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Divisibilidad Mario Pineda Ruelas Departamento de Matemáticas, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa correo electrónico: mpr@xanum.uam.mx Gabriel D. Villa Salvador Departamento de Control Automático, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, IPN correo electrónico gvilla@ctrl.cinvestav.mx 1 Inducción matemática En este trabajo N, Z, Q, R y C denotan a los números naturales, enteros, racionales, reales y complejos respectivamente. Por principio, no consideramos al número 0 como número natural y escribiremos N0 = N ∪ {0}. Esto es todo lo que necesitamos para empezar nuestro estudio de la aritmética de Z. La esencia de las matemáticas se encuentra en la construcción de pruebas de afirmaciones generales por medio de argumentos lógicos. Por supuesto que el realizar éstas construcciones puede requerir de gran talento. Afortunadamente, existen métodos elementales y poderosos que sirven para llevar a cabo éstas construcciones, es decir, sirven para hacer demostraciones matemáticas. Nuestro primer objetivo es explorar dos de los métodos más importantes en la matemática que son usados para hacer demostraciones. Estos son: el Principio de Inducción Matemática (PI) y su equivalente, el Principio del Buen Orden (PBO). Concretamente, estos dos métodos establecen lo siguiente: Principio de Inducción Matemática: Sea S un subconjunto de N tal que: (1) 1 ∈ S, y (2) Si los enteros 1, ..., n ∈ S, se tiene que n + 1 ∈ S. Entonces S = N. Principio del Buen Orden: Cualquier subconjunto S 6= ∅ de N contiene un elemento m que satisface m ≤ x para todo elemento x ∈ S. Una observación simple en el Principio del Buen Orden es que el entero m es único. En el siguiente resultado vamos a suponer que N está dotado del orden natural ≤ y usaremos que el 1 no es el sucesor de ningún otro número natural. Ésta última propiedad en realidad es uno de los axiomas de Peano. 1 Teorema 1.1. El Principio del Buen Orden es equivalente al Principio de Inducción Matemática. Demostración: Sea S un conjunto que satisface (1) y (2) del Principio de Inducción y S c su complemento con respecto a N. Vamos a suponer que el PBO se cumple. Si S c 6= ∅, entonces existe m ∈ S c tal que m ≤ n, para todo n ∈ S c y m 6= 1. Observemos en particular que m − 1 6∈ S c pues m es el menor elemento de S c . Por lo tanto m − 1 + 1 = m ∈ S. Esto último no es posible pues m ∈ S c . Ası́, S c = ∅ y S = N. Ahora supongamos el PI válido y sea S un subconjunto no vacı́o de N. Vamos a suponer que el conjunto S no contiene un elemento m tal que m ≤ x para todo x ∈ S. Es claro que 1 6∈ S pues de lo contrario S tendrı́a un elemento menor. Sea C = {n ∈ N : n < x, para cualquier x ∈ S}. Es claro que 1 ∈ C pues 1 < x para todo x ∈ S. Mostraremos que si k ∈ C, entonces k + 1 ∈ C y luego usaremos el PI para concluir que C = N. Si k ∈ C y k + 1 6∈ C, entonces para algún x1 ∈ S se tiene x1 ≤ k + 1. Puesto que S no tiene un elemento mı́nimo, existe x2 ∈ S tal que x2 < x1 ≤ k + 1. Ası́ que x2 < k + 1 y en consecuencia x2 ≤ k. Esto último no es posible pues k < x2 . Este absurdo nace de suponer que k + 1 6∈ C. Por lo tanto k + 1 ∈ C y por el PI tenemos que C = N. Particularmente, si x ∈ S, se tiene que x ∈ C. Esto significa que x < x, lo cual no es posible. Por lo tanto, S debe contener un elemento m tal que m ≤ x para todo x ∈ S.  Nota importante: En el conjunto N0 = N ∪ {0} también se cumple el PBO. Es muy fácil entender esto. Recordemos que la relación ≤ define en N un orden parcial (es reflexivo, antisimétrico y transitivo) que además satisface la ley de tricotomı́a (orden parcial + tricotomı́a=orden total). Este orden total resulta ser un buen orden porque satisface el PBO. Para N0 aprovechamos el orden total de N simplemente extendiéndolo, i.e, definimos 0 < j para j ∈ N. Ası́ tenemos un orden total en N0 que satisface la ley de tricotomı́a. Es claro que cualquier subconjunto S 6= ∅ de N0 contiene un elemento menor. Nos preguntamos ahora cómo queda el correspondiente principio de inducción. Muy sencillo: Si S es un subconjunto no vacı́o de N0 que satisface las propiedades: (1) 0 ∈ S. (2) Si los enteros 0, 1, ..., n ∈ S implica que n + 1 ∈ S, entonces S = N0 . En general tenemos: Proposición 1.2. Sea X un conjunto finito de objetos y NX = N ∪ X. Si NX tiene un orden total que restringido a N coincide con el orden ≤, entonces cualquier S ⊆ NX no vacı́o contiene un elemento menor. 2 Demostración: Si X = {x1 , x2 , ..., xr }, definimos xi < xj si i < j y xi < n para n ∈ N. Este es un orden total en SX que satisface el PBO.  ¿Cómo queda el correspondiente principio de inducción? Una aplicación del principio de inducción y bastante útil en casi toda la matemática es el binomio de Newton. Observemos los siguientes expresiones: (x + y)2 = x2 + 2xy + y 2 , (x + y)3 = x3 + 3x2 y + 3xy 2 + y 3 , (x + y)4 = x4 + 4x3 y + 6x2 y 2 + 4xy 3 + y 4 . En cada caso, los exponentes de x y y respetan una regla: mientras el exponente de x va disminuyendo, el exponente de y aumenta, empezando uno en 2, 3 ó 4 y terminando el otro 2, 3 ó 4 respectivamente. Seguramente este comportamiento es fácil de recordar. Sin embargo, a simple vista, no podemos identificar si los coeficientes que aparecen en cada expresión, respetan alguna regla. Definición 1.3. Para n ∈ N, el factorial de n es n! = n(n − 1)(n − 2) · · · 2 y si n = 0, entonces definimos 0! = 1. De algún principio fundamental del conteo sabemos que si tenemos un conjunto X con n elementos y r ≤ n, entonces el número de subconjuntos de X con r elementos se calcula por medio de la fórmula   n! n . = r!(n − r)! r   n El sı́mbolo se conoce como coeficiente binomial y satisface al menos las r siguientes fórmulas: Lema 1.4. Sea n ∈ N y j un entero ≥ 0. Entonces     n n 1. = = 1. 0 n       n+1 n n . = + 2. j j j−1 Demostración: Sólo demostraremos la parte 2.     n! n! n n + = + j−1 j (n − (j − 1))!(j − 1)! (n − j)!j! 3 = n! (n + 1)! (j+n−(j−1)) = = (n − (j − 1))!j! (n + 1 − j)!j!   n+1 . j Podemos notar ahora que       2 2 2 2 2 y , xy + x + 2 1 0         3 3 3 3 2 3 3 xy 2 + y , x y+ x + (x + y)3 = 2 3 1 0           4 4 4 3 4 2 2 4 4 4 (x + y)4 = x + x y+ x y + xy 3 + y . 0 1 2 3 4 (x + y)2 = Nuestra primera aplicación del principio de inducción es el célebre Teorema del Binomio de Newton. Teorema 1.5. Sean x, y ∈ R y n ∈ N. Entonces         n n n n n−1 n n n−1 n y . xy + x y + ··· + x + (x + y) = n n−1 1 0 Demostración: Si n = 1, el resultado es evidente. Supongamos que         n n n n n−1 n n n−1 n y . xy + x y + ··· + x + (x + y) = n n−1 1 0 Entonces (x + y)n+1 = (x + y)(x + y)n =    i    hn  n n n n n−1 y = xy n−1 + x y + ··· + xn + (x + y) n n−1 1 0           n n+1 n n n n−1 2 n n x + x y+ x y +···+ x2 y n−1 + xy n ) + · · · + 0 1 2 n−1 n         n n+1 n n n−1 2 n n n y = xy + x y + ··· + x y+ n n−1 1 0           h n n i n n i n−1 2 n n+1 h n + + x + x y+ x y + ···+ 1 0 2 1 0   h  n   n i n + xy n + = n−1 n n         n + 1 n+1 n+1 n+1 n n + 1 n+1 x y + ··· + x + y . xy n + 0 n+1 n 1 Notemos que al final estamos utilizando la segunda parte del Lema 1.4.  4 2 Divisibilidad En esta sección, nuestro primer tema de estudio es el célebre algoritmo de la división, el cual es propiamente un proceso de aproximación por medio de múltiplos de un entero. En la sección 5.4 del Capı́tulo 5 veremos la importancia de extender éste algoritmo a otros enteros, dando como resultado la posibilidad de extraer propiedades similares a las de los enteros ordinarios. El primer testimonio escrito del algoritmo de la división se encuentra en el libro FULANO de ”Los Elementos” de Euclides 1 . Teorema 2.1. [Algoritmo de la división] Sean a, b, ∈ Z con a 6= 0. Existen enteros q y r únicos tal que b = aq + r donde 0 ≤ r < |a|. Demostración: Primero mostraremos que la expresión de b en la forma requerida, existe. Consideremos el conjunto S = {b − am : m ∈ Z}. Es claro que S ∩ N 6= ∅. Si S0 = S ∩ N0 , entonces por el PBO, S0 contiene un elemento r que satisface r ≤ n para todo n ∈ S0 . Lo anterior nos asegura que 0 ≤ r = b − aq para algún q ∈ Z. Veamos que r < |a|. Puesto que a 6= 0, tenemos a ≥ 1 ó a ≤ −1. Si a ≥ 1 entonces b − a(q + 1) = b − aq − a < b − aq = r, ası́ que r − a = b − a(q + 1) < 0, y por lo tanto r < a. El caso a ≤ −1 se sigue al considerar que b − a(q − 1) < 0. Cualquiera que sea el caso, r < |a|. Finalmente probaremos la unicidad de q y r. Supongamos que b = aq1 + r1 = aq2 + r2 , con 0 ≤ r1 < |a| y 0 ≤ r2 < |a|. Notemos que la igualdad a(q1 − q2 ) = r2 − r1 implica que r2 − r1 es un múltiplo de a y puesto que −|a| < r2 − r1 < |a|, entonces necesariamente r2 − r1 = 0 y por lo tanto q2 = q1 .  