Aritmética entera y modular

En este bloc mostramos los comandos básicos para trabajar con aritmética entera modular.

Cociente y resto

Dados dos enteros \(a\) y \(b\), el resto de dividir \(a\) entre \(b\) se puede calcular usando el comando mod.

-3 mod 5;

Así el cociente se puede calcular como sigue

(-3-(-3 mod 5))/5;

-1

En cualquier dominio euclídeo también se puede utilizar QuotientRemainder.

QuotientRemainder(Integers,-3,5);

[ 0, -3 ]

Si en gap escribimos \(-3/5\), el resultado es un racional, y si usamos el comando Int, obtenemos la parte entera de ese racional.

Int(-3/5);

Máximo común divisor y mínimo común múltiplo. Coeficientes de Bézout

El máximo común divisor de dos enteros (o más) puede ser calculado con el comando Gcd, y su mínimo común múltiplo con el comando Lcm.

Gcd(3,-5);

Lcm(3,-15);

Si queremos conseguir los coeficientes de Bézout, podemos usar el comando GcdRepresentation (entre las muchas posibilidades que da gap para esto).

l:=GcdRepresentation(3,-5);

[ 2, 1 ]

l*[3,-5];

GcdRepresentation(10,15,18);

[ 7, -7, 2 ]

Ecuaciones diofánticas lineales

Como ya sabemos, una vez resuelto el problema de encontrar los coeficientes de Bézout de un máximo común divisor de dos enteros, tenemos también solución para resolver una ecuación diofántica. Lo único que tenemos que comprobar es si el término independiente es divisible por el máximo común divisor de los coeficientes, y luego multiplicar los coeficientes de Bézout por el factor apropiado para conseguir una solución particular.

Si queremos resolver \(10x+25 y= 45\), hacemos lo siguiente.

Gcd(10,25);

Que divide a \(45\). Luego una solución se obtiene fácilmente usando los coeficientes de Bézout.

s:=GcdRepresentation(10,25)*45/Gcd(10,25);

[ -18, 9 ]

Podemos ver que el resultado es el correcto.

l*[10,25];

Factorizaciones y primos

Para factorizar un entero en producto de primos podemos usar el comando Factors.

Factors(100);

[ 2, 2, 5, 5 ]

También podemos saber si un número es primo usando el comando IsPrime.

IsPrime(10);

false

Primes es una lista que contiene los primos menores que mil.

Length(Primes);

Primes[168];

Los primeros \(40\) primos:

Primes{[1..40]};

[ 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 ]

Como ya vimos en en el bloc de primeros pasos, podemos usar Filtered para obtener primos en un rango determinado.

Filtered([1000..10000], IsPrime);

