Categorie archieven: Getaltheorie

Vierkwadraten stelling

Geplaatst op door

Elk priemgetal, gelijk aan 1 modulo 4, kan geschreven  worden als som van twee kwadraten. Dat een getal als som van twee kwadraten
geschreven kan worden is niet vanzelfsprekend. Bij een getal dat 3 (mod 4) is kan dat bijvoorbeeld niet. Daarentegen bleek dat wel elk getal getal te schrijven is als som van vier kwadraten.

Elk positief geheel getal kan geschreven worden als som van 4 kwadraten van gehele getallen.

    \[n=x_1^2+x_2^2+x_3^2+x_4^2\]

Deze stelling was al gekend door Diophantus; Euler heeft 40 jaar gezocht naar een bewijs ervan, maar het was Joseph-Louis Lagrange ( 1736 – 1813)  die in 1772 het eerste bewijs formuleerde.

Het kan zelfs in veel gevallen met drie kwadraten. Legendre ( 1752 – 1833) beweerde dan elk getal, tenzij van de vorm 4^k(8m+7) , te schrijven is als som van drie kwadraten.

Er bestaat zelfs een mogelijkheid  om  het totaal aantal manieren  te berekenen, waarop een gegeven positief geheel getal n  kan worden geschreven als de som van vier kwadraten. Als n oneven is moet je 8 keer de som van zijn delers nemen en als n even is 24 keer de som van zijn oneven delers. Merk hierbij op dat (x_1,x_2,x_3,x_4) geordend is en dat we gehele oplossingen zoeken ; dus ook rekening houden met negatieve getallen.

Toepassingen op stelling van Fermat

Geplaatst op door

Nog even in herinnering brengen, de kleine stelling van Fermat luidt: Als p een priemgetal is Ena en p onderling ondeelbaar zijn dan is

    \[a^{p-1}\equiv 1 \mod p\]

 of

    \[a^p \equiv a \mod p\]

 

Nu een paar toepassingen:

  • n^{13}-n is altijd deelbaar door 2730. Bewijs.
    Spoiler

    • ]We weten dat 2730 = 2.3.5.7.13. Te bewijzen is dan dat n^{13}-n\equiv 0 \mod 2730.
    • Het volstaat dus te bewijzen dat de opgave deelbaar is door de priemfactoren 2,3,5,7,13.
    • En inderdaad n^{13}-n\equiv 0 \mod 2,3,5,7 en 13 met behulp van de stelling van Fermat



  • 5^p-2*3^p+1 is een p-voud als p priem is. Bewijs. 
    Spoiler
    • Modulo p is 5^p\equiv 5 en 3^p÷equiv 3
    • Dus is 5^p-2*3^p+1 \ 5-2*3+1\equiv 0:mod p.




  • 1492^n-1771^n-1863^n+2141^n is steeds deelbaar door 1946. Bewijs dit  en volgende opgaven zelf!
  • n ^2+2n+12 is nooit deelbaar door 112. Tip : vul alle waarden van n in modulo 7.
  • Als n oneven is, dan eindigt de decimale schrijfwijze van 2^{2n}(2^{2n+1}-1) steeds op 28.
  • Voor welke n is n^{n+1}+(n+1)^n een drievoud?

            

Euclidische getallen

Geplaatst op door

Een Euclidisch getal van de eerste soort is een getal van de vorm E_n=p_1.p_2.\cdots.p_n+1, waarbij p_1,...,p_n de eerste n priemgetallen voorstellen. De getallen danken hun naam aan de Griekse wiskundige Euclides, die ze gebruikte in zijn bewijs dat er oneindig veel priemgetallen zijn. Stel dat er maar een eindig aantal priemgetallen zou zijn , zeg n. Noteer die dan door p_1,p_2,...,p_n. Neem dan het getal x=p_1.p_2.....p_n+1. Het getal x geeft bij deling door alle priemgetallen p_i als rest 1. Bijgevolg is x zelf ook een priemgetal, dat groter is dan alle gegeven priemgetallen. Dit is onmogelijk, dus moeten er oneindig veel priemgetallen zijn.

Zo is E_1=2+1=3, E_2=2.3+1=7, E_3=2.3.5+1=31. Dan komen 211,2311, 30031,…

  • Niet alle Euclidische getallen zijn priem. Het eerste niet-priemgetal is   2.3.5.7.11.13 = 30031 = 59 × 509 . Een open vraag is of er oneindig veel Euclidische getallen zijn die priem zijn.
  • Elk Euclidisch getal laat bij deling door 4 een rest gelijk aan 4 na. Dit komt omdat p_1.p_2.....p_n, juist 1 factor 2 bevat.
  • Bijgevolg kan een Euclidisch getal nooit een kwadraat zijn.
  • Voor n \geq 3 is het cijfer der eenheden van E_n altijd een 1.

