• Nenhum resultado encontrado

Equação geral do segundo grau

No documento Teoria Aritmética de Números (páginas 151-161)

9.3 Método para resolução de congruências quadráticas

9.3.4 Equação geral do segundo grau

Determinar se a equação de segundo grauax2+ bx + c ≡ 0 (mod m)tem soluções é equivalente a determinar se a equação y2 ≡ ∆ (mod m), onde

∆ = b2− 4ac, tem solução, já que x≡−b± √ ∆ 2a (modm) 2ax + b≡ ±√∆ (modm) (2ax + b)2≡ ∆ (modm) y2≡ ∆ (modm)

Isto vale desde que mdc(2a,m) = 1(porque usamos a lei do cancelamento, multiplicando os dois lados por 2a). Quando o módulo é primo, 2a será evidentemente co-primo com o módulo.

Resolveremos agorax2− 6x + 5≡ 0 (mod 11). Temos

∆ = b2− 4ac = 36 − 20 = 16≡ 5 (mod11).

O critério de Euler nos garante que5é resíduo quadrático módulo11, con- forme já calculamos na seção anterior (equação9.4). A raiz de∆é, portanto,

5k+1≡ 53≡ 125 ≡ 4 (mod11).

Podemos simplesmente calcular

(2ax + b)2≡ ∆ (mod 11) 2ax + b≡ 4 (mod 11) 2x − 6≡ 4 (mod 11) 2x≡ 10 (mod 11) x≡ 5 (mod 11)

Por último, fazemos uma verificação:

x2− 6x + 5≡ (5)2− 6(5) + 5 (mod 11) ≡ 25 − 30 + 5 (mod 11) ≡ 0 (mod 11)

Exercícios

Ex. 140 — Calcule:  21 11  ,  31 3  ,  122 23  ,  119 7  .

classes de congruência), ou explique porque não é possível: x2≡ 10 (mod 43) X2≡ 5 (mod 31) 3x2− x + 1≡ 0 (mod 19) x2− x + 4≡ 0 (mod 29) 2x2− 10≡ 0 (mod 23) 3x2− 5≡ 0 (mod 18) 4x2− 5≡ 0 (mod 25)

Ex. 142 — Prove que quandomé ímpar,

a m  b m  = ab m  .

Ex. 143 — Um resíduo quadrático móduloppode ser raiz primitiva módulo

pq, compeqprimos?

Ex. 144 — Sejapprimo da forma 4k + 1. Determine a soma dos resíduos quadráticos módulopcontidos em[1, p).

Ex. 145 — Prove que se p e q são primos ímpares tais que existe um x

inteiro positivo tal quep = q + 4x, então

 x p  = x q  .

Ex. 146 — Prove que todo primopmaior que3divide a soma de seus re- síduos quadráticos; e que todo primopmaior que5divide a soma dos qua- drados de seus resíduos quadráticos.

Ex. 147 — Prove que

 −1 p  =  +1 sep = 4k + 1 −1 sep = 4k + 3

Ex. 148 — Prove que há infinitos primos da forma5k − 1.

Dica: Observe os divisores de5(n!)2− 1. Há um divisorp > n que não é

Ex. 149 — Mostre que|Qn| = φ(n)/R, ondeRé a quantidade de elementos

emUntais quex2= a, sendoaum resíduo quadrático emUn.

Ex. 150 — Prove que se n é um inteiro ímpar livre de quadrados, então existek∈ Ztal que mdc(k,n) = 1e nk = −1.

Ex. 151 — Demonstre o Teorema 9.5.

Ex. 152 — Prove que a funçãof : Un → Qn, tal quef(x) = x2é homomor-

fismo entre grupos.

Ex. 153 — Prove que sepé um primo ímpar ea6= 0um resíduo quadrático módulo p, então −a é resíduo quadrático módulo p se e somente se p = 4k + 1. (Use o resultado do Exercício 147).

Ex. 154 — Seja m = pq, com p e q primos ímpares. Se sortearmos um elemento x∈ Zm, e verificarmos que seu símbolo de Jacobi é+1, qual é a

probabilidade dexser resíduo quadrático módulom?

Ex. 155 — Prove a seguinte extensão do Teorema de Wilson: sepé primo ep - a, então

(p − 1)!≡ − a p



ap−12 (modp).

Ex. 156 — Prove que paranímpar,

 −1 c



= (−1)(c−1)/2

Ex. 157 — Determine uma forma fechada para

a b  b a  ,

quandoa, bsão inteiros ímpares.

Ex. 158 — Sejapum primo ímpar, eno menor resíduo quadrático positivo módulop. Prove quen < 1 +√p.

Ex. 159 — Determine quais os primos p tais que 3 é resíduo quadrático módulop.

Ex. 160 — Prove o Lema de Gauss: seja p primo e a coprimo com p; considere o conjuntoA ={a, 2a, 3a, . . . , [(p − 1)/2]a}. Tome os menores re- presentantes positivos dos elementos emA, módulop. Sejana quantidade

dessesLRp(ai)que são maiores quep/2: n = x∈ A : LRp(X) > p 2 . Então  a p  = (−1)n.

Ex. 161 — Prove a Lei da Reciprocidade Quadrática usando o Lema de

Gauss. Não use o argumento de contagem de pontos inteiros, como na demonstração de Eisenstein.

