2024-10-16

Kongruensräkning

Oavsett val av aZ gäller:

[a]+[0]=[a] (eftersom [a]+[b]=[a+b])
[a][1]=[a] (eftersom [a][b]=[ab])

Identiteter

Operatorerna ovan är binära operatorer.

[0] är identitet för +Zn
[1] är identitet för Zn

Inverser

Addition

[a] har invers [a] för addition.

Multiplikation

[a] har ibland* invers [1a] för multiplikation.

*: 1a är typiskt sätt inte i Z, så vi måste lägga på kravet att 1aZ.

Det här kan formuleras om som:
1aZxZxa=1

Om vi kan lösa [a][x]=[1] så finns det en invers.

[a][x]=[1]ax1 mod n

x:ax1 mod n
x:nax1
xk:ax1=nk
xk:axnk=1

Lös den diofantiska ekvationen axnk=1

Enligt Sats 5.22 är ekvationen lösbar om sgd(a,n)=1

Är det entydigt?

Antag ax1ay mod n
Då gäller xx(ay)(xa)yy mod n
x är unikt för modulo n

Har visat sats 5.43:

Sats 5.43

n ett heltal, [b]Zn
![c]Zn sådant att [b][c]=[1] om sgd(b,n)=1

Tip

!x:P(x) betyder att det finns ett unikt x som uppfyller P(x).

Hur hittar vi inverser i Zn?

Titta på den underliggande diofantiska ekvationen där a och n är givna:

axnk=1ax=1+nkax1 mod n

Euklides utökade algoritm: Hitta u,v sådanna att:

aunv=1

Det innebär att:

au=1+nv;au1 mod n

Då gäller [u]=[a]1

Exempel 1

Hitta invers till 4 i Z9

Vill [a][a]1=[1]

  1. Kolla sgd(a,n)=sgd(4,9)=1
    det finns en invers [4]1 i Z9.

  2. Euklides algoritm:
    9=42+1
    4=14+0

    1=9142=9v+4u

    u,v ovan u=2, v=1
    [4]1=[2] i Z9

  3. Kontrollera:
    [4][2]=[8]=[1] (eftersom 81 mod 9)

Andra inverser

Säg att [2]=[4]1 i Z9
Även [7],[16],[25], är inverser till 4 mod 9.

Division på Zn

Att dividera med [a]multiplicera med [a]1, vilket är möjligt om sgd(a,n)=1.

Exempel 2

Lös 4x3 mod 9
[4][x]=[3] m.a.p. Z9

För att lösa den måste vi dela med 4, så vi får bara x i HL. Det är samma sak som att multiplicera med [4]1=[2] (m.a.p. Z9):

x(2)4x(2)363 mod 9

x3 mod 9 är en lösning till 4x3 mod 9

Kongruensekvationer

Tag ekvationen 4x3 mod 9 har lösning x3 mod 9 ([x]=[3])

När kan vi lösa axb mod n?

Som innan är det lösbart om:

x:axb mod nx:naxb
xk:axb=nk
xk:axnk=b
sgd(a,n)b

D.v.s. axb mod n lösbar om sgd(a,n)b

Exempel

Hitta lösningar till 6x15 mod 9 (*)

a=6,n=9,b=15

sgd(6,9)=3,315det finns lösningar

Två sätt att lösa (*):

Som kongruensekvation

6x15 mod 9

Dela med sgd(6,9)=3:

(63)x153 mod 93
2x5 mod 3

Vi vill hitta [2]1 i Z3 och multiplicera för att få x.

Invertera 2 i Z3: 2241 mod 3

[2]1=[2]x22x25101 mod 3

x1 mod 3 en lösning

Som diofantisk ekvation

Uttryck (*) som 6x+9y=15

Dela med sgd(6,9)=3:

2x+3y=5

Hitta en lösning, t.ex. via 2024-10-09#Euklides algoritm

Tag x=y=1

alla lösningar (13n,1+2n),nZ

Vi bryr oss inte om y-termen 1+2n eftersom det endast berättar antalet cyklar.

x1 mod 3

Kinesiska restsatsen

Sats 5.48 (Kinesiska restsatsen)

Låt m,nZ+, sgd(m,n)=1 Låt a,bZ vara givna.

Betrakta ekvationssystemet (*):

{xa mod mxb mod n

(*) har lösningar. Om x0 är en lösning ges samtliga lösningar av på formen x=x0+mny,yZ.

Bevis

{xa mod m (I)xb mod n (II)

(I)x=a+mk,kZ

För att hitta k, sätt in i (II):

a+mkb mod n
mkba mod n

sgd(m,n)=1rZ:mr1 mod n

Den allmänna lösningen ges av:

x=a+mk
=a+m(r(ba)+ny)
=a+mr(ba)+mny