Usaremos el algoritmo de la división para obtener un importante resultado sobre la representación de números naturales. 1 Fundador de la escuela de matemáticas de la Universidad de Alejandrı́a. Recibió probablemente su formación matemática en la Academia Platónica de Atenas; desgraciadamente poco se sabe de su vida. Algunos historiadores lo ubican 300 a.c. Su obra más sobresaliente es Los Elementos el cual es resultado de una recopilación sistemática de trabajos anteriores sobre geometrı́a, teorı́a de números y álgebra elemental. Se sabe que Euclides fue un hombre de notable amabilidad y modestia, con un gran talento en el ejercicio del magisterio. 5 Corolario 2.2. Sea a ∈ N con a > 1. Entonces cualquier entero x > 0 tiene una expresión única de la forma x = b0 +b1 a+· · ·+bn an con n ≥ 0, 0 < bn < a y 0 ≤ bi < a para 0 ≤ i ≤ n − 1. Demostración: La existencia de tal expresión la justificaremos aplicando inducción sobre x. Si x = 1 el resultado es evidente. Supongamos que cualquier entero positivo m < x puede ser representado de manera única en la forma r0 + r1 a + ... + rk−1 ak−1 + rk ak , donde 0 ≤ ri < a, 0≤i≤k y rk > 0. Por el algoritmo de la división x = qa + r, 0 ≤ r < a. Si q = 0, entonces x = r es la representación que buscamos. Si q = x entonces r = 0, a = 1 es imposible pues por hipótesis a > 1. El caso q > x no es posible por el Teorema 2.1. Por lo anterior podemos suponer que 0 < q < x. Por hipótesis de inducción tenemos que q = r0 + r1 a + ... + rk−1 ak−1 + rk ak , con 0 ≤ ri < a y rk > 0. Entonces x = aq + r = rk ak+1 + rk−1 ak + . . . + r1 a2 + r0 a + r, y con un cambio de ı́ndices apropiado obtenemos x = b0 + b1 a + . . . + bn an . Por último mostraremos la unicidad de esta representación. Si tenemos las representaciones x = b0 + b1 a + . . . + bn an = c0 + c1 a + . . . + cj aj tenemos que 0 = h0 + h1 a + . . . + hs as , con |hi | < a para 0 ≤ i ≤ s, hi = ci − bi , hs 6= 0, s ≥ 0. Puesto que |hi | < a, entonces hi ≤ a − 1 y ası́ as ≤ |hs as | = |h0 + h1 a + . . . + hs−1 as−1 | ≤ |h0 | + |h1 |a + . . . + |hs−1 |as−1 ≤ (a − 1) + (a − 1)a + ... + (a − 1)as−1 = (a − 1)(1 + a + ... + as−1 ) = as − 1, lo cual es absurdo.  6 Definición 2.3. Si x ∈ R, denotamos por [x] al mayor entero menor o igual a x. Algunas propiedades elementales de la función [x]. Lema 2.4. La función [x] satisface: 1. Para x ∈ R se tiene [x] − 1 ≤ x − 1 < [x] ≤ x. 2. [x + n] = n + [x] para cualquier n ∈ Z. 3. Si x, y ∈ R, entonces [x] + [y] ≤ [x + y] ≤ [x] + [y] + 1. Demostración: Para la afirmación 1 tenemos [x] ≤ x < [x] + 1. Por lo tanto [x] − 1 ≤ x − 1 < [x] ≤ x. Para la afirmación 2 tenemos n + [x] − 1 < n + [x] ≤ n + x. La afirmación 3 se queda como ejercicio para el lector.  El siguiente resultado es de gran utilidad pues nos dice cómo encontrar q en el algoritmo de la división. Teorema 2.5. de la división. Si a ≥ 1,   Sean a, b ∈ Z como en elalgoritmo b b b . Si a ≤ −1 y r = 0, q = . Si a ≤ −1 y r > 0, q = +1. entonces q = a a a Demostración: Si a ≥ 1 se tiene que aq ≤ aq + r = b < aq + a = a(q + 1). De esta forma obtenemos q≤ b < q + 1, a     b b b . Si a ≤ −1 y r = 0, entonces = q y q = . a a a r Por último, supongamos que a ≤ −1 y r > 0. En este caso −1 < < 0. De a lo anterior obtenemos r b q − 1 < q + = < q, a a   b + 1 = q. y por lo tanto a  y por lo tanto q = 7 Definición 2.6. Sean a, b ∈ Z con a 6= 0, b = aq + r, 0 ≤ r < |a| como en el algoritmo de la división. Si r = 0, entonces diremos que a divide a b. También es usual decir que b es múltiplo de a o que a es un divisor de b. La definición de divisibilidad depende del sistema algebraico que se use. Por ejemplo, en el campo Q tenemos que 7 divide a 6. Es obvio que 7 no divide a 6 en Z. Por lo tanto, la noción de divisibilidad depende no sólo de los elementos a, b que se elijan, sino que también depende de la estructura algebraica en la cual se esté trabajando. Escribiremos a | b si a divide a b y a ∤ b en caso contrario. El siguiente resultado sintetiza las propiedades más importantes de la divisibilidad. Teorema 2.7. Sean a, b, c ∈ Z. Se tiene que: 1. Si a 6= 0, entonces a | 0, 1 | a, a | a. 2. Si a | b y b | c, entonces a | c. 3. Si a | x1 , a | x2 , . . . , a | xn , entonces a | n X i=1 αi xi para todo αi ∈ Z. 4. Si b 6= 0 y a | b, entonces |a| ≤ |b|. 5. Si a | b y b | a, entonces |a| = |b|. 6. Si a | b y c | d, entonces ac | bd. Demostración: Dejamos al lector la demostración de este teorema y sólo justificaremos la propiedad 4. Si b 6= 0 y a | b entonces b = aq. Por tanto |b| = |a||q|. Pero b 6= 0 implica que |q| ≥ 1, lo cual quiere decir que |a| ≤ |a||q| = |b|, es decir, −|b| ≤ a ≤ |b|.  La importancia de la parte 4 del teorema anterior es que cualquier entero 6= 0 sólo admite un número finito de divisores. Este hecho es muy importante porque, entre otras cosas, nos justifica la existencia del máximo común divisor de dos enteros. 3 Máximo común divisor Sea D(a) = {c ∈ N : c | a} el conjunto de divisores positivos de a. Es claro que este conjunto no es vacı́o y para b ∈ Z se tiene que D(a) ∩ D(b) es el conjunto de divisores positivos en común de los enteros a y b. Se puede mostrar fácilmente que si a 6= 0 o b 6= 0, entonces D(a) ∩ D(b) es un conjunto finito. 8 Definición 3.1. sean a, b ∈ Z con a ó b 6= 0. Definimos el máximo común divisor(mcd) de a y b como el divisor en común positivo más grande de a y b. Observemos que el mcd de a y b existe porque D(a) ∩ D(b) es un conjunto finito. Denotamos mcd(a, b) al mcd de a y b. ¿Qué tal si a = b = 0? Definición 3.2. Si mcd(a, b) = 1 diremos que a y b son primos relativos. Como ejemplo a la definición de mcd tenemos que 18 y −42 tienen como divisores en común a ±1, ±2, ±3, ±6. Por tanto mcd(18, −42) = 6. Notemos que los divisores en común de 18 y −42 dividen a 6 = mcd(18, −42). Demostraremos que esto no es una simple casualidad, es decir, este hecho es la propiedad que caracteriza al mcd. Teorema 3.3. Sean a, b ∈ Z con a 6= 0 6= b. 1. Existen x0 , y0 ∈ Z tal que mcd(a, b) = ax0 + by0 . 2. Sea g = mcd(a, b) y c ∈ Z. Entonces c | a y c | b si y sólo si c | g. Demostración: 1. Sea g = mcd(a, b). Consideremos el conjunto S = {ax + by : x, y ∈ Z \ {0}}. Tomando x = ±1, y = 0 vemos que S ∩ N 6= ∅. Si S0 = S ∩ N, entonces por el PBO, existen x0 , y0 ∈ Z tales que d = ax0 + by0 es el menor entero positivo en S0 . Si d ∤ a, entonces por el algoritmo de la división a = dq + r y 0 < r < d. Ası́ que r = a − dq = a − q(ax0 + by0 ) = a − qax0 − qby0 = a(1 − qx0 ) + b(−qy0 ). Por tanto r ∈ S0 , lo cual es absurdo y d | a. Similarmente d | b. Por lo tanto d ≤ g. Por último, a = ga0 , b = gb0 implica que g | axo y g | by0 . Ası́ que g | d y obtenemos la igualdad entre g y d. La parte 2 es inmediata.  En la prueba anterior de paso obtuvimos que mcd(a, b) es la mı́nima combinación lineal positiva de los enteros a y b. Notemos que los enteros x0 , y0 no necesariamente son únicos, por ejemplo: 8 = mcd(−24, 8) = −24(0) + 8(1) = −24(1) + 8(4). 9 Corolario 3.4. Si mcd(a, b) = g, entonces mcd a b  = 1. , g g a Demostración: Escribimos g = ax0 + by0 . Observemos que los números y g a b  b a b son enteros. Por lo tanto 1 = x0 + y0 y mcd , = 1. g g g g g  Corolario 3.5. mcd(a, b) = 1 si y sólo si la ecuación ax + by = 1 es soluble en Z.  Corolario 3.6. Sean a1 , a2 , . . . , as , m ∈ Z \ {0}. Entonces mcd( si y sólo si mcd(ai , m) = 1 para 1 ≤ i ≤ s. s Y ai , m) = 1 i=1  Corolario 3.7. Si mcd(a, b) = 1, entonces mcd(ak , bl ) = 1 para todo k, l ∈ N.  Corolario 3.8. [Euclides] Si mcd(a, b) = 1 y a | bc, entonces a | c. Corolario 3.9. Si a | c, b | c y mcd(a, b) = 1, entonces ab | c.   