From: Peter Schaefer Date: Sat, 12 May 2012 10:27:54 +0000 (+0200) Subject: merged X-Git-Url: https://git.leopard-lacewing.eu/?a=commitdiff_plain;h=5d2292132ff07f8f914e4b8e3d1150ea4be33dcb;p=zahlenTA.git merged --- 5d2292132ff07f8f914e4b8e3d1150ea4be33dcb diff --cc .gitignore index b0805a5,7947a26..bab5924 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@@ -1,6 -1,4 +1,7 @@@ -Vorlesung.aux -Vorlesung.log -Vorlesung.dvi -Vorlesung.toc +*.aux +*.log +*.tmp +*.dvi +*.*~ +*.toc ++*.pyc diff --cc UE/ue3.tex index d9ea930,70a8ae2..0000000 deleted file mode 100644,100644 --- a/UE/ue3.tex +++ /dev/null @@@ -1,108 -1,279 +1,0 @@@ --\documentclass[a4paper,10pt,fleqn]{article} --\usepackage[utf8x]{inputenc} --\usepackage{amsmath,amssymb,ulsy} --\usepackage{fullpage} - -\usepackage{txfonts} --\usepackage[ngerman]{babel} --\usepackage{fixltx2e} %Deutschsprach Bugs --%\usepackage[T1]{fontenc} --%\usepackage{lmodern} --\usepackage{amsthm} --\usepackage{graphicx} --\usepackage{fancyhdr} - \usepackage{color} - % \usepackage{emaxima} -\usepackage{emaxima} --%\usepackage{ngerman} -- -\pagestyle{fancy} -\chead{3. Übung ZtuA} -\rhead{Mi, 9. Mai 2012} -- --\def\P{\mathbb{P}} --\def\N{\mathbb{N}} --\def\R{\mathbb{R}} --\def\Z{\mathbb{Z}} --\def\oder{\vee} --\def\und{\wedge} -- --\def\kgV{\text{kgV}} --\def\ggT{\text{ggT}} --\def\sgn{\text{sgn}} --%opening --\title{$3$. Übung ZtuA} --\author{} -- --\begin{document} - \maketitle - --%\section*{$3$. Übung} --\subsection*{$13$. Aufgabe} --{\texttt{Man beweise, dass es je unendlich viele Primzahlen der Form a) 4k+3 und b) 4k+1 gibt. (Hinweis: Man verwende dazu jeweils eine geeignete Variante des klassischen Beweises von Euklid über die Unendlichkeit der Menge der Primzahlen, wobei speziell für den Beweisteil b) der erste Ergänzungssatz benötigt wird.)} \newline -- \begin{enumerate} -- \item[(a)] Angenommen, die Menge aller Primzahlen der Form $4k+3$, d.h. $p_{1}, \ldots, p_{n}$ sind alle. $7 \equiv 3 \mod 4$, daher ist diese Menge nichtleer. Definiere -- \begin{equation} -- m:=4p_{1} \ldots p_{n} - 1 \equiv 3 \mod 4 -- \end{equation} --insbesondere ist $m$ ungerade. Nun gilt --\begin{equation} -- \forall i: p_{i} < 2 p_{i} < 3p_{i} - 1 < 4p_{1} \ldots p_{n} - 1 --\end{equation} - Nach dem Fundamentalsatz der Zahlentheorie hat $m$ mindestens einen Primteiler $p$. Dieses $p$ kann nicht von der Form $4k+1$ sein, da sonst der Rest $-1$ bleiben würde. Daher hat $m$ nur Primteiler der Form $4k+1$, woraus folgt, dass $m \equiv 1 \mod 4$ ist, was ein Widerspruch zur Konstruktion von $m$ ist. -Nach dem Fundamentalsatz der Zahlentheorie hat $m$ mindestens einen Primteiler $p$. Dieses $p$ kann nicht von der Form $4k+1$ sein, da sonst der Rest $-1$ bleiben würde. Daher hat $m$ nur Primteiler der Form $4k+1$, woraus folgt, dass $m \equiv 1 \mod 4$ ist, was ein Widerspruch zur Konstruktion von $m$ ist. \newline -(Anders: $m \equiv 3 \mod 4$, d.h. m kann nicht nur Primfaktoren der Form $4k+1$ haben, sei $p \equiv 3 \mod 4 \land p \mid m \Rightarrow p \mid 1$. WS!) --\item[(b)] Angenommen, es gibt nur endlich viele Primzahlen der Form $4k+1$, diese seien $p_{1}, \ldots, p_{r}$. $5 \equiv 1 \mod 4$, daher $r\geq 1$. Mit -- \begin{equation} -- \alpha \equiv 1 \mod 4 \land \beta \equiv 1 \mod 4 \Rightarrow \alpha \beta \equiv 1 \mod 4, -- \end{equation} --erhält man für $n$: --\begin{equation} - n:=\left(2p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} +1 = \left(p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} + 1 \Rightarrow n \equiv 1 \mod 4 -n:=\left(2p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} +1 = 4 \left( p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} + 1 \Rightarrow n \equiv 1 \mod 4 --\end{equation} --Sei $p \in \P \land p \mid n$ (nach dem Fundamentalsatz der Zahlentheorie): --\begin{equation} - \forall i \in \lbrace 1 , \ldots, r \rbrace: p \neq p_{i} \textsl{ (da Rest 1 bleibt) } -\forall i \in \lbrace 1 , \ldots, r \rbrace: p \neq p_{i} \textsl{ (da Rest 1 bleibt) } --\end{equation} - \end{enumerate} - --Insbesondere folgt daraus, dass $p \equiv 3 \mod 4$. Man erhält also die folgende Kongruenz: --\begin{equation} - \left(2p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} equiv -1 \mod p4, -\left( 2p_{1} \cdots p_{r} \right)^{2} \equiv -1 \mod p, --\end{equation} --es ist also $-1$ quadratischer Rest $\mod p$. Dies steht nun im Widersrpuch zum 1. Ergänzungssatz. - \end{enumerate} -- - \subsection{$15$. Aufgabe} -\newpage -\subsection*{$14$. Aufgabe} -{\texttt{(``Briefmarkenproblem'') Unter der Annahme, dass man von zwei Briefmarkensorten mit den Werten $a$ und $b$, wobei $a,b>0$ ganz und teilerfremd vorausgesetzt werden, beliebig viele Briefmarken zur Verfügung hat, zeige man, dass ab einer gewissen Schranke $s$ jede ganzzahlige Frankierung damit möglich ist. Was ist die kleinste derartige Schranke? (Hinweis: Man verwende zunächst den Chinesischen Restsatz, um zu zeigen, dass die Menge $S=\lbrace ax+by \mid 0 \leq x < b, 0 \leq y < a \rbrace$ ein volles Restsystem $\mod ab$ ist und betrachte dann die Partition $S=S_{0} \cup S_{1}$ von $S$, wobei $S_{0} = \lbrace x \in S \mid x ab$ folgt, dass $S_{0} \neq \emptyset, S_{1} \neq \emptyset$. -Sei nun $n \in \N \implies \exists k \in \N: n = k \cdot (ab) + r \land 0 \leq r < ab$. Ist $k \geq 1$, so kann man n sicher mit Hilfe des vollen Restsystems und der Abschätzung \eqref{abschS} darstellen. Die größte nicht darstellbare Zahl $\mod ab$ ist $2ab-a-b-1 \Rightarrow s = (a-1)(b-1)$. - -\newpage -\subsection*{$15$. Aufgabe} --{\texttt{Man zeige: Ist $p \in \P$ der Form $4k+3 \Rightarrow x^{2} \equiv -1 \mod p$ ist sicher nicht lösbar, ist $p$ der Form $4k+1$, so ist $x_{0} := \left( \frac{p-1}{2} \right)! \mod p$ eine Lösung. (Hinweis: Für den ersten Teil Primitivwurzel $\mod p$, und über Potenzen von g argumierentieren. Für den zweiten Teil zeige zunächst $x_{0}^{2} \equiv (p-1)! \mod p$ und zeige dann $(p-1)! \equiv -1 \mod p$). }} \newline --Sei $p \in \P$ und $p \equiv 3 \mod 4$. Nach dem Satz von Gauß existiert eine Primitivwurzel $ g \mod p$. -Weiters hat das Polynom $x^{2} - 1 = 0$ genau zwei verschiedene Lösungen in $\Z_{p}$, nämlich $\pm 1$. Nun gilt -\begin{equation} -g^{\left( \frac{p-1}{2} \right)^{2}} \equiv 1 \mod n \Rightarrow g^{\left( \frac{p-1}{2} \right)} = \pm 1 \mod p -\end{equation} -Da $g$ nach Voraussetzung die Ordnung $p-1$ hat, folgt -\begin{equation} -g^{\left( \frac{p-1}{2} \right) } \neq 1 \implies g^{\left( \frac{p-1}{2} \right)} \equiv -1 \mod p -\end{equation} -Aus -\begin{subequations} -\begin{align} -p \equiv 3 \mod 4 \Rightarrow p-1 \equiv 2 \mod 4 \\ -\Rightarrow \exists j \in \N: p-1 = 4j+2 \\ -\Rightarrow \frac{p-1}{2} = \underbrace{2j+1}_{\textsl{ungerade}} -\end{align} -\end{subequations} -Nach Satz $3.2$ kann daher $-1$ kein quadratischer Rest modulo $p$ sein. -\paragraph{} -Sei nun $p \in \P \land p \equiv 1 \mod 4$. Es gilt -\begin{subequations} -\begin{align} -p-1 \equiv -1 \mod p \\ -p-2 \equiv -2 \mod p \\ -\vdots \\ -p-\frac{p-1}{2} \equiv \frac{p+1}{2} \\ -\Rightarrow \left( \frac{p-1}{2} \right) ! \equiv (p-1)\cdot (p-2) \cdots (\frac{p+1}{2}) -\end{align} -\end{subequations} -Weiters gilt -\begin{equation} -a \in \Z_{p}^{*}: \exists! a^{-1} \in \Z_{p}^{*} : a \cdot a^{-1} \equiv 1 \mod p -\end{equation} -Die Zahlen $1$ und $p-1$ sind klarerweise selbstinvers. Die Zahlen $2,\cdots, p-2$ gilt $\vert \lbrace 2,3,\cdots, p-2 \rbrace \vert = p-3$, $p-3$ ist gerade, daher finden sich immer zwei, welche zueinander invers sind. Daher folgt -\begin{subequations} -\begin{align} -1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots p-2 \equiv 1 \mod p \\ -1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots p-2 \cdot p-1 \equiv p-1 \equiv -1 \mod p -\end{align} -\end{subequations} - -\newpage -\subsection*{$16$. Aufgabe} -{\texttt{Man berechne die Legendresymbole (700/769) und (1215/1381) zuerst ohne und dann mit Verwendung von Jacobisymbolen.}} \newline -Zuest ist Folgendes zu überprüfen, um von Legendre- bzw Jacobisymbolen sprechen zu können: -\begin{maxima} -primep(769); -primep(1381); -\maximaoutput* -\m \mathbf{true} \\ -\m \mathbf{true} \\ -\end{maxima} -Mit Legendresymbol: -\begin{subequations} -\begin{align} -\left( \frac{700}{769} \right)_{L} = \left( \frac{2^{2} 5^{2} 7}{769} \right)_{L} = \left( \frac{7}{769} \right)_{L} = \\ -= \left( \frac{769}{7} \right)_{L} = \left( \frac{6}{7} \right)_{L} = \left( \frac{-1}{7} \right)_{L} = -1 -\end{align} -\end{subequations} -Mit Jacobisymbol: -\begin{subequations} -\begin{align} -\left( \frac{700}{769} \right)_{J} = \left( \frac{2^{2} 175}{769} \right)_{J} = \left( \frac{175}{769} \right)_{J} = \left( \frac{769}{175} \right)_{J} = \left( \frac{69}{175} \right)_{J} = \left( \frac{175}{69} \right)_{J} = \left( \frac{37}{69} \right)_{J} = \\ -=\left( \frac{69}{37} \right)_{J} = \left( \frac{32}{37} \right)_{J} = \left( \left( \frac{2}{37} \right)_{J} \right)^{5} = \left( \frac{2}{37} \right)_{J} = -1 -\end{align} -\end{subequations} -Mit Legendresymbol -\begin{subequations} -\begin{align} -\left( \frac{1215}{1381} \right)_{L} = \left( \frac{3^{5} 5}{1381} \right)_{L} = \left( \frac{3}{1381} \right)_{L}^{5} \cdot \left( \frac{5}{1381} \right)_{L} = \left( \frac{3}{1381} \right)_{L} \cdot \left( \frac{5}{1381} \right)_{L} = \\ -= \left( \frac{1381}{3} \right)_{L} \cdot \left( \frac{1381}{5} \right)_{L} = \left( \frac{1}{3} \right)_{L} \cdot \left( \frac{1}{5} \right)_{L} = 1 -\end{align} -\end{subequations} -Mit Jacobisymbol: --\begin{subequations} --\begin{align} -\left( \frac{1215}{1381} \right)_{J} = \left( \frac{1381}{1215} \right)_{J} = \left( \frac{166}{1215} \right)_{J} = \left( \frac{2 \cdot 83}{1215} \right)_{J} = \left( \frac{2}{1215} \right)_{J} \cdot \left( \frac{83}{1215} \right)_{J} = \\ -\stackrel{1215 \equiv -1 \mod 8} = \left( \frac{83}{1215} \right)_{J} = \left( \frac{1215}{83} \right)_{J} = \left( \frac{53}{83} \right)_{J} = \left( \frac{83}{53} \right)_{J} = \left( \frac{30}{53} \right)_{J} = \left( \frac{2}{53} \right)_{J} \cdot \left( \frac{15}{53} \right)_{J} = \\ -= - \left( \frac{53}{15} \right)_{J} = - \left( \frac{8}{15} \right)_{J} = - \left( \left( \frac{2}{15} \right)_{J} \right)^{4} = -1 --\end{align} -\end{subequations} - -\newpage -\subsection*{$17$. Aufgabe} -{\texttt{Man bestimme alle ungeraden Primzahlen $p$, für welche $10$ quadratischer Rest ist.}} \newline -Aus $10 = 2 \cdot 5$ erhält man aus Satz 3.2, (4): -\begin{equation}\label{starkeMultLegendre} -\left( \frac{10}{p} \right) = \left( \frac{2}{p} \right) \cdot \left( \frac{5}{p} \right) -\end{equation} -Daher ist $10$ genau dann quadratischer Rest, wenn beide Faktoren auf der rechten Seite von \eqref{starkeMultLegendre} gleich $1$, oder wenn beide gleich $-1$ sind. \newline -Betrachte den Fall $p = 5, p=2$ getrennt: $\left( \frac{10}{5} \right) = \left( \frac{10}{2} \right) = 0$. \newline -Sei $p \in \P \setminus \lbrace 2,5 \rbrace$: -\begin{itemize} -\item Seien beide Faktoren gleich $1$. Dann folgt aus Satz 3.5, dem 2. Ergänzungssatz, dass $p \equiv \pm 1 \mod 8$ gilt. Da $5 \equiv 1 \mod 4$, erhält man aus dem Quadratischen Reziprozitätsgesetz: -\begin{equation} -\left( \frac{5}{p} \right) = \left( \frac{p}{5} \right) -\end{equation} -Eine ungerade Primzahl $p \neq 5$ ist kongruent zu $1,2,3,4 \mod p$. Es gilt -\begin{equation} -\left( \frac{1}{5} \right) = 1, \left( \frac{2}{5} \right) = -1, \left( \frac{3}{5} \right) = -1, \left( \frac{4}{5} \right) = 1 -\end{equation} -Daher muss notwendigerweise gelten: $p \equiv \pm 1 \mod 5$. -Zusammen erhält man also, dass aus $p \equiv \pm 1 \mod 8 \land p \equiv \pm 1 \mod 5$ folgt, dass $\left( \frac{10}{p} \right) = 1$. Man erhält mit dem Chinesischen Restsatz folgendes System: -\begin{subequations} -\begin{cases} p \equiv \pm 1 \mod 40 \\ p \equiv \pm 9 \mod 40 \end{cases} -\end{subequations} -\item Seien beide Faktoren gleich $-1$. Daher ist $p \equiv \pm 3 \mod 8 \land \left( p \equiv \pm 2 \mod 5 \right)$. Man erhält daher mit dem Chinesischen Restsatz: -\begin{subequations} -\begin{cases} p \equiv \pm 3 \mod 40 \\ p \equiv \pm 13 \mod 40 \end{cases} --\end{subequations} -\end{itemize} -Weiters beachte man $\varphi(40)=\varphi(5 \cdot 8 )=4 \cdot 4 = 16$. -\newpage --\subsection*{$18$. Aufgabe} --{\texttt{Man zeige: Ist $p$ eine Primzahl, sodass auch $q=2p+1$ prim ist, so teilt $q$ entweder $2^{p}-1$ oder $2^{p}+1$ und zwar in Abhängigkeit davon, ob $2$ quadratischer Rest $\mod q$ ist oder nicht. (Für welche Mersenn'sche Zahlen $2^{p}-1$ mit $p<100$ sieht man so sofort, dass sie zusammengesetzt sind?).}} \newline --\begin{enumerate} --\item Sei $\left( \frac{2}{q} \right) = 1$, d.h. sei $2$ quadratischer Rest $\mod q$. Daher -- \begin{equation} -- \left( \frac{2}{q} \right) = 1 \implies \exists x \in \Z_{q}: x^{2} \equiv 2 \mod q -- \end{equation} --Setzt man diese Tatsache ein, erhält man --\begin{equation} -- 2^{p}-1=\left( x^{2} \right)^{p} - 1 = x^{2p} -1 --\end{equation} --Aus dem kleinen Fermat erhält man nun direkt --\begin{equation} -- x^{(2p+1)-1} = x^{2p} \equiv 1 \mod 2p+1 \Rightarrow x^{2p}-1 \equiv 0 \mod q \Rightarrow q \mid 2^{p}-1 --\end{equation} --\item Sei $\left( \frac{2}{q} \right) = -1$. Aus dem Euler'schen Kriterium erhält man nun sofort unter Beachtung von $\frac{q-1}{2} = p$, dass -- \begin{equation} -- \underbrace{2^{\frac{q-1}{2}}}_{\equiv -1 \mod q } +1 \equiv -1 + 1 \equiv 0 \mod q \Rightarrow q \mid 2^{p}+1 -- \end{equation} --\end{enumerate} - % \begin{maxima} - % for p:3 thru 97 step 1 do if primep(p) and primep(2*p+1) and power_mod(2,(p-1)/2,p) = 1 then ldisplay(p); - % for i in [23,41,89] do ldisplay(primep(2^i-1)); - % 618970019642690137449562111-341550071728321; - % \maximaoutput* - % \t9. p=23 \\ - % \t10. p=41 \\ - % \t11. p=89 \\ - % \m \mathbf{done} \\ - % \t12. \mathrm{primep}\left(8388607\right)=\mathbf{false} \\ - % \t13. \mathrm{primep}\left(2199023255551\right)=\mathbf{false} \\ - % \t14. \mathrm{primep}\left(618970019642690137449562111\right)=\mathbf{true} \\ - % \m \mathbf{done} \\ - % \m 618970019642348587377833790 \\ - % \end{maxima} -\begin{maxima} -for p:3 thru 97 step 1 do if primep(p) and primep(2*p+1) and power_mod(2,(p-1)/2,p) = 1 then ldisplay(p); -for i in [23,41,89] do ldisplay(primep(2^i-1)); -618970019642690137449562111-341550071728321; -\maximaoutput* -\t9. p=23 \\ -\t10. p=41 \\ -\t11. p=89 \\ -\m \mathbf{done} \\ -\t12. \mathrm{primep}\left(8388607\right)=\mathbf{false} \\ -\t13. \mathrm{primep}\left(2199023255551\right)=\mathbf{false} \\ -\t14. \mathrm{primep}\left(618970019642690137449562111\right)=\mathbf{true} \\ -\m \mathbf{done} \\ -\m 618970019642348587377833790 \\ -\end{maxima} --\end{document} diff --cc Vorlesung.pdf index da6b857,5f0d54b..20a5211 Binary files differ