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Grado en Matemáticas

Congruencias y aritmética modular

En un reloj, dar una vuelta completa nos devuelve a la misma posición. Las congruencias agrupan enteros cuya diferencia son vueltas completas de un tamaño fijo. Sumar y multiplicar respeta esas posiciones; dividir puede borrar información. Empezaremos con una clase en la recta y terminaremos resolviendo ecuaciones con ninguna, una o varias clases de solución.

Si necesitas repasar:

1. El módulo fija cuánto vale una vuelta completa

Fijamos un entero m≥2. a≡b módulo m significa que m divide a−b. Equivale a dejar el mismo resto normalizado, pero no exige que los dos enteros sean iguales. Puede haber representantes negativos.

Los representantes de una clase están separados por vueltas completas
Una clase: 5+8ℤ-11+8-3+85+813… −11, −3, 5, 13 …Las diferencias son múltiplos de 8.
Recta con menos once menos tres cinco y trece destacados. Cada salto hacia la derecha añade ocho. Todos son congruentes con cinco módulo ocho, aunque sean enteros distintos. La clase contiene además infinitos puntos a ambos lados.

Es equivalencia: a−a=0 da reflexividad; cambiar signo conserva múltiplos y da simetría; sumar diferencias da transitividad. La división con resto produce exactamente m clases, representadas por 0,…,m−1.

Las posiciones del dibujo son una misma clase

Compara −11,−3,5,13 módulo ocho.

  1. Diferencias

    Cada salto a la derecha añade ocho.

  2. Respecto de cinco

    −11−5=−16, −3−5=−8 y 13−5=8, todos múltiplos de ocho.
  3. Congruencia

    Los cuatro representan la clase de cinco.

Resultado

Son enteros distintos y congruentes módulo ocho.

Lo comprobamos

Los representantes continúan infinitamente a ambos lados de la parte dibujada.

La misma diferencia puede servir para un módulo y no para otro

Compara veintiuno y tres.

  1. Diferencia

    21−3=18.
  2. Módulo seis

    Seis divide dieciocho, luego 21≡3 módulo seis.

  3. Módulo doce

    Doce no divide dieciocho, así que no son congruentes módulo doce.

Resultado

La congruencia depende del módulo escrito.

Lo comprobamos

No se borra ni cambia el módulo al presentar la igualdad de clases.

2. Una clase es un conjunto infinito que tratamos como un objeto

[a]=a+mℤ={a+km:k∈ℤ}. [a]=[b] significa a≡b, no a=b.

Elegir un resto de cero a m−1 da una forma cómoda de escribir esa clase, sin eliminar los demás enteros que contiene.

Definimos [a]+[b]=[a+b] y [a][b]=[ab].
Si a′=a+rm y b′=b+sm, la suma cambia en (r+s)m y el producto en m(rb+sa+rsm).

Son múltiplos del módulo, por tanto las operaciones no dependen de representantes.

Escribir la clase completa

Describe [5] módulo ocho.

  1. Parámetro

    Es {5+8k:k∈ℤ}.
  2. Ejemplos

    k=−2,−1,0,1 da −11,−3,5,13.
  3. Representante

    Cinco es el único de esa clase entre cero y siete.

Resultado

La clase contiene infinitos enteros, con un representante canónico.

Lo comprobamos

No significa que el único entero admisible sea cinco.

Dos operaciones y otra elección de representantes

En módulo nueve, usa [4] y [8].

  1. Suma

    [4]+[8]=[12]=[3].
  2. Producto

    [4][8]=[32]=[5].
  3. Otros

    Trece representa [4] y menos uno representa [8]; suman doce y su producto −13 también es de clase cinco.

Resultado

Las dos elecciones producen las mismas clases resultado.

Lo comprobamos

La diferencia de productos es −13−32=−45, múltiplo de nueve, como exige la prueba general.

3. Podemos reducir después de cada suma o producto para evitar cifras enormes

Con el mismo módulo, las congruencias se conservan al sumar, restar, multiplicar y elevar a potencias enteras no negativas. Por eso podemos sustituir una base o un resultado intermedio por su resto sin cambiar el resultado final.

No reducimos el exponente módulo m usando solo esta regla: hace falta un período demostrado u otro teorema. Tampoco cambiamos libremente el módulo; si d divide m, una congruencia módulo m implica otra módulo d, pero no siempre al revés.

Una potencia grande con un período comprobado

Calcula 7⁵⁰ módulo diez.

  1. Cuadrar

    7²=49≡9; 7⁴≡9²=81≡1.
  2. Descomponer índice

    50=4·12+2.
  3. Reducir

    7⁵⁰=(7⁴)¹²7²≡1¹²·9=9.
Resultado

El resto es 9.

Lo comprobamos

Reducir el exponente cincuenta módulo diez habría dado cero y una respuesta incorrecta uno; el período usado era cuatro y se comprobó.

Pasar a un divisor del módulo

23≡9 módulo catorce.

  1. Diferencia

    23−9=14 es múltiplo de siete, así que también 23≡9≡2 módulo siete.

  2. Conversa

    23≡2 módulo siete es cierto porque la diferencia es veintiuno.

  3. No ampliar

    Esa diferencia no es múltiplo de catorce: 23 no es congruente con dos módulo catorce.

Resultado

La implicación al módulo divisor no autoriza volver al mayor.

Lo comprobamos

Declarar cuál es la diferencia evita deducciones basadas solo en la escritura de los restos.

4. Los divisores de cero muestran por qué no se cancela cualquier factor

En un módulo compuesto pueden existir clases no nulas cuyo producto sea cero. Si multiplicar pierde esa información, no podemos deshacerlo mediante una división ordinaria. Igualdad de productos no fuerza igualdad de los otros factores.

Si m es primo, todas las clases no nulas son invertibles y la estructura es un cuerpo. Si m es compuesto, algunas siguen siendo invertibles, pero otras no. La coprimalidad con m, no solo ser distinto de cero, decide la diferencia.

Un producto cero y una cancelación falsa

Trabaja módulo ocho.

  1. Producto

    [2][4]=[0] y ninguno de esos factores es cero.
  2. Igualdad

    2·1≡2·5, porque ocho divide diez menos dos.

  3. No cancelar sin más

    Uno y cinco no son congruentes módulo ocho.

Resultado

El factor dos no se puede cancelar manteniendo módulo ocho.

Lo comprobamos

Ser clase no nula no implica tener inverso cuando el módulo es compuesto.

Un módulo compuesto también tiene unidades

La clase de tres módulo ocho.

  1. Producto

    3·3=9≡1.
  2. Inverso

    Tres es su propio inverso.

  3. Deshacer

    Si 3a≡3b módulo ocho, multiplicar por tres da a≡b.

Resultado

Tres sí permite cancelar en ese mismo módulo.

Lo comprobamos

No se aplica una regla global todos cancelan o ninguno cancela; depende