Corolario 3.10. Si c 6= 0, entonces mcd(ca, cb) = |c| mcd(a, b). Demostración: Sea d = mcd(ca, cb), d′ = |c| mcd(a, b) y mcd(a, b) = ax0 +by0 . Puesto que ca = dt0 y cb = dt1 se tiene |c|a = ±dt0 y |c|b = ±dt1 , ası́ que d | |c|ax0 y d | |c|by0 . Por tanto d | |c|(ax0 + by0 ), de donde d | d′ . Falta ver que d′ | d. Puesto que |c| | c y mcd(a, b) | a, se tiene que |c| mcd(a, b) | ca. Análogamente |c| mcd(a, b) | cb. Por el Teorema 3.3 se sigue que |c| mcd(a, b) | mcd(ca, cb). Ası́ que d′ | d y d = d′ .  A continuación enunciamos algunas propiedades elementales del mcd. Proposición 3.11. Si a, b ∈ Z y al menos a ó b 6= 0, entonces 1. mcd(a, b) = mcd(b, a). 2. mcd(a, b) = mcd(−a, b) = mcd(|a|, |b|). 10 3. mcd(a, b) = |a| si y sólo si a | b. 4. mcd(a, 0) = |a| si a 6= 0. Demostración: Es un fácil ejercicio para el lector.  Teorema 3.12. Sean a, b enteros ambos no cero. Si d ∈ Z es un divisor común de a y b tal que, siempre que c | a y c | b se tiene que c | d, entonces d = ± mcd(a, b). Demostración: Si g = mcd(a, b) se tiene que g | d. Sea g = ax0 +by0 . Entonces d | ax0 + by0 . Ası́, por el Teorema 2.7 parte 5, |g| = |d|.  Aclaramos que las condiciones sobre d en el Teorema 3.12 junto con la condición d > 0 pueden ser tomadas como la definición de mcd. Sin embargo, esta definición también depende del orden en Z y de que cualquier entero diferente de 0 sólo tiene un número finito de divisores. Comentario para aquellos lectores que entienden el lenguaje de los anillos: En un dominio entero arbitrario D, el Teorema 3.12 es la definición de mcd y ésta aparece en casi todos los textos clásicos de álgebra moderna. El siguiente caso es un ejemplo de dominio entero en el cual dos elementos no tienen mcd. Vamos a suponer que la ecuación x2 − 10y 2 = ±3 no tiene soluciones enteras x, y (ver ejercicio 2 en la penúltima lista de problemas del √ Capı́tulo 2). Sea O10 = {m + n 10 : m, n ∈ Z}. Entonces O10 es un dominio entero con la suma y producto usual de números reales. Se tiene que: √ √ 1. Si a + b 10 | c + d 10 en O10 , entonces a2 − 10b2 | c2 − 10d2 en Z. √ √ 2. 2 y 4 + 10 son divisores en común 10 . En efecto √ de 6 y 8 + 2√ 10 en O√ √ pues 6 = 2 · 3, 8 + 2 10 = 2(4 + 10), 6 = (4 + 10)(4 − 10). √ 3. Si 2 | a + b 10 en O10 , entonces 2 | a y 2 | b en Z. √ √ 4. Si 4 + 10 | 2c + 2d 10 en O10 , entonces 3 | c2 − 10d2 en Z. En efecto, aplicando el inciso 1 tenemos que 6 | 4(c2 − 10d2 ) en Z, por tanto 3 | c2 − 10d2 en Z. √ 5. Si 2c + 2d 10 | 6 en O10 , entonces c2 − 10d2 | 9 en Z. √ √ 6. Si 2c + 2d 10 | 8 + 2 10 en O10 , entonces c2 − 10d2 | 6 en Z. Usando lo anterior mostraremos que no existe un elemento en√O10 el cual √ es divisor común de 6 √ y 8 + 2 10 y √ que sea divisible por 2 y 4√+ 10 en√O10 . √ Supongamos que a + b 10 | 6, a + b 10 | 8 + 2 10 y 2 | a + b 10, 4 + 10 | 11 √ √ a+√ b 10. Puesto√que 2 | a + b √10 en O10 , entonces 2 | a y 2 | b. Por tanto √ a+b 10 = 2c+2d 10. Como 4+ 10 | 2c+2d 10 en O10 , entonces 3 | c2 −10d2 en Z. Esto implica que c2 − 10d2 6= ±1.√ Por otro lado tenemos que 2c + 2d 10 | 6 en O10 . Entonces c2 − 10d2 | 9 en Z. También tenemos que c2 − 10d2 | 6 en Z, entonces c2 − 10d2 | 9 − 6; es decir, c2 − 10d2 | ±3. Puesto que 3 | c2 − 10d2 en Z, entonces necesariamente c2 − 10d2 = ±3 y esta ecuación √ no es soluble en Z. En conclusión, 6 y 8 + 2 10 no tienen mcd en O10 . En Z ésto no puede suceder y la razón es porque Z es un dominio de factorización única: cualquier entero que no sea 0, 1, −1 se puede expresar en forma única (salvo el orden y signo) como un producto finito de números primos. Lema 3.13. Sean a, b ∈ Z y escribimos a = bq + r con 0 ≤ r < |q|. Entonces mcd(a, b) = mcd(b, r). Demostración: Sea g = mcd(a, b) y g1 = mcd(b, r). Mostraremos que g | g1 y g1 | g. Puesto que g | a y g | b, se tiene g | a − bq. Por tanto g | b y g | r y ası́ g | g1 . Análogamente g1 | g.  ¿Fue necesaria la condición 0 ≤ r < |q|? Teorema 3.14. [Algoritmo de Euclides] Sean a, b enteros diferentes de 0. Entonces, después de aplicar el algoritmo de la división varias veces obtenemos a = bq1 + r1 0 < r1 < |b|, b = r1 q 2 + r2 0 < r2 < r1 , r1 = r 2 q 3 + r 3 0 < r3 < r2 , .. .. . . rk−2 = rk−1 qk + rk 0 < rk < rk−1 , rk−1 = rk qk+1 , y rk = mcd(a, b). Demostración: Tenemos una sucesión decreciente de enteros positivos 0 < rk < rk−1 < . . . < r2 < r1 < |b|, y por razones obvias en algún momento obtenemos un residuo rk+1 = 0, es decir, este procedimiento termina en un número finito de pasos. De paso observemos que del último renglón tenemos mcd(rk−1 , rk ) = rk pues rk | rk−1 . Aplicando el Lema 3.13 concluimos: mcd(a, b) = mcd(b, r1 ) = mcd(r1 , r2 ) = · · · = mcd(rk−1 , rk ) = rk . 12  Un ejemplo con números pequeños será suficiente para ilustrar como se usa el Algoritmo de Euclides: Ejemplo 3.15. Calculemos mcd(−387, 578): 578 = −387(−1) + 191, −387 = 191(−3) + 186, 191 = 186(1) + 5, 186 = 5(37) + 1, 5 = 1(5). y por lo tanto, el último residuo diferente de 0 es 1 = mcd(−387, 578). 3.1 La ecuación ax + by = c La geometrı́a, una de las disciplinas más bellas de la matemática, nutre en muchas ocasiones, de problemas a la aritmética. ¿Cuántas veces se nos ha presentado la necesidad de encontrar las soluciones enteras de una ecuación del tipo ax+by = c con a, b, c ∈ Z y que proviene de una situación real? Claramente este tipo de ecuaciones tienen una infinidad de soluciones en Q, pero en Z no es tan evidente distinguirlas. Por ejemplo, imaginemos que cierto dı́a de la semana, un banco sólo tiene billetes de 20 y 100 pesos y un cajero debe pagar un cheque de 2010 pesos. ¿Cuántos billetes de 20 y 100 debe dar? El cajero resolverá su problema si logra encontrar una solución de la ecuación 20x + 100y = 2010. Si 191 191 x = 5 y y= , entonces ¿qué sentido tiene dar billetes de 100 pesos? 10 10 ¿existe algún criterio que le asegure al cajero que podrá pagar el cheque? Nuestro siguiente resultado nos brinda un criterio eficiente para decidir si la recta ax + by = c pasa por puntos en el plano cartesiano con ambas coordenadas x, y enteros. Teorema 3.16. Sean a, b, c ∈ Z. La recta ax + by = c contiene puntos con coordenadas enteros si y sólo si mcd(a, b) | c. Demostración: Si x0 , y0 son tales que ax0 + by0 = c, entonces es claro que mcd(a, b) | c. Inversamente, sea g = mcd(a, b) y supongamos que c = gt0 . Usando el algoritmo de Euclides podemos encontrar x0 , y0 ∈ Z tal que ax0 + by0 = g. Por lo tanto c = gt0 = a(x0 t0 ) + b(y0 t0 ) 13 y ası́, el punto de coordenadas (x0 t0 , y0 t0 ) tiene coordenadas enteros y se encuentra sobre la recta ax + by = c.  Supongamos ahora que nuestra ecuación ax + by = c es soluble en Z × Z. Vamos a caracterizar todas las soluciones. Corolario 3.17. Sea x0 , y0 una solución de ax + by = c encontrada como en el teorema anterior. Sea g = mcd(a, b) y (x, y) ∈ Z × Z cualquier otra solución. Si a = ga1 y b = gb1 , entonces x = x0 − b1 t, y = y0 + a1 t, para algún t ∈ Z. Demostración: De la igualdad ax0 + by0 = ax + by se sigue que a(x0 − x) = b(y − y0 ). Por lo tanto a1 (x0 − x) = b1 (y − y0 ). Puesto que mcd(a1 , b1 ) = 1 obtenemos b1 | x0 − x y a1 | y − y0 . Por lo anterior x0 − x = b1 t. Ası́ a1 b1 t = b1 (y − y0 ) y cancelando llegamos a que a1 t = y − y0 .  Observemos que si tenemos una solución particular x0 , y0 de la ecuación ax + by = c, entonces para cualquier t ∈ Z se tiene que x0 − b1 t y y0 + a1 t proporciona todas las soluciones de nuestra ecuación. El Teorema 3.16 se puede expresar en forma más general. Teorema 3.18. Sean a1 , a2 , . . . an , c ∈ Z. La ecuación a1 x1 +a2 x2 +. . .+an xn = c es soluble en Z × . . . × Z si y sólo si mcd(a1 , a2 , . . . , an ) | c. Demostración: Es idéntica a la del Teorema 3.16.  4 Mı́nimo común múltiplo Sean a1 , ..., ak enteros diferentes de 0. Cualquier entero x tal que ai | x, (i = 1, ..., k) es llamado múltiplo común de los ai ’s. Consideremos el conjunto S = {x ∈ N : ai | x}. Entonces el entero k Y i=1 ai ∈ S, y ası́ S 6= ∅. Por el PBO existe N ∈ S tal que N ≤ x para todo x ∈ S. 14 Definición 4.1. El entero N de la discusión anterior se llama el mı́nimo común múltiplo (mcm) de los enteros a1 , ..., ak y lo denotamos como mcm(a1 , ..., ak ). ¿Por que pedir que los a′i s sean diferentes de 0? El mcm tiene la siguiente propiedad que lo caracteriza: Teorema 4.2. Sean a1 , ..., ak enteros diferentes de 0 y N = mcm(a1 , ..., ak ). Si c es cualquier múltiplo común de los ai ’s, entonces N | c. Demostración: Supongamos que existe un múltiplo común M de los ai ’s tal que N ∤ M . Por el algoritmo de la división tenemos M = N q +r con 0 < r < N . Como M, N son múltiplos comunes de los ai ’s, entonces existen enteros xi , yi tal que M = xi ai , N = yi ai con i = 1, ..., k. De lo anterior se sigue que r es un múltiplo común positivo de los ai ’s y r < N lo cual es absurdo.  