[ 1009, 1013, 1019, 1021, 1031, 1033, 1039, 1049, 1051, 1061, 1063, 1069, 1087, 1091, 1093, 1097, 1103, 1109, 1117, 1123, 1129, 1151, 1153, 1163, 1171, 1181, 1187, 1193, 1201, 1213, 1217, 1223, 1229, 1231, 1237, 1249, 1259, 1277, 1279, 1283, 1289, 1291, 1297, 1301, 1303, 1307, 1319, 1321, 1327, 1361, 1367, 1373, 1381, 1399, 1409, 1423, 1427, 1429, 1433, 1439, 1447, 1451, 1453, 1459, 1471, 1481, 1483, 1487, 1489, 1493, 1499, 1511, 1523, 1531, 1543, 1549, 1553, 1559, 1567, 1571, 1579, 1583, 1597, 1601, 1607, 1609, 1613, 1619, 1621, 1627, 1637, 1657, 1663, 1667, 1669, 1693, 1697, 1699, 1709, 1721, 1723, 1733, 1741, 1747, 1753, 1759, 1777, 1783, 1787, 1789, 1801, 1811, 1823, 1831, 1847, 1861, 1867, 1871, 1873, 1877, 1879, 1889, 1901, 1907, 1913, 1931, 1933, 1949, 1951, 1973, 1979, 1987, 1993, 1997, 1999, 2003, 2011, 2017, 2027, 2029, 2039, 2053, 2063, 2069, 2081, 2083, 2087, 2089, 2099, 2111, 2113, 2129, 2131, 2137, 2141, 2143, 2153, 2161, 2179, 2203, 2207, 2213, 2221, 2237, 2239, 2243, 2251, 2267, 2269, 2273, 2281, 2287, 2293, 2297, 2309, 2311, 2333, 2339, 2341, 2347, 2351, 2357, 2371, 2377, 2381, 2383, 2389, 2393, 2399, 2411, 2417, 2423, 2437, 2441, 2447, 2459, 2467, 2473, 2477, 2503, 2521, 2531, 2539, 2543, 2549, 2551, 2557, 2579, 2591, 2593, 2609, 2617, 2621, 2633, 2647, 2657, 2659, 2663, 2671, 2677, 2683, 2687, 2689, 2693, 2699, 2707, 2711, 2713, 2719, 2729, 2731, 2741, 2749, 2753, 2767, 2777, 2789, 2791, 2797, 2801, 2803, 2819, 2833, 2837, 2843, 2851, 2857, 2861, 2879, 2887, 2897, 2903, 2909, 2917, 2927, 2939, 2953, 2957, 2963, 2969, 2971, 2999, 3001, 3011, 3019, 3023, 3037, 3041, 3049, 3061, 3067, 3079, 3083, 3089, 3109, 3119, 3121, 3137, 3163, 3167, 3169, 3181, 3187, 3191, 3203, 3209, 3217, 3221, 3229, 3251, 3253, 3257, 3259, 3271, 3299, 3301, 3307, 3313, 3319, 3323, 3329, 3331, 3343, 3347, 3359, 3361, 3371, 3373, 3389, 3391, 3407, 3413, 3433, 3449, 3457, 3461, 3463, 3467, 3469, 3491, 3499, 3511, 3517, 3527, 3529, 3533, 3539, 3541, 3547, 3557, 3559, 3571, 3581, 3583, 3593, 3607, 3613, 3617, 3623, 3631, 3637, 3643, 3659, 3671, 3673, 3677, 3691, 3697, 3701, 3709, 3719, 3727, 3733, 3739, 3761, 3767, 3769, 3779, 3793, 3797, 3803, 3821, 3823, 3833, 3847, 3851, 3853, 3863, 3877, 3881, 3889, 3907, 3911, 3917, 3919, 3923, 3929, 3931, 3943, 3947, 3967, 3989, 4001, 4003, 4007, 4013, 4019, 4021, 4027, 4049, 4051, 4057, 4073, 4079, 4091, 4093, 4099, 4111, 4127, 4129, 4133, 4139, 4153, 4157, 4159, 4177, 4201, 4211, 4217, 4219, 4229, 4231, 4241, 4243, 4253, 4259, 4261, 4271, 4273, 4283, 4289, 4297, 4327, 4337, 4339, 4349, 4357, 4363, 4373, 4391, 4397, 4409, 4421, 4423, 4441, 4447, 4451, 4457, 4463, 4481, 4483, 4493, 4507, 4513, 4517, 4519, 4523, 4547, 4549, 4561, 4567, 4583, 4591, 4597, 4603, 4621, 4637, 4639, 4643, 4649, 4651, 4657, 4663, 4673, 4679, 4691, 4703, 4721, 4723, 4729, 4733, 4751, 4759, 4783, 4787, 4789, 4793, 4799, 4801, 4813, 4817, 4831, 4861, 4871, 4877, 4889, 4903, 4909, 4919, 4931, 4933, 4937, 4943, 4951, 4957, 4967, 4969, 4973, 4987, 4993, 4999, 5003, 5009, 5011, 5021, 5023, 5039, 5051, 5059, 5077, 5081, 5087, 5099, 5101, 5107, 5113, 5119, 5147, 5153, 5167, 5171, 5179, 5189, 5197, 5209, 5227, 5231, 5233, 5237, 5261, 