C.
לפי הגדרת C מתקיים כי d>0.
נראה כי d∣a ואז באופן דומה d∣b:
לפי משפט קיימים בהכרח q,r∈Z כך ש-a=d⋅q+r ו-0<r<d. נניח בשלילה כי r=0 ואז:
0<r=a−qd=a−qxa−qyb=a(1−qx)+b(−qy)<d
זוהי סתירה למינימליות d ב-C שכן r∈C לפי הנ"ל.
לכן, בהכרח r=0 ולכן d∣a.
לבסוף, אם c∣a וגם c∣b אזי c∣xa+yb=d מאחד המשפטים ממקודם.
לכן, תמיד קיים ממג"ב עבור a,b∈Z כאשר לא שניהם 0 שכן d=(a,b).
כעת נעבור להוכחת היחידות:
נניח בשלילה כי קיימים d,d~∈Z אשר שניהם ממג"בים של a,b.
מכיוון ש-d,d~ ממג"בים, לפי הגדרה: d∣d~ וגם d~∣d. לפי משפט, d=±d~ אך מכיוון שלפי הגדרה d,d~>0 אזי d=d~.
לכן, קיים ממג"ב יחיד.
∎
הממג"ב עצמו יחיד אך ה-x,y בצירוף d=xa+yb אינם יחידים.
דוגמה: 1=2⋅3+(−1)⋅5=(−3)⋅3+2⋅5.
ראינו במשפט שאם d=(a,b) אז קיימים x,y∈Z כך ש-d=xa+yb.
האם הכיוון ההפוך נכון? ממש ממש לא.
למשל: x=2,y=1 אז 2=8=2⋅2+1⋅4 ואנו יודעים כי 2=(2,4).
מתי הכיוון ההפוך כן נכון? כאשר מובטח לנו שהצירוף x0a+y0b=d הוא המינימלי מבין כל הצירופים x,y∈Z.
xa+yb=1 כך ש-x,y∈Zקיימים ⟺(a,b)=1
בואו נמצא ממ"גב
Algorithm 6 Euclidean Algorithm (אלגוריתם אוקלידס)
1:function GCD(a,b)
2:if b=0 then
5:else
6:
7:return GCD(b,amodb)
8:end if
9:end function
נמצא את הממג"ב של (112,42) באופן רקורסיבי:
(1)(2)(3)112=42⋅2+2842=28⋅1+1428=14⋅2+0
השארית האחרונה שלא התאפסה היא הממג"ב ולכן 14=(112,42).
ע"י חזרה על האיטרציות מהסוף להתחלה נוכל למצוא x,y:
14↓(2)=42−28⋅1↓(1)=42−(112−42⋅2)⋅1=3⋅42+(−1)⋅112
הוכחת נכונות האלגוריתם מתבססת על כך שאם a=bq+r כאשר 0≤r<∣b∣,b=0 אז (a,b)=(b,r). לכן, נדרש להוכיח את הטענה הזו:
הוכחה:
נראה ש-c=(b,r) הוא הממג"ב של a,b:
- מתקיים כי c>0 שכן c ממג"ב.
- מחלק משותף: c מחלק את b מהגדרתו. בנוסף, c∣r מהגדרתו ולכן לפי משפט c∣a שכן a=bq+r.
- נניח ש-e∣a וגם e∣b אז לפי אותו המשפט, מכיוון ש-r=a−bq, מתקיים כי e∣r.
לכן, (b,r)=(a,b).
∎
חשבון מודולו n
יהיו a,b∈Z.
נאמר ש-a שקול ל-b מוד n (או a קונגורטי ל-b או a שווה ל-b מוד n) ונסמן a=b(modn) או a≡nb אם ל-a ול-b אותה שארית בחלוקה ב-n.
כלומר, a ו-b נבדלים בכפולה שלמה של n או במילים אחרות, n∣a−b.
5∣12−7⟹12≡57⟸12=7+5⋅1
יהיה לנו סימון אם אנחנו מדברים על שאריות בחלוקה ב-n ובעצם פה אנחנו עוברים לעולם חדש. עד כה היינו ב-Z וכעת נעבור לעולם בשם Zn.
nשאריות מוד −Zn={0,1,2,…,n−1}
נצייד את Zn בפעולות חיבור וכפל מוד n כדי שנוכל להשתמש בו:
4+2=6≡514⋅2=8≡53
7+12=19≡54≡52+2≡57+12
a+b≡n(a(modn))+(b(modn))
a⋅b≡n(a(modn))⋅(b(modn))
משמעות זה בדיוק הדוגמה שעשינו כרגע בדיוק לפני המשפט. לא משנה אם קודם מחברים או מכפילים ואז לוקחים שארית או קודם לוקחים שארית ואז מחברים או מכפילים.
עבור Z2={0,1} נקבל כי:
\begin{array}{}
2\mod+ & \begin{array}{}
0 & 1
\end{array} \\
\begin{array}{}
\quad \quad \quad 0 \\
\quad \quad \quad 1
\end{array} & \begin{array}{|c|c|}
\hline 0 & 1 \\
\hline 1 & 0 \\
\hline
\end{array}
\end{array}
נשים לב כי זהו שער XOR וכפל מודולו 2 הוא השער AND.
aℓ≡n(a(modn))ℓ
אסור לבצע מודולו על החזקה. במבחן אם נעשה את זה באמריקאיות נגיע למסיח.
30311(mod10)↓מסקנה=(303(mod10))11=311=34⋅2+3=(34)2⋅33≡1012⋅7≡107
יהי 0=a∈Zn.
למערכת ax≡n1 קיים פתרון 1=(a,n)⟺. (כלומר, a,n זרים)
במידה וקיים, הפתרון הוא יחיד מוד n. (מוזמנים להוכיח כתרגיל)
הוכחה:
כיוון :⟸ נתון שקיים x∈Zn כך ש-ax≡n1. כלומר, קיים y∈Z כך ש-ax−1=ny.
לכן: ax+(−y)n=1. לפי משפט, (a,n)=1.
כיוון :⟹ נתון (a,n)=1. לפי אותו המשפט, קיימים x,y∈Z כך ש-ax+yn=1.
ax(modn)+0=(ax(modn))+(yn(modn))=(ax+yn)(modn)=1(modn)=1
ולכן, ax≡n1.
∎
האם קיים 0≤x≤360 כך ש-7x≡3604?
נרצה לקשר את זה למה שכרגע עשינו. נשים לב כי יש לנו 4 ולא 1 בצד המתאים של המשוואה. עדיין נפתור ל-1 ואז פשוט נכפיל ב-4.
ראשית נחפש פתרון למשוואה 7x~≡3601:
נבצע אוקלידס מוכלל: 360=7⋅51+3 (כאשר q=51,r=3) ואז 7=3⋅2+1 ולכן (360,7)=1. לכן, לפי משפט, קיים פתרון למשוואה.
1=7−3⋅2=7−(360−7⋅51)⋅2=103⋅7+(−2)⋅360
נבצע (mod360) על המשוואה:
1≡360103⋅7⟹x~=103⟹4≡360103⋅7⋅4≡36052⋅7
ואז, x=52.