Teorema 4.3. Sean a1 , a2 enteros no nulos. Entonces el número |a1 a2 | mcd(a1 , a2 ) tiene las siguientes propiedades : 1. |a1 a2 | es un entero positivo. mcd(a1 , a2 ) 2. ai | |a1 a2 | , i = 1, 2. mcd(a1 , a2 ) 3. Si x ∈ Z satisface que a1 | x y a2 | x, entonces |a1 a2 | | x. mcd(a1 , a2 ) Demostración: Para la primera parte observemos que mcd(a1 , a2 ) | |a1 |. Por lo tanto mcd(a1 , a2 ) | |a1 a2 |. La segunda afirmación se sigue directamente de: |a1 a2 | |a2 | |a1 | = ±a1 = ±a2 . mcd(a1 , a2 ) mcd(a1 , a2 ) mcd(a1 , a2 ) Para la tercera afirmación consideremos d = mcd(a1 , a2 ) con a1 = dq1 , a2 = dq2 , x = a1 r = a2 t, mcd(q1 , q2 ) = 1. Puesto que a1 r = dq1 r = a2 t = dq2 t, entonces q1 | q2 t. Por lo tanto q1 | t y t = q1 s. De la igualdad x = a2 t = dq2 t = s(dq1 q2 ) = s a1 a2 , d se sigue el resultado.  15 Corolario 4.4. Si N = mcm(a1 , a2 ), entonces N = |a1 a2 | . mcd(a1 , a2 )  Del Corolario 4.4 obtenemos la fórmula mcm(a1 , a2 ) mcd(a2 , a1 ) = |a1 a2 |. Sin embargo observemos: 48 = mcm(4, 4, −12) mcd(4, 4, −12) 6= 192 = |4 · 4 · (−12)|, ası́ que el Corolario 4.4 no es válido para más de dos enteros. Corolario 4.5. Si a, b, m 6= 0, entonces mcm(ma, mb) = |m|mcm(a, b). Demostración: Usar 3.10  ¿Hace falta un algoritmo para calcular el mcm de dos enteros? 5 Teorema Fundamental de la Aritmética Cualquier entero a 6= 0, ±1 tiene al menos cuatro divisores: ±1, ±a. Si un entero a tiene al menos un divisor b 6= ±a, ±1, entonces a = bd y d 6= ±a ± 1. Definición 5.1. Sea a 6= 0, ±1. Diremos que a es un número primo si a = bd, entonces b = ±1 ó d = ±1. En caso contrario diremos que a es compuesto. Tenemos que los primeros números primos positivos son: 2, 3, 5, 7, 11, ..., pero también −2, −3, −5, −11, ... son números primos. Ası́ que es claro que n es primo si y sólo si −n es primo. Por esta razón, será suficiente estudiar los números primos positivos. Reservamos el uso de las letras p y q para indicar números primos. Refraseando la definición de número compuesto: si n 6= ±1 es compuesto, entonces n admite un divisor b diferente de ±1 y ±n. Teorema 5.2. Cualquier entero m > 1 admite al menos un divisor primo. 16 Demostración: Inducción sobre m. Si m = 2, no hay nada que probar. Supongamos que m > 2 admite al menos un divisor primo p. Si m + 1 es primo, terminamos. Si m + 1 es compuesto, existe a tal que 1 < a < m + 1 y a | m + 1. Pero a ≤ m. Ası́ que a admite al menos un divisor primo p y por lo tanto p | m + 1.  Teorema 5.3. [Euclides] p es primo si y sólo si siempre que p | ab, entonces p | a ó p | b. Demostración: Supongamos que p es primo y p | ab. Si p ∤ a, entonces mcd(a, p) = 1 y por el Corolario 3.8 tenemos que p | b. Inversamente, sea p = ab una factorización de p. En particular p | ab y por lo tanto p | a ó p | b. Si p | a se tiene que a = pt, para algún t ∈ N. Ası́ que p = ab = ptb. De lo anterior se sigue que b = 1 y a = p y por lo tanto p es primo.  La propiedad más importante de Z se refiere a la factorización única de sus elementos. Corolario 5.4. [Teorema Fundamental de la Aritmética] Todo entero positivo se puede expresar en forma única (salvo el orden) como un producto finito de números primos. Demostración: Sólo hay que probar la unicidad. Supongamos que n = p1 p 2 · · · p k = q 1 q 2 · · · q s . Si en la factorización de n suponemos que k < s, entonces sabiendo que p1 | q1 q2 · · · qs obtenemos p1 = qj para algún 1 ≤ j ≤ s. Reordenando los subı́ndices si es necesario, podemos suponer que p1 = q1 . Después de cancelar y repitiendo este proceso obtenemos p1 = q 1 , p2 = q2 , . . . , pk = qk . De esta manera llegamos a 1 = qk+1 qk+2 ...qs , lo cual es imposible. Similarmente k > s nos conduce a un absurdo y ası́ se obtiene el resultado.  Corolario 5.5. Si n > 2, entonces existe un primo p tal que n < p < n!. Demostración: El número z = n! − 1 > 1 tiene un divisor primo p ≤ z. Si p ≤ n, entonces p | n! y por lo tanto p | 1 lo cual es absurdo. Ası́ que n < p ≤ n! − 1 < n!.  17 Corolario 5.6. [Teorema de Euclides] Existe una infinidad de números primos. Demostración: Consideremos n suficientemente grande en el corolario anterior.  La proposición 20 del libro IX de los Elementos de Euclides [10] afirma lo mismo que el Corolario 5.6. La demostración que da Euclides es la siguiente: Supongamos que p1 , p2 , ..., pr son todos los números primos y considera el entero N = 1+p1 ·p2 · · · pr . El Teorema 5.2 garantiza que N admite al menos un divisor primo el cual debe ser alguno de p1 , p2 , ..., pr y ninguno de éstos divide a N . Ası́ que debe existir al menos otro primo diferente de los conocidos p1 , p2 , ..., pr . La prueba que dió Kummer en 1878 [19] acerca de la infinitud de los números primos es igual de bella que la de Euclides: Supongamos que existe un número finito de primos p1 , p2 , . . . , pr y sea N = p1 p2 · · · pr . El entero N − 1 tiene un factor primo en común pi con N . Ası́ que pi divide a N − (N − 1) = 1, lo cual no es posible. Obviamente la prueba de Kummer es una ligera variación de la de Euclides. En el problema 83 describiremos otra variación de la prueba de Euclides la cual resulta más interesante. ¿Cómo averiguar si un número entero positivo es compuesto o primo? La respuesta final no ha sido encontrada. Gracias a esto, el estudio de la teorı́a de los números primos, actualmente es una de las áreas de la matemática que ha encontrado aplicaciones en otras disciplinas, como la criptografı́a. Esta rama de la matemática aplicada estudia los métodos para cifrar mensajes secretos por medio de una clave secreta, de tal forma que sólo puedan ser descifrados por un receptor. Al receptor sólo le hace falta aplicar la clave secreta al revés. En 1977 Ronald Rivest, Adi Shamir y Leonard Adleman [35], matemáticos del Massachusetts Institute of Technology, descubrieron que los números primos eran idóneos para el proceso de cifrar fácil y descifrar difı́cil. En la actualidad nadie puede cuestionar la importancia de distinguir a un número primo de un número compuesto. Una parte de las investigaciones actuales en aritmética, consiste en encontrar algoritmos eficientes para factorizar números enteros grandes para ser utilizados en ataques a sistemas criptográficos, que son, por ejemplo, el corazón de los sistemas de pago de las tarjetas de crédito. En biologı́a también han aparecido los números primos, por ejemplo, para interpretar el ciclo de vida de las cigarras. La especie septendecim tiene un ciclo de vida de 17 años. Este ciclo comienza bajo tierra en donde la ninfa de la cigarra se alimenta succionando las raı́ces de los árboles. Después de 17 años, sale a la superficie para aparearse, poner sus huevecillos y finalmente morir. Esto sólo le lleva unas cuantas semanas. La especie tredecim tiene un ciclo de vida de 13 años y después de este tiempo, se comporta de la misma manera que sus hermanas septendecim. Es obvio que el nombre asignado a cada una de éstas tiene que ver con la duración de su ciclo de vida. ¿Por qué la cigarra tiene un ciclo de vida tan largo? ¿Qué interpretación tiene el hecho que su ciclo de vida dure un número primo de años? 18 Una teorı́a sugiere que la cigarra tiene un parásito que también tiene un ciclo de vida y la cigarra está tratando de evitarlo. La parte importante de este hecho asombroso es que el tiempo reproductivo de la cigarra es justamente unas semanas después de 17 años ( en el caso de septendecim ). Es en este momento cuando el supuesto parásito puede hacer de las suyas. Por ejemplo, si el parásito tiene un ciclo de vida de 4 años, entonces la cigarra busca evitar un ciclo de vida que sea divisible por 4. Aún ası́ la cigarra y el parásito coincidirán después de 4 × 17 = 68 años. Se cree también que el parásito se defiende y que tiene un ciclo de vida que debe incrementar la frecuencia de coincidencia. Al respecto existen muchas especulaciones e invitamos al lector a seguir esta interesante teorı́a [23]. En la actualidad se conocen algunos métodos para verificar si un entero dado n es primo o no. Por ejemplo, el Teorema 5.3 puede ser considerado como una prueba de primacidad que es muy difı́cil de implementar en la práctica. El siguiente método es elemental y también puede ser considerado como una prueba de primacidad. Desafortunadamente su implementación en enteros grandes lo hace poco eficiente. Teorema 5.7.