5273, 5279, 5281, 5297, 5303, 5309, 5323, 5333, 5347, 5351, 5381, 5387, 5393, 5399, 5407, 5413, 5417, 5419, 5431, 5437, 5441, 5443, 5449, 5471, 5477, 5479, 5483, 5501, 5503, 5507, 5519, 5521, 5527, 5531, 5557, 5563, 5569, 5573, 5581, 5591, 5623, 5639, 5641, 5647, 5651, 5653, 5657, 5659, 5669, 5683, 5689, 5693, 5701, 5711, 5717, 5737, 5741, 5743, 5749, 5779, 5783, 5791, 5801, 5807, 5813, 5821, 5827, 5839, 5843, 5849, 5851, 5857, 5861, 5867, 5869, 5879, 5881, 5897, 5903, 5923, 5927, 5939, 5953, 5981, 5987, 6007, 6011, 6029, 6037, 6043, 6047, 6053, 6067, 6073, 6079, 6089, 6091, 6101, 6113, 6121, 6131, 6133, 6143, 6151, 6163, 6173, 6197, 6199, 6203, 6211, 6217, 6221, 6229, 6247, 6257, 6263, 6269, 6271, 6277, 6287, 6299, 6301, 6311, 6317, 6323, 6329, 6337, 6343, 6353, 6359, 6361, 6367, 6373, 6379, 6389, 6397, 6421, 6427, 6449, 6451, 6469, 6473, 6481, 6491, 6521, 6529, 6547, 6551, 6553, 6563, 6569, 6571, 6577, 6581, 6599, 6607, 6619, 6637, 6653, 6659, 6661, 6673, 6679, 6689, 6691, 6701, 6703, 6709, 6719, 6733, 6737, 6761, 6763, 6779, 6781, 6791, 6793, 6803, 6823, 6827, 6829, 6833, 6841, 6857, 6863, 6869, 6871, 6883, 6899, 6907, 6911, 6917, 6947, 6949, 6959, 6961, 6967, 6971, 6977, 6983, 6991, 6997, 7001, 7013, 7019, 7027, 7039, 7043, 7057, 7069, 7079, 7103, 7109, 7121, 7127, 7129, 7151, 7159, 7177, 7187, 7193, 7207, 7211, 7213, 7219, 7229, 7237, 7243, 7247, 7253, 7283, 7297, 7307, 7309, 7321, 7331, 7333, 7349, 7351, 7369, 7393, 7411, 7417, 7433, 7451, 7457, 7459, 7477, 7481, 7487, 7489, 7499, 7507, 7517, 7523, 7529, 7537, 7541, 7547, 7549, 7559, 7561, 7573, 7577, 7583, 7589, 7591, 7603, 7607, 7621, 7639, 7643, 7649, 7669, 7673, 7681, 7687, 7691, 7699, 7703, 7717, 7723, 7727, 7741, 7753, 7757, 7759, 7789, 7793, 7817, 7823, 7829, 7841, 7853, 7867, 7873, 7877, 7879, 7883, 7901, 7907, 7919, 7927, 7933, 7937, 7949, 7951, 7963, 7993, 8009, 8011, 8017, 8039, 8053, 8059, 8069, 8081, 8087, 8089, 8093, 8101, 8111, 8117, 8123, 8147, 8161, 8167, 8171, 8179, 8191, 8209, 8219, 8221, 8231, 8233, 8237, 8243, 8263, 8269, 8273, 8287, 8291, 8293, 8297, 8311, 8317, 8329, 8353, 8363, 8369, 8377, 8387, 8389, 8419, 8423, 8429, 8431, 8443, 8447, 8461, 8467, 8501, 8513, 8521, 8527, 8537, 8539, 8543, 8563, 8573, 8581, 8597, 8599, 8609, 8623, 8627, 8629, 8641, 8647, 8663, 8669, 8677, 8681, 8689, 8693, 8699, 8707, 8713, 8719, 8731, 8737, 8741, 8747, 8753, 8761, 8779, 8783, 8803, 8807, 8819, 8821, 8831, 8837, 8839, 8849, 8861, 8863, 8867, 8887, 8893, 8923, 8929, 8933, 8941, 8951, 8963, 8969, 8971, 8999, 9001, 9007, 9011, 9013, 9029, 9041, 9043, 9049, 9059, 9067, 9091, 9103, 9109, 9127, 9133, 9137, 9151, 9157, 9161, 9173, 9181, 9187, 9199, 9203, 9209, 9221, 9227, 9239, 9241, 9257, 9277, 9281, 9283, 9293, 9311, 9319, 9323, 9337, 9341, 9343, 9349, 9371, 9377, 9391, 9397, 9403, 9413, 9419, 9421, 9431, 9433, 9437, 9439, 9461, 9463, 9467, 9473, 9479, 9491, 9497, 9511, 9521, 9533, 9539, 9547, 9551, 9587, 9601, 9613, 9619, 9623, 9629, 9631, 9643, 9649, 9661, 9677, 9679, 9689, 9697, 9719, 9721, 9733, 9739, 9743, 9749, 9767, 9769, 9781, 9787, 9791, 9803, 9811, 9817, 9829, 9833, 9839, 9851, 9857, 9859, 9871, 9883, 9887, 9901, 9907, 9923, 9929, 9931, 9941, 9949, 9967, 9973 ]