Ex. 162 — Prove a Lei da Reciprocidade Quadrática por indução (esta foi

a primeira prova elaborada por Gauss). a) Comece provando o Lema a seguir:

Lema 9.19. Sejaqum primo da forma4k + 1. Então existe um primo ímparptal que

 q p 

= −1.

b) Seja p0 = (−1)(p−1)/2p. Suponha que p < q. Faça indução em q, e

separe em três casos:

i)(p0/q) = +1. Prove que(q/p) = +1.

ii)(p0/q) = −1, q = 4k + 3. Prove que(q/p) = −1. iii)(p0/q) = −1, q = 4k + 1. Prove que(q/p) = −1.

Parte II

Parte II

Capítulo 10

Soma de Quadrados

Abordamos aqui a representação de inteiros como soma de dois quadrados, ou seja, dado um inteiron, estudamos a equação Diofantina não linear

a2+ b2= n,

tentando determinar quantas soluções tem (se existem), e quais são. Mos- tramos também que todo inteiro pode ser representado como soma de qua- tro quadrados.

10.1

Existência de representação como soma

de dois quadrados

Começamos identificando quais inteiros podem ser escritos como soma de dois quadrados, e quais deles pode ser escritos como soma de dois quadra- dosx2+ y2, com mdc(x,y) = 1.

Definição 10.1 (representação de inteiro como soma de quadrados). Seja

num inteiro positivo. Dizemos que o par de inteiros positivos(x, y)é uma

representação dencomo soma de dois quadrados sex2+ y2= n.

Se mdc(x,y) = 1, dizemos que se trata de uma representaçãoprópria de

n. 

Por exemplo,109tem representação própria como soma de dois quadra- dos, já que109 = 32+ 102e mdc(3,10) = 1.

Já 117 tem representação, mas não própria, porque 117 = e2(13), e

mdc(6,9) = 3. A representação, imprópria, é117 = 62+ 92.

Começamos demonstrando um Lema.

Lema 10.2. −1sempre é resíduo quadrático módulopquandopé um primo da forma4k + 1.

Demonstração. A congruência, da forma como está escrita, já nos indica que o Teorema de Wilson pode ser usado: sabemos que (p − 1)! ≡ −1 (modp). Agora, p + 1 2 ≤ x ≤ p − 1se e somente se − p − 1 2 ≤ x − p ≤ −1. Portanto, (p − 1)!≡  1· 2 · 3 · · · p − 1 2  cada um≡−1,−2,...,−(p−1)/2 (modp) z }| {  p + 1 2 · p + 3 2 . . . (p − 1)  (mod p) ≡ (−1)(p−1)/2122232 · · ·  p − 1 2 2 (mod p) ≡ p − 1 2  ! 2 (mod p) ≡ −1 (mod p),

e−1é resíduo quadrático módulop.

Tratamos primeiro de caracterizar quando há representação própria para um inteiro. Depois trataremos do caso impróprio.

Teorema 10.3. Um inteiro positivon tem representação própria se e so- mente se não tem fatores da forma4k + 3.

Demonstração. Sejapum primo na fatoração den(ou seja,p|n), e suponha quentem representação própria:n = x2+ y2e mdc(x,y) = 1. Entãopnão pode dividir nemxnemy.

Deve portanto existir algum inteiroutal quey = ux (modp), e

x2+ y2≡ x2+ u2x2 (mod p) ≡ x2(1 + u2) (mod p)

≡ 0 (mod p). (p|n) Masx > 0, ep - x, logox2(1 + u2)≡ 0 (mod p)só é possível se(1 + u2)≡ 0

(modp), e

u2≡ −1 (mod p).

Então−1é resíduo quadrático módulop, e portantopdeve ser2ou algum primo da forma4k + 1.

Teorema 10.4. Um inteiro positivo né representável como soma de dois quadrados se e somente se sua fatoração em primos não contém potências ímpares de primos da forma4k + 3.

Como exemplo, o número275 = (11)52 contém uma potência ímpar de

11, que é da forma 4k + 3, por isso não pode ser representado como soma de dois quadrados.

Demonstração. (⇒) Sejapum primo da forma4k + 3, e suponha quep| n, e que 2r + 1 é a ordem de p na fatoração de n. Suponha também que

n = x2+ y2, comx, y∈ N∗, com mdc(x,y) = d. Comop| n, então alguma

potência depdivided.

Então dividimosxeyporde escrevemos

x/d = x0 ⇒ x = dx0 y/d = y0 ⇒ y = dy0

Sabemos que mdc(x’,y’) = 1. Agora, seja

m = (x0)2+ (y0)2 =x d 2 +y d 2 .

Assim,mé um inteiro com representação própria. Mas

p2r+1| n p2r+1| x2+ y2

p2r+1−2j | (x0)2+ (y0)2 (divida pord2) Isto contradiz o Teorema 10.3, porquemserá um inteiro com representação própria, e comp = 4k + 3em sua fatoração.

(⇐) Agora mostramos que, se na fatoração de um inteironos primos da forma4k + 3só aparecem com expoentes pares, entãontem representação como soma de quadrados. Assim, presumimos que

n = ab2,

ondeaé livre de quadrados e não tem fatores primos da forma4k + 3. Nos basta provar queaé representável, porqueb2evidentemente é, e o produto

de inteiros representáveis é, também, representável:

(a2+ b2)(α2+ β2) = (aα + bβ)2+ (aβ − bα)2.

Agora,aé produto de primos da forma4k + 1. Precisamos somente mostrar que todo primo desta forma é representável. Mas pelo Lema 10.2, a con- gruênciax2≡ −1 (mod p)tem solução, eaé representável como soma de quadrados. Mas seaé representável,ntambém é.

No documento Teoria Aritmética de Números (páginas 151-161)

Documentos relacionados