√ Si n es compuesto, entonces n admite al menos un divisor primo p tal que p ≤ n. Demostración: Supongamos que n = √ p1 p2 · · · ps y que p1 ≤ p2 ≤ ... ≤ ps , entonces claramente p21 ≤ n y ası́ p1 ≤ n.  Del Teorema 5.7 se deduce √ fácilmente que si para un entero positivo n no existe un primo p con p ≤ n y tal que p | n, entonces necesariamente n debe ser primo. Un método elemental para encontar números primos consecutivos fué dado por Eratóstenes2 . Consideremos la sucesión 2, 3, 4, .... Denotamos por p1 = 2, el cual es el primer número primo. Quitemos de la sucesión a todos lo números mayores que p1 y que son múltiplos de 2. El primero de los números restantes es p2 = 3. Nuevamente quitemos de la sucesión a todos los números mayores que p2 y que son múltiplos de p2 . El primero de los números restantes es p3 = 5. Supongamos que después del k-ésimo paso encontramos el k-ésimo primo pk . Quitemos de la sucesión a todos los números mayores que pk y que son divisibles 2 Eratóstenes nace en el año 276 a.c en Cirene, hoy Libia. Estudia en Alejandrı́a y Atenas y después se hace director de la Biblioteca de Alejandrı́a. Escribe poesı́a, es historiador, geógrafo, matemático, astrónomo y atleta. Trabajó en problemas como la duplicación del cubo y los números primos. Escribió muchos trabajos de los cuales sólo se tiene referencia por medio de citas de otros autores. Su poema más famoso es Hermes el cual está inspirado en observaciones astronómicas. En su vejez queda ciego y muere de hambre por su propia voluntad en el año 194 a.c. 19 por pk . En particular, p319 = 4397 [33]. El método descrito anteriormente es conocido como la criba de Eratóstenes. Según el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española, edición del año 2001, una criba es ”un cuero ordenadamente agujereado y fijo a un aro de madera que sirve para limpiar el trigo u otras semillas ”. Ası́, la criba de Eratóstenes es un método que sirve para limpiar de números compuestos a los enteros positivos. Por supuesto que no queremos despreciar a los números compuestos, simplemente nos es suficiente conocer a los números primos pues ellos son, en cierto sentido, un conjunto de generadores de los números enteros. En seguida daremos la construcción de una criba geométrica que funciona de la misma manera que la de Eratóstenes. Consideremos en el plano cartesiano los conjuntos   1 A = (0, ) : m = 1, 2, ... , B = {(n + 1, 0) : n = 1, 2, ...} , m donde cada punto del conjunto A está conectado por una recta con cada punto del conjunto B (ver figura). y (0,1) (0,1/2) 1 2 3 4 x y= -1 1 La ecuación de la recta que pasa por los puntos (n + 1, 0) y (0, ) está descrita m por 1 1 y=− x+ , m(n + 1) m 1 1 x+ con la recta y = −1 es el punto con m(n + 1) m coordenadas ((m + 1)(n + 1), −1). Observemos que las abscisas de estos puntos son precisamente números compuestos. Recı́procamente, si x es un entero positivo compuesto, entonces x = (m + 1)(n + 1) satisface las ecuaciones y la intersección de y = − 20 1 1 x+ , m(n + 1) m y = −1. y=− 1 1 x+ , m(n + 1) m y L2 es la recta y = −1, entonces (z, −1) ∈ L1 ∩ L2 si y sólo si z es compuesto. Resumiendo: si z es entero positivo, L1 denota la recta y = − 6 Distribución de los números primos Entre las razones que guı́an el interés por el estudio de los números primos hay dos que sobresalen: la primera, por ser un tema de la matemática básica moderna que ha despertado el interés de destacados especialistas y amateurs en el tema y la segunda, por sus aplicaciones. Es relativamente fácil escribir listas de números primos. De hecho, existen programas computacionales y páginas en la red que nos proporcionan listas suficientemente grandes. Ve por ejemplo la estupenda página de la Universidad de Tennessee www.utm.edu/research/primes/. Una primera pregunta que nos haremos proviene de observar listas de primos. Consideremos los primos menores que 1000: 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, 163, 167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199, 211, 223, 227, 229, 233, 239, 241, 251, 257, 263, 269, 271, 277, 281, 283, 293, 307, 311, 313, 317, 331, 337, 347, 349, 353, 359, 367, 373, 379, 383, 389, 397, 401, 409, 419, 421, 431, 433, 439, 443, 449, 457, 461, 463, 467, 479, 487, 491, 499. 503, 509, 521, 523, 541, 547, 557, 563, 569, 571, 577, 587, 593, 599, 601, 607, 613, 617, 619, 631, 641, 643, 647, 653, 659, 661, 673, 677, 683, 691, 701, 709, 719, 727, 733, 739, 743, 751, 757, 761, 21 769, 773, 787, 797, 809, 811, 821, 823, 827, 829, 839, 853, 857, 859, 863, 877, 881, 883, 887, 907, 911, 919, 929, 937, 941, 947, 953, 967, 971, 977, 983, 991, 997. Observamos que entre 1 y 100 hay 25 primos, entre 100 y 200 hay 21, entre 200 y 300 hay 16, entre 300 y 400 hay 16, entre 400 y 500 hay 17 primos, entre 500 y 600 hay 14, entre 600 y 700 hay 16, entre 700 y 800 hay 14, entre 800 y 900 hay 15 y finalmente entre 900 y 1000 hay 14. Pareciera a primera vista, que cada bloque de 100 enteros contiene casi la misma cantidad de primos. Sin embargo observemos el siguiente hecho: k! + n es un número compuesto para n = 2, . . . , k. Por lo tanto, la lista de primos que presentamos, es engañosa. Existen grandes bloques de enteros consecutivos en donde no hay uno sólo de ellos. Esto significa que para n muy grande ¿n es compuesto? Si sabemos que hay una infinidad de ellos, entonces ¿cómo están distribuidos dentro de Z? Afortunadamente este misterio ha convertido a la teorı́a de números en una de las ramas fundamentales de la matemática actual. Tal vez una de las razones de la irregularidad de la distribución de los números primos es que no existe una fórmula simple que los reproduzca (ver por ejemplo el problema 98 al final de este capı́tulo). Debemos mencionar que han habido intentos por reproducirlos en su totalidad por medio de expresiones polinomiales en varias variables [18]. En los siglos XVIII y XIX, el estudio de la distribución de los primos fue objeto de muchas especulaciones; prácticamente todas las investigaciones estaban encaminadas a encontrar una fórmula que reprodujera primos. Para estudiar esta distribución sea x ∈ (1, ∞) y consideremos la función X π(x) = 1. p≤x p primo Esta inofensiva función lo único que hace es contar los primos p ≤ x. Puesto que existe una infinidad de ellos, es claro que si x crece, entonces la función π(x) también crece más que cualquier cota superior asignada. Fue precisamente Gauss y Legendre los que, en base a tablas, proponen una nueva pregunta: ¿existirá una fórmula que cuente números primos? Ellos conjeturaron que la x se parecen mucho cuando x es muy grande, donde log x función π(x) y log(x) es la función ln. Cada uno de ellos propuso fórmulas diferentes y la mejor estimación fue la fórmula propuesta por Gauss. Este hecho lo podemos escribir como 22 lim x→∞ π(x) log(x) = 1. x Probar que este lı́mite existe y es igual a 1 es algo muy difı́cil y queda fuera del alcance de este trabajo. En 1859 Riemann3 comienza en forma sistemática el estudio de éste problema y lo asocia con la función ζ(s) = ∞ X n−s , n=1 donde s ∈ C y la parte real de s > 1 para que la serie sea convergente. Riemann, en su intento por dar respuesta al comportamiento de la distribución de los números primos, logra desarrollar con bastante éxito la teorı́a general de funciones de una variable compleja. Su teorı́a, aún en la actualidad, contiene argumentos obscuros. Un estupendo punto de vista acerca del trabajo de Riemann se puede consultar en [46]. El trabajo de Riemann es completado al final del siglo XIX. Hadamard4 se interesa en el problema de la distribución de los números primos y en el camino desarrolla la teorı́a de las funciones enteras y demuestra, casi simultáneamente con Vallée Poussin, que lim x→∞ π(x) log(x) = 1. x Este famoso resultado es conocido como El Teorema de los Números Primos. Después de la demostración de El Teorema de los Números Primos, hecha por Hadamard y Vallée Poussin, los matemáticos buscaron clarificar la conección entre la teorı́a de funciones de una variable compleja y la distribución de los 3 George Friedrich Bernhard Riemann nació el 17 de septiembre de 1826 en Breselenz (Hannover), Alemania. Su padre, ministro de la iglesia Luterana, se encargó de la educación de sus hijos hasta los diez años. El 1846 Riemman ingresa a la Universidad de Göttingen en donde, en 1849, Gauss le dirije su tesis doctoral sobre la teorı́a de variable compleja. En 1847 hace estudios en la Universidad de Berlı́n teniendo como profesores a Steiner, Jacobi, Dirichlet y Eisenstein. Ingresa como profesor en Göttingen reemplazando a Dirichlet. Muere de tuberculosis en el año 1866 en Selasca, Italia. 