Congruencias

Para resolver una ecuación en recurrencias podemos usar GcdRepresentation como hicimos arriba con una ecuación diofántica lineal.

Si lo que queremos es resolver un sistema de congruencias de la forma [ \[\begin{array}{l} x\equiv a_1\bmod m_1,\\ \dots\\ x\equiv a_n\bmod m_n, \end{array}\]

] entonces podemos usar el comando ChineseRem, cuyo primer argumento es la lista de módulos y el segundo una lista (con la misma longitud) de residuos.

Así, para resolver [ \[\begin{array}{l} x\equiv 3\bmod 14,\\ x\equiv 7 \bmod 16, \end{array}\]

] hacemos lo siguiente.

ChineseRem([14,16],[3,7]);

Podemos comprobar el resultado:

List([14,16], x-> 87 mod x);

[ 3, 7 ]

Anillos \(\mathbb{Z}_n\)

La función ZmodnZ nos permite definir en gap el anillo de enteros módulo el argumento entero que le pasemos.

InstallMethod(ViewString,[IsZmodnZObj],String);

A:=ZmodnZ(10);

<monoid>

El uno de un anillo (el elemento neutro del producto) se calcula con el comando One.

 uno:=One(A);

ZmodnZObj(1,10)

Podemos hacer operaciones elementales en ese anillo, como calcular inversos, sumar elementos… Usamos Int para que lo represente como un entero.

Int(1/(3*uno));

Int(2*uno+6/3*uno);

Si un elemento no tiene inverso, devuelve fail.

1/2*uno;

fail

Podemos usar también Inverse.

Int(Inverse(3*uno));

Y extraer así el conjunto de unidades de \({\mathbb Z}_{10}\).

Filtered([1..9],n->Inverse(n*uno)<>fail);

[ 1, 3, 7, 9 ]

Que también se puede obtener con PrimeResidues.

PrimeResidues(10);

[ 1, 3, 7, 9 ]

O bien con Units:

U:=Units(A);

<group of size 4 with 1 generators>

Podemos ver los elementos de este grupo con Elements o con List.

Elements(U);

[ ZmodnZObj(1,10), ZmodnZObj(3,10), ZmodnZObj(7,10), ZmodnZObj(9,10) ]

List(Units(A), Int);

[ 1, 3, 7, 9 ]

1/Elements(U)[2];

ZmodnZObj(7,10)

La función \(\varphi\) de Euler (función tociente) se expresa como Phi en gap.

Phi(10);

Es más podemos usar el filtro IsField para ver is un anillo es un cuerpo.

IsField(A);

false

IsField(ZmodnZ(5));

true