diff --git a/.gitignore b/.gitignore index 58461f2..2df917e 100644 --- a/.gitignore +++ b/.gitignore @@ -1 +1,4 @@ -.ipynb_checkpoints \ No newline at end of file +.ipynb_checkpoints +*.aux +*.log +*.synctex.gz diff --git a/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.pdf b/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.pdf new file mode 100644 index 0000000..169e6a7 Binary files /dev/null and b/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.pdf differ diff --git a/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.tex b/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.tex new file mode 100644 index 0000000..7ef9fa0 --- /dev/null +++ b/Algebra/Articoli/4. Corollari di aritmetica modulare/corollari_di_aritmetica_modulare.tex @@ -0,0 +1,137 @@ +\documentclass[12pt]{scrartcl} +\usepackage{notes_2023} + +\begin{document} + \title{Corollari di aritmetica modulare} + \date{\today} + \maketitle + + In questo breve documento dimostro ognuno + dei seguenti teoremi di teoria dei numeri: + + \begin{enumerate}[(i)] + \item il teorema di Wilson, + \item il teorema di Wolstenholme, + \item il teorema di Lagrange (per i polinomi). + \end{enumerate} + + Questi teoremi si dimostrano facilmente anche senza l'uso dei risultati + principali della teoria dei gruppi e degli anelli. Tuttavia, la + loro vera natura è prettamente dovuta allo studio di queste due + teorie -- come si evince dalla brevità e dall'immediatezza delle + dimostrazioni. \bigskip + + + + Il prerequisito fondamentale per approcciare questi tre teoremi + è l'aver studiato il teorema di Lagrange di teoria dei gruppi + (quantomeno per dimostrare i primi due teoremi)\footnote{ + Oppure il suo più semplice corollario, il piccolo teorema di Fermat. + } e avere familiarità con gli anelli euclidei (per dimostrare + il teorema di Lagrange). \bigskip + + + Si presenta innanzitutto il seguente lemma: + + \begin{lemma} + Sia $p$ un numero primo. + Sia $q \in \ZZ[x]$ il polinomio tale per cui: + \[ + q(x) = (x-1)(x-2)\cdots(x-(p-1)). + \] + Allora, se + \[ + q(x) = x^{p-1} + a_{p-2} x^{p-2} + \ldots + a_1 x + a_0, \qquad a_i \in \ZZ,\;0 \leq i \leq p-1, + \] + vale che $\hat q(x) = x^{p-1} -1$, dove $\hat q$ è la proiezione in $\ZZ \quot p\ZZ$ di $q$. + \end{lemma} + + \begin{proof} + Per il teorema di Lagrange, vale che + $x^{p-1} - 1 \equiv 0 \pod p$ per ogni $x \in \ZZ \quot p\ZZ^*$, dal momento che + $\ZZ \quot p\ZZ^*$ è un gruppo moltiplicativo di ordine $p-1$. + Pertanto $\hat q$ e $x^{p-1} - 1$ hanno le stesse radici e + lo stesso grado, e sono dunque lo stesso polinomio, da cui la tesi. + \end{proof} + + \begin{theorem}[di Wilson] + Sia $p \in \NN^+$. Allora $(p-1)! \equiv -1 \pod p$ se e solo se $p$ è primo. + \end{theorem} + + \begin{proof} + Se $(p-1)! \equiv -1 \pod p$, allora ogni elemento di $\ZZ \quot p \ZZ$ è + invertibile, e quindi $\ZZ \quot p \ZZ$ sarebbe un campo; ciò è possibile + se e solo se $p$ è primo\footnote{ + Infatti un campo è prima di tutto un dominio. Se $p$ non fosse + primo, $\ZZ \quot p \ZZ$ ammetterebbe divisori di zero. + }. Se $p$ è primo, per il \textit{Lemma 1}, $\hat q(x) = x^{p-1} - 1$, e quindi + $p$ divide ogni $a_i$. Si + osserva allora che $a_0 = (-1)^{p-1} (p-1)!$ e che deve dunque valere: + \[ (-1)^{p-1} (p-1)! \equiv -1 \pod p. \] + Sia che $p$ sia uguale a $2$, sia che $p$ sia dispari, l'ultima equazione + implica che: + \[ (p-1)! \equiv -1 \pod p, \] + da cui la tesi. + \end{proof} + + \begin{theorem}[di Wolstenholme] + Sia $p \geq 5$ un numero primo. Allora il numeratore di: + \[ + S = 1 + \frac{1}{2} + \ldots + \frac{1}{p-1} + \] + è divisibile per $p^2$. + \end{theorem} + + \begin{proof} + Per il \textit{Lemma 1}, $p$ divide ogni $a_i$ di $q$. Si osserva + inoltre che $a_1$ è esattamente il numeratore di $S$. \medskip + + + Si computa $q$ in $p$: + \[ + q(p) = p^{p-1} + a_{p-2} p^{p-2} + \ldots + a_1 p + a_0. + \] + Analogamente: + \[ + q(p) = (p-1)(p-2) \cdots (p-(p-1)) = (p-1)! = (-1)^{p-1} a_0 = a_0, + \] + dove si è usato che $p \geq 5$ è dispari. Quindi + vale che: + \[ + p^{p-1} + a_{p-2} p^{p-2} + \ldots + a_1 p = 0, + \] + da cui: + \[ + a_1 p = -(p^{p-1} + \ldots + a_2 p^2). + \] + Poiché $p > 3$, $p^3$ divide il secondo membro dell'equazione, e quindi + $p^2$ divide $a_1$, da cui la tesi. + \end{proof} + + \begin{theorem}[di Lagrange, per i polinomi] + Sia $q$ un polinomio in $\ZZ[x]$ e sia $p$ un numero primo. + Allora vale una delle seguenti due affermazioni: + + \begin{itemize} + \item $p$ divide ogni coefficiente di $q$, + \item esistono al più $\deg q$ soluzioni incongruenti\footnote{ + Due soluzioni $x$, $y \in \ZZ$ si dicono incongruenti se + $x \not\equiv y \pod p$. + } di $q$ in + $\ZZ \quot p \ZZ$. + \end{itemize} + \end{theorem} + + \begin{proof} + Si consideri la proiezione in $\ZZ \quot p \ZZ$ di $q$, indicata + con $\hat q$. Poiché $p$ è primo, $\ZZ \quot p \ZZ$ è un campo, + e quindi $\ZZ \quot p \ZZ[x]$ è un anello euclideo. Pertanto, + se $\hat q$ è diverso da $0$, $\hat q$ ammette al più + $\deg \hat q$ soluzioni in $\ZZ \quot p \ZZ$. In particolare + vale che $\deg \hat q \leq \deg q$, e quindi $\hat q$ ammette al + più $\deg q$ soluzioni in $\ZZ \quot p \ZZ$ (e quindi esistono al più + $\deg q$ classi di resto che sono soluzione in $\ZZ \quot p \ZZ$). Se + invece $\hat q = 0$, $p$ deve dividere obbligatoriamente + ogni coefficiente di $q$, da cui la tesi. + \end{proof} +\end{document} \ No newline at end of file