4 Jackes Hadamard nació el año 1895 en Versalles, Francia. Su trabajo ocupa un lugar destacado en la matemática. Sus principales aportaciones fueron en ecuaciones diferenciales parciales pero también se le recuerda porque fue el primero (junto con Vallée Poussin) en haber demostrado el Teorema de los Números Primos. Su vida privada estuvo llena de tragedias y a pesar de esto su trabajo logra el aprecio de los matemáticos más importantes de su época. Muere en Paris el 15 de octubre de 1963. Sugerimos al lector buscar una biografı́a de Hadamard. 23 números primos. La demostración depende esencialmente del estudio de los ceros de la función zeta de Riemann[46]. A finales del siglo XIX, se creı́a que la teorı́a de las funciones analı́ticas era más profunda que el análisis real. Por esta razón, en aquella época se pensaba que era imposible dar una demostración de El Teorema de los Números Primos sólo con manipulaciones de igualdades y desigualdades. En 1949 A. Selberg y P. Erdös [36] [9], por separado, dan una demostración ”elemental”, que de ninguna manera era fácil, poniendo en entredicho la importancia de la teorı́a de las funciones analı́ticas. En la actualidad, en libros de variable compleja o de análisis es posible encontrar una demostración de este importante teorema. Recomendamos al lector revisar el estupendo libro de G. Tenenbaum y M.M. France [42]. Regresando al siglo XIX, en el año 1851 Chebyshev, en su intento por demostrar la conjetura de Gauss y Legendre sobre la distribución de los números primos, muestra que existen constantes positivas c y C tales que c x x < π(x) < C , log(x) log(x) para x ≥ 2. También muestra que si el lı́mite existe, cuando x → ∞, entonces c = C = 1. Se puede verificar que con los valores c = 0.921 y C = 1.106 la desigualdad anterior proporciona una evidencia numérica importante. En este orden de ideas, en 1845 Joseph Bertrand conjeturó que existe al menos un primo entre n y 2n. Él verificó su afirmación para n < 3000000. Esta conjetura fue demostrada por Chebyshev en 1850. Esta breve historia nos servirá como marco de referencia para enfrentar dos hechos que podrı́an tambalear nuestra intuición: el Postulado de Bertrand contra la existencia de grandes espacios de enteros consecutivos que no contienen números primos. Hemos decidido posponer este enfrentamiento hasta el final del capı́tulo 2 porque es necesario el uso de la función ϕ de Euler. PROBLEMAS 1. Mostrar que la siguiente versión del Principio de Inducción es equivalente a la que dimos al principio del capı́tulo: Sea P (n) una proposición acerca del entero positivo n. Supongamos que P (1) es verdadera. Si P (n) es verdadera implica que P (n + 1) es verdadera, entonces la proposición P es verdadera para todos los enteros positivos. 2. Demostrar las siguientes fórmulas usando inducción matemática: 24 a) Sea n ≥ 1 y S1 (n) = n X i. Entonces S1 (n) = b) Sea n ≥ 1 y S2 (n) = n X i2 . Entonces S2 (n) = S1 (n) c) Sea n ≥ 1 y S3 (n) = d) Si S4 (n) = n X i=1 i=1 n X n(n + 1) . 2 2n + 1 . 3 i3 . Entonces S3 (n) = (S1 (n))2 . i=1 i4 , entonces S4 (n) = S1 (n) i=1 6n3 + 9n2 + n − 1 . 15 3. Demostrar que para n ≥ 1 se cumple     k+1 k + 1 k−1 n + 1. n + ··· + (n + 1)k+1 − nk+1 = (k + 1)nk + k 2 4. Sea n ≥ 1 y supongamos que S1 (n), ..., Sk−1 (n) son conocidos. Demostrar que:     k+1 k+1 k+1 Sk−1 (n) + · · · + Sk (n) + a) (n + 1) −1= 2 1     k+1 k+1 S2 (n) + S1 (n) + n. k−1 k Sugerencia: evaluar en el Problema 3 desde 1 hasta n y luego sumar. b) Usar el inciso anterior para deducir una fórmula para S5 (n) y en general, para Sk (n). Debemos anunciarle al lector que las sumas Sk (n) tienen que ver con la función ζ de Riemann, los primos regulares y con la demostración del llamado primer caso del Teorema de Fermat. Hacemos la invitación a leer el Capı́tulo 15 de [17] 5. Usar inducción para demostrar que: a) Para cualquier entero n ≥ 3 se cumple que n2 > 2n + 1. b) Para cualquier entero n ≥ 5 se cumple que 2n > n2 . c) 1 + 3 + · · · + (2n − 1) = n2 . d) 2 + 4 + 6 + · · · + 2n = n(n + 1). e) 1(1)! + 2(2)! + 3(3)! + . . . + n(n)! = (n + 1)! − 1, para n ≥ 1. f) Si r 6= 1, a + ar + ar2 + . . . + arn = a(rn+1 − 1) , para n ≥ 1. r−1 6. En 1883, el matemático francés Edouard Lucas, se hizo famoso con la invención de una bella leyenda conocida como Las Torres de Hanoi. Con el tiempo, la computación hizo uso del juego para estudiar la eficiencia de algunos algoritmos computacionales. Cuenta la leyenda que el dios 25 Brahma entregó a los monjes del gran templo de Varanasi5 tres vástagos (varillas) de diamante encajados en una base de bronce. Ensartó en uno de los vástagos 64 discos de oro, todos de dimensiones diferentes, acomodados de tal forma que el mayor quedó en la base y los restantes, acomodados en forma decreciente en tamaño. Ordenó a los monjes que moviesen todos los discos a otro vástago, de tal forma que en cada movimiento sólo fuese movido un disco y no estuviera sobre éste, uno mayor. Brahma sentenció: Cuando hayan terminado la tarea, el mundo se vendrá abajo como una montaña de polvo. a) ¿Cuál cree el lector que es la forma más eficiente de ir cambiando los discos de una varilla a otra? b) Supongamos que en cada movimiento se utiliza un segundo. Demostrar que los monjes podrán pasar los 64 discos de un varilla a otra en 264 − 1 segundos ¿Cuánto es en años? c) Supongamos que en una varilla hay n discos acomodados según la leyenda y que se utiliza 1 segundo en cada movimiento. Demostrar que los monjes podrán cambiarlos todos en 2n − 1 segundos. 7. Consideremos el siguiente triángulo: 1 3 7 13 .. . 5 9 15 .. . 11 17 .. . 19 .. .. . . Demostrar que la suma de las entradas del k-ésimo renglón es un cubo.     1 1 1 n n 8. Considere la matriz A = . Demostrar que A = . 0 1 0 1 9. Sea n ∈ N y f (n) = 10n − 1 . Demostrar que: 9 a) f (n) = 11...1. ¿Cuántos 1′ s aparecen? b) Si n | m, entonces f (n) | f (m). c) Si n es compuesto, entonces f (n) es compuesto. d) Encontrar un ejemplo con n primo y f (n) compuesto. 10. Usar el PBO para demostrar que 3 es el menor elemento del conjunto S = {6x + (−9)y > 0}. 11. Usar el algoritmo de la división para demostrar que: 5 Ciudad santa de hinduismo situada entre los rı́os Varana y Asi, conocida también como Benarés. 26 a) Cualquier entero de la forma 6n + 5 es de la forma 3n + 2 ¿Es cierto el inverso de esta afirmación? b) El cuadrado de cualquier entero es de la forma 3k o bien 3k + 1 pero no de la forma 3k + 2. c) Cualquier entero impar es de la forma 4n + 1 o bien 4n + 3. d) El cuadrado de cualquier entero impar es de la forma 8n + 1. 12. Demostrar la Proposición 3.11. 13. Encontrar el mcd de los siguientes números y expresarlos como combinación lineal de ellos: a) 17 y -43. b) 130 y 45. c) -39 y 0. d) -25 y -32. e) 15, -27 y 18. 14. Mostrar que 2n | k si y sólo si 2n divide al entero formado por los n primeros dı́gitos de k (de derecha a izquierda). Sugerencia: si k = ar ar−1 . . . a0 , entonces k = a0 + a1 10 + · · · + ar 10r . 15. Consideremos k como en el problema anterior. Demuestre que k deja residuo 0, 1, 2 o 3 al ser dividido entre 4 si y sólo si el número formado por los 2 primeros dı́gitos de k deja residuo 0, 1, 2 o 3 respectivamente al ser dividido entre 4. 