Een Euclidisch getal van de tweede soort is een getal van de vorm E_n=p_1.p_2.\cdots.p_n-1, waarbij p_1,...,p_n de eerste n priemgetallen voorstellen. De eerste euclidische getallen van de tweede soort zijn  1, 5, 29, 209, 2309, 30029, 510509, 9699689,… Ook hier weten we eigenlijk niet of er oneindig veel Euclidische getallen zijn die priem zijn. In ieder geval het eerste niet priemgetal in de rij is 209 = 11 x 19.

Algebraïsche getallen

Geplaatst op door

Een algebraïsch getal is een wortel van een van 0 verschillende veelterm met rationale coëfficiënten.

Zo is \sqrt{2} een reëel algebraïsch getal want \sqrt{2} is een wortel van de veelterm x^2-2. Verder is bijvoorbeeld \sqrt{2}i een complex algebraïsch getal want \sqrt{2}i is een wortel van de veelterm x^2+2.

Enkele eigenschappen:

  • het tegengestelde van een algebraïsch getal is ook een algebraïsch getal.
  • het omgekeerde van een van 0 verschillend algebraïsch getal is ook een algebraïsch getal.
  • elk rationaal getal is een algebraïsch getal.
  • ook de som en het product van 2 algebraïsche getallen zijn algebraïsch. Dit is niet zo evident. Neem bijvoorbeeld x=\sqrt{2}+\sqrt{3}, de som van 2 algebraïsche getallen. Dan is x-\sqrt{2}=\sqrt{3}, wat na kwadrateren x^2-1=2\sqrt{2}x geeft. Nogmaals kwadrateren geeft uiteindelijk x^4-10x^2+1=0.Bijgevolg is x een algebraïsch getal.
  • uit al de vorige eigenschappen kan je dus besluiten dat de algebraïsche reële getallen en de algebraïsch complexe getallen, allebei met de gewone optelling en vermenigvuldiging, velden zijn.
  • men kan zelfs bewijzen dat r een reëel algebraïsch getal is als r een wortel is van een van 0 verschillende veelterm met gehele coëfficiënten.
  • we noteren \mathbb{A} voor het veld van de reële algebraïsche getallen. Dan is \mathbb{Q} \subset \mathbb{A}\subset \mathbb{R}.

Een transcendent getal is een getal dat niet algebraïsch is. Het bestaan van transcendente getallen is niet vanzelfsprekend. dat ze inderdaad bestaan is bewezen door de Franse wiskundige J.Liouville(1809-1882). 

De transcendentie van e, de basis van de natuurlijke logaritmen, werd in 1873 bewezen door C.Hermite(1829-1901). De transcendentie van \pi werd op een gelijkaardige manier bewezen in 1882 door F.Lindemann(1852-1939)

Cantor bewees dat de verzameling van de complexe algebraïsche getallen aftelbaar oneindig is, met andere woorden ze bezit dezelfde kardinaliteit als de verzameling van de natuurlijke getallen. De stelling van Cantor houdt in dat de verzameling van de transcendente complexe getallen de overaftelbaar is. Dus bijna alle complexe getallen zijn transcendent! In de beginafbeelding zie je de algebraïsche complexe getallen.

Stelling van Wilson

Geplaatst op door

De kleine stelling van Fermat zegt ons dat voor een priemgetal p geldt dat a^p \equiv a \mod{p}. Maar dan zijn 1,2, … , p – 1 allemaal nulpunten van de veelterm X^{p-1}-1 in de verzameling \mathbb{Z}_p[X] en dus kunnen we, omdat er geen nuldelers zijn, volgende ontbinding neerschrijven: X^{p-1}-1 = (X-1)(X-2) \cdots (X-(p-1)).
Door hierin X te vervangen door 0, vinden we een deel van volgende stelling:

    \[p \text{ is priem als en slechts als } (p-1)! \equiv -1 \mod{p}\]

Dit resultaat staat bekend als de stelling van Wilson, naar de Engelse wiskundige John Wilson (1741-1793). Nochtans komt dit resultaat een eerste keer voor bij Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (965-1040)

Bovendien had Wilson geen bewijs van de stelling. Het was Lagrange die in 1771 het eerste bewijs ervan formuleerde.

Het is ook duidelijk dat als n een samengesteld getal is, groter dan 4,  dat  (n-1)! \equiv 0 \mod{n}.

Een algemene vorm is voor ieder oneven priemgetal p en voor ieder positief geheel getal k kleiner dan p:

    \[(k-1)!(p-k)! \equiv (-1)^k \mod{p}\]

Deze veralgemening danken we aan C.F.Gauss