16. Mostrar que 5n | k si y sólo si 5n divide al entero formado por los n primeros dı́gitos de k. 17. Mostrar que 9 | 10n − 1 para toda n ≥ 1. 18. Mostrar que 3 | n si y sólo si 3 divide a la suma de los dı́gitos de n. 19. Mostrar que 9 | n si y sólo si 9 divide a la suma de los dı́gitos de n. 20. Mostrar que 6 | n si y sólo si 2 | n y 3 | n. 21. Divisibilidad por 7. Sea n = a0 + a1 10 + ... + ar 10r la representación decimal de n. Escribir n = 102 a + b, donde b = a0 + a1 10 es el número formado por los dos primeros dı́gitos de n. Mostrar que 7 | n si y sólo si 7 | 5a − b. 22. Sea n = r X i=0 ai 10i . Mostrar que 11 | n si y sólo si 11 | r X (−1)i ai . i=0 23. Mostrar que 12 | n si y sólo si 3 | n y 4 | n. ¿Se Puede generalizar? 27 24. Considerar n como en el Problema 20. Mostrar que 13 | n si y sólo si 13 | 4a − b. Mostrar que 17 | n si y sólo si 17 | 2a − b. 25. Usar los Problemas 20 y 23 para dar un criterio de divisibilidad por 19 y 23. 26. Considerar la sucesión 1, −3, −4, −1, 3, 4, 1, −3, −4, ... y n = r X ai 10i . De- i=0 mostrar que 13 | n si y sólo si 13 | a0 − 3a1 − 4a2 − a3 + 3a4 + 4a5 + a6 − 3a7 − 4a8 − . . .. 27. Sea n ∈ Z. a) Mostrar que 2 | n(n + 1). b) Mostrar que si mcd(4, y) = 1 y x | 16, x | 4y 2 , entonces x | 4. c) Mostrar que 3 divide a alguno de los enteros n, n + 7 ó n + 8. d) Mostrar que n divide al producto de n enteros consecutivos. 28. Usar inducción para mostrar que: a) 7 | 23n − 1. b) 3 | 2n + (−1)n+1 . 29. Encontrar todas las soluciones enteras de las siguientes ecuaciones: a) 3x + 7y = −2. b) −2x − 5y = 7. c) 2x + 5y − 11z = 1. d) x − 14y − 7z = 4. 30. Sean a, b, c, d ∈ Z y supongamos que la ecuación ax + by + cz = d tiene al menos una solución en los enteros x0 , y0 , z0 . Caracterizar todas las soluciones. 31. Una persona tiene 77 pesos en monedas de 2 y 5 pesos. ¿Cuál es el número máximo y mı́nimo de monedas que puede tener? ¿es posible que el número de monedas de 2 pesos coincida con el número de monedas de 5 pesos? 32. Un cierto número de seises y nueves se suman para obtener el número 126. Si el número de seises y nueves que son sumados se intercambia, entonces se obtiene como suma al número 114. ¿Cuántos seises y nueves habı́a en un principio? 33. Dos escalas están hechas con unidades de 4 y 9 cm. Si se hace coincidir el 0 ¿a cuántos cm. coincidirán exactamente las dos marcas? Si las escalas están hechas con unidades de n y m cm y si se hace coincidir el 0 cuál es la respuesta a la misma pregunta. 28 34. Demostrar que si n ≥ 5, entonces n! termina en 0. ¿En cuántos ceros termina 351!? 35. Mostrar que si n es impar, entonces a + b | an + bn . ¿Qué se puede decir si n es par? 36. Si n es impar, entonces 5 | 22n + 1. 37. Mostrar que x − y | xn − y n . 38. Mostrar que la ecuación xn + y n = z n−1 tiene una infinidad de soluciones 2 enteras. Sugerencia: [(an + bn )n−1 ]n−1 = (an + bn )n −2n+1 . 39. Mostrar que la ecuación xn + y n = z n+1 tiene una infinidad de soluciones. Sugerencia: considerar [a(an + bn )]n + [b(an + bn )]n . 40. Mostrar que si n ∈ Z, entonces 3n2 − 1 no es un cuadrado. 41. Sea a > 1, t 6= 0. Mostrar que mcm(a, a, ta) mcd(a, a, ta) 6= |a3 t|. Concluir que el Corolario 4.4 no es válido para 3 enteros. 42. Sean a, b ∈ Z con a 6= 0. Mostrar que a | b si y sólo si mcd(a, b) = |a|. 43. Sea m = |a1 a2 · · · an | = 6 0. Mostrar que: m = mcm(a1 , a2 , ..., an ) mcd m m m , , ..., . a1 a2 an 44. Sea m > 0 un múltiplo común de a1 , a2 , ..., an . Mostrar que: m m m , , ..., = 1. m = mcm(a1 , a2 , ..., an ) si y sólo si mcd a1 a2 an 45. Mostrar que si a 6= 0 6= b y mcd(a, b) = mcm(a, b), entonces |a| = |b|. 46. Mostrar que si a, b ∈ Z y k ∈ N son tales que ak | bk , entonces a | b. 47. Sean a1 , ..., ar ∈ N tal que mcd(ai , aj ) = 1 para i 6= j. Si entonces ai = cm i , para 1 ≤ i ≤ r. r Y ai = cm , i=1 48. Mostrar que no existen x, y ∈ Z tal que x + y = 100 y mcd(x, y) = 7. 49. Mostrar que las ecuaciones x + y = l y mcd(x, y) = g tienen solución común si y sólo si g|l. 50. Mostrar que el sistema de ecuaciones mcd(x, y) mcm(x, y) = g = l es soluble en los enteros x, y si y sólo si g | l. 29 51. Mostrar que si a1 , ..., am son enteros y m > 1 con al menos un ai 6= 0, existen t1 , ..., tm ∈ Z tales que mcd(a1 , ..., am ) = a1 t1 + ... + am tm . 52. Mostrar que si mcd(a1 , b1 ) = mcd(a2 , b2 ) = 1 y |b1 | = |b2 |. a2 a1 + ∈ Z, entonces b1 b2 r X ai ∈ Z y mcd(ai , bi ) = 1 bi implica que |b1 | = ... = |br | no necesariamente es cierta si r ≥ 3. 53. Mostrar con un ejemplo que la afirmación: i=1 54. Mostrar que si mcd(ab, m) = 1, entonces mcd(a, m) = mcd(b, m) = 1. 55. Mostrar que mcd(a, b) = 1 y 3 ∤ a + b entonces mcd(a + b, a2 − ab + b2 ) = 1.  xp − 1  56. Si p es primo impar y x ∈ N, entonces mcd x − 1, = 1 o p. x−1  xp + 1  = 1 o p. 57. Si p es primo impar y x ∈ N, entonces mcd x + 1, x+1 58. Mostrar que si mcd(a, b) = 1 y p primo impar tal que p ∤ a + b, entonces  ap + bp  mcd a + b, = 1. a+b 59. Mostrar que mcd(a2 , b2 ) = mcd(a, b)2 . 60. Si p es primo, ¿qué posibles valores toma mcd(a, p)? 61. Encontrar 765438 enteros consecutivos todos ellos compuestos. 62. Mostrar que el número 2003 es primo. 63. Definimos el n-ésimo número de Mersenne como Mn = 2n − 1. Mostrar que si Mn es primo, entonces n es primo. Los números primos de esta forma son conocidos como primos de Mersenne6 . Para más información sobre éstos números primos, el lector puede consultar el capı́tulo Hojas Sueltas. 64. Mostrar que si 2n + 1 es primo entonces n es potencia de 2. Los números primos de esta forma se conocen como primos de Fermat7 . 6 Marin Mersenne (1588-1648). Teólogo franciscano y cientı́fico francés, ı́ntimamente vinculado desde su juventud a Descartes, de cuyas doctrinas fue eficaz difusor a través del cı́rculo de intelectuales constituı́do a su alrededor. Mantuvo relación con los más famosos sabios de su época y él mismo llevó a cabo notables investigaciones. Veı́a la doctrina cartesiana como el mejor antı́doto contra deı́stas, libertinos y escépticos 7 Pierre Fermat (1601-1665) nació en Beaumont-de Lomange Francia. Estudia leyes en Touluse y en sus ratos de ocio se dedica a la literatura y a las matemáticas. Contribuyó notablemente al desarrollo de la geometrı́a analı́tica, el cálculo diferencial e integral, la teorı́a de números y la teorı́a de las probabilidades. Los principales escritos de Fermat fueron publicados por su hijo después de su muerte bajo el tı́tulo Varia Opera Mathematica. 30 √ n 65. Si p es primo y n ≥ 2, entonces p es un número irracional. √ 66. Si p es primo y n ≤ −2, entonces n p es un número irracional. 67. En general, el producto de dos números irracionales no necesariamente es √ √ irracional. Por ejemplo, si p es un primo, entonces p p ∈ Z. Demostrar √ que si p1 , p2 son primos diferentes, entonces p1 p2 es un número irracional. 68. Sean p1 , p2 números primos diferentes. Mostrar que x2 = p1 p2 no tiene solución en Q. √ √ 69. Si p1 , p2 son primos diferentes, entonces p1 + p2 es un número irracional. √ √ 70. Sean p1 , p2 primos diferentes. Si a, b ∈ Q satisfacen a p1 + b p2 = 0, entonces a = b = 0. En el lenguaje del álgebra lineal el conjunto √ √ { p1 , p2 } es Q-linealmente independiente. 71. Mostrar que log10 2 es un número irracional. √ √ 72. Sean√a, n ∈ N tal que n a ∈ Q. Mostrar que n a es un entero. Deducir que 3 10 es un número irracional. √ 73. Mostrar que si n ≥ 2, entonces n n es un número irracional. 74. Sean a, b números irracionales. √ ¿Puede ser que ab sea racional? Suge1 √ 2 rencia: Según el problema 65 p = p− 2 es irracional. Ahora considere √ √ √ los números p 2 y 2. 75. Sean x, y ∈ R. Demostrar que [x] + [y] ≤ [x + y] ≤ [x] + [y] + 1. Sea n ∈ N y x ∈ R, ¿es posible dar una estimación para [nx]? 76. Sean x ∈ R. Demostrar que: [x] + [−x] = 77. Sea n = r Y i=1 r Y pαi +1 − 1 i i=1 r Y i=1 0 −1 si x ∈ Z si x ∈ 6 Z i pα i con pi 6= pj (i 6= j) . Mostrar que la suma de todos los divisores positivos de n es 78. Sea a =  i pα i (αi ≥ 0) y b = mcd(a, b) = r Y pi − 1 r Y i=1 . pβi i (βi ≥ 0). Entonces pµi i y mcm(a, b) = r Y i=1 i=1 donde µi = min{αi , βi } y γi = max{αi , βi }. 31 pγi i , 79. Usar el problema anterior para verificar las siguientes relaciones: a) mcd(x, mcm(y, z)) = mcm(mcd(x, y), mcd(x, z)). b) mcm(x, mcd(y, z)) = mcd(mcm(x, y), mcm(x, z)). c) mcd(mcm(x, y), mcm(x, z), mcm(y, z)) = mcm(mcd(x, y), mcd(x, z), mcd(y, z)). d) mcm(x, y, z) mcd(x, y, z) ≤ |xyz|. La igualdad se obtiene si y sólo si x, y, z son primos relativos por pares. 80. Mostrar que existe una infinidad de primos de la forma 4n + 1 y 4n + 3. 81. Para x > 0 sea π(x) = el número de primos p tal que p ≤ x. Ası́, log x . Usar π(4) = 2, π(9) = 4, etc. Se sabe que para x ∈ N, π(x) ≥ 2 log 2 la desigualdad anterior para mostrar que el n-ésimo primo pn obtenido en n la criba de Eratóstenes satisface pn > 22 . También se puede hacer una log x prueba usando inducción y sin hacer uso de la desigualdad π(x) ≥ . 2 log 2 82. Postulado de Bertrand. En 1845 el matemático francés Joseph Bertrand verificó que para cada entero n entre 2 y 3 · 106 existe al menos un primo entre n y 2n. Este resultado, en forma general, es conocido como el Postulado de Bertrand y fue demostrado por Chebyshev en el año 1850 [15]. Supongamos cierto el Postulado de Bertrand. Mostrar que si pn es el n-ésimo primo, entonces pn ≤ 2n . Comparar con el problema anterior. n 83. Consideremos la sucesión de números 22 + 1 con n ∈ N. Probar que: n m a) Si n < m, entonces 22 + 1 es divisor de 22 − 1. n m b) Si n 6= m, entonces mcd(22 + 1, 22 + 1) = 1. c) Usar b) para mostrar que existe una infinidad de números primos. 84. Mostrar que si d | n, entonces 2d − 1 | 2n − 1. 85. Mostrar que si a ∈ Z y a 6= 0, entonces las únicas soluciones racionales de la ecuación xm = a son necesariamente enteras. 86. El n-ésimo número triangular lo definimos como tn = n ∈ N. Demostrar que: n(n + 1) , donde 2 a) La suma de cualesquiera dos números triangulares consecutivos es un cuadrado. b) Cualquier número de la sucesión 21, 2211, 222111, . . . es triangular. 87. Demostrar que cualquier número de la sucesión 100001, 10000100001, ... es un número compuesto. 32 88. Supongamos que existe un número finito de primos p1 , p2 , . . . , pn . Usar el número N = p2 p3 · · · pn + p1 p3 · · · pn + . . . + p1 p2 · · · pn−1 para dar otra demostración acerca de la existencia de una infinidad de primos. 89. En 1953 el profesor John Thompson publica una variación de la prueba de Euclides acerca de la infinitud de primos [43]. Lo interesante de este trabajo es la posiblilidad de generar explı́citamente nuevos primos a partir de una lista finita de ellos. Sean 2 = p1 < p2 < ... < pn los primeros n números primos. Dividimos la lista anterior en dos subconjuntos q1 , ..., qr y s1 , ..., st . Sea D = (q1 · · · qr ) − (s1 · · · st ). Demostrar que: a) Existe un primo p tal que p | D y p 6= pj para 1 ≤ j ≤ n. Concluir que existe una infinidad de primos. b) Si D < (pn + 2)2 , entonces D es un número primo. c) Usar el inciso b) con la lista 2, 3, 5, 7, 11, 13 y con diferentes particiones. ¿Siempre se obtiene un número primo? d) Consideremos simplemente que p1 < p2 < ... < pn son n números primos diferentes. ¿Siguen siendo válidas las afirmaciones a) y b)? 90. En el análogo geométrico de la criba de Eratóstenes proporcionamos una familia de rectas con ciertas propiedades. Encontrar una familia de rectas con propiedades similares pero actuando en el semiplano de la izquierda. 91. Mostrar que no existe un número primo de la forma 8n + 1. 92. Mostrar que cada entero de la forma 3n + 2 tiene al menos un factor primo de la misma forma. 93. Mostrar que el único número primo de la forma n3 − 1 es 7. 94. Si p es un número primo y p | an , entonces pn | an . 95. Demostrar que cada entero n > 11 se puede escribir como suma de dos números compuestos. 96. Encontrar todos los números primos que dividen a 70! 97. Consideremos el conjunto S = {3n + 1 : n ∈ N}. Un elemento de S lo llamaremos primo si no puede ser factorizado como producto de al menos dos elementos de S. a) Demostrar que cualquier elemento de S es primo o es un producto de primos. b) Con un ejemplo demostrar que existen elementos en S que tienen diferentes factorizaciones. 98. Encontrar los valores de n para los cuales n4 + 4 es un número primo. Sugerencia: n4 + 4 = n4 + 4n2 + 4 − 4n2 . 33 99. Mostrar que si p es primo, entonces p | np − n para todo n ∈ Z. 100. Sean p, q primos diferentes. Entonces mcd(pn , q m ) = 1 para n, m ∈ N. 101. Mostrar que si p es primo y p > 3, entonces p es de la forma 6n ± 1. 102. Mostrar que si p es primo y mcd(j, p) = 1 entonces mcd(kp + j, p) = 1 para todo k ∈ Z. 103. Mostrar que la única terna de números primos impares consecutivos es 3, 5, 7. Concluir que el único número primo que es suma y diferencia de dos números primos es 5. 104. a) Sea f (x) = x2 + x + 11. Verificar que f (n) es un número primo para n = 0, 1, ..., 9 y f (10) no es primo. b) Sea f (x) = x2 + x + 17. Verificar que f (n) es un número primo para n = 0, 1, ..., 15 y f (16) no es primo. c) Acerca de la existencia de otros polinomios cuadráticos que representan algunos números primos, sugerimos al lector ver el bello artı́culo de Paulo Ribenboim [32]. 105. Dos números primos p < q se llaman primos gemelos si q − p = 2. No se sabe si existe una infinidad de ellos. Supongamos que p < q son primos gemelos. a) Demostrar que los números 2027 y 2029 son primos gemelos. b) Demostrar que pq + 1 es un cuadrado perfecto. c) Demostrar que si p > 3, entonces 12 | p + q. 106. Mostrar que no existe un polinomio f (x) ∈ Z[x] \ Z tal que f (n) es un número primo para toda n ∈ N. 107. Sea f (x) = a0 +a1 x+. . .+an xn un polinomio no constante con coeficientes en Z y a0 6= 0. Mostrar que si x0 ∈ Z es tal que f (x0 ) = 0, entonces x0 | a0 . Concluir que f (x) tiene un número finito de raı́ces enteras. Si a0 = 0 entonces ¿cómo se obtiene la misma conclusión? 108. Fermat observó que el problema de factorizar un entero impar n es equivalente a encontrar al menos una solución en los enteros x, y de la ecuación n = x2 − y 2 . Obviamente la solubilidad de la ecuación anterior produce factores de n. Consideremos a, b, n ∈ N tal que 1 < a < b < n y n = ab. Mostrar que si n es impar, entonces n se puede representar como una diferencia de dos cuadrados perfectos. 109. Mostrar que la ecuación an + bn = cn no tiene soluciones enteras positivas n n con a y b impares y n par. Sugerencia: an − 1 = (a 2 − 1)(a 2 + 1), donde los factores son números pares consecutivos, uno de ellos es divisible por 4. 34  o a1 a2 : ai ∈ Z . Mostrar a3 a4 que la ecuación matricial X n + Y n = Z n tiene solución en M2×2 (Z). ¿Se puede generalizar a matrices de tamaño k × k? 110. Consideremos las matrices M2×2 (Z) = n 111. Sean a, b, m ∈ Z tal que mcd(a, b) = 1 y m 6= 0. Mostrar que la sucesión a + bk contiene una infinidad de números primos relativos con m. 112. Sea p un número primo que se puede escribir como la suma de dos cuadrados. Demostrar que p es de la forma 4n + 1. 113. [Algoritmo de la División Modificado] En el Teorema 2.1 mostramos que si a, b, ∈ Z con a 6= 0, entonces existen enteros q y r únicos tal que b = aq + r donde 0 ≤ r < |a|. El algoritmo de la división modificado lo establecemos como sigue: Sean a, b, ∈ Z con a 6= 0. Existen enteros q y r tal que b = aq + r donde 0 ≤ |r| < |a|. Por ejemplo, si a = 7 y b = 4, entonces b = 7 · 0 + 4 = 7 · 1 + (−3) con |4|, | − 3| < |7|. Observamos que en este caso el cociente y el residuo no son únicos y sin embargo los residuos satisfacen que su valor absoluto es menor que |a|. a) Demostrar el algoritmo de la división modificado. b) Demostrar que el cociente y el residuo son únicos si y sólo si |a + b| ≤ max{|a|, |b|}. c) ¿Será cierta la siguiente versión del algoritmo de la división en Z?: Sean a, b, ∈ Z con a 6= 0. Existen enteros q y r tal que b = aq + r, donde 0 ≤ |r|2 < |a|2 . Si en lugar de usar | |2 usamos | |n ¿qué sucede? d) ¿Se podrá calcular el mcd de dos enteros con alguno de los algoritmos de la división definidos anteriormente? Bibliografı́a [1] Alford W. R., Granville A., Pomerance C. There are infinitely many Carmichael numbers, Ann. of Math. 139 (1994), no. 3, 703-722. [2] Apostol,T., Calculus, Volumen II, segunda edición, Reverté 1980. [3] Clark, D.A., A quadratic field which is euclidean but not norm-euclidean, Manuscripta math. 83 (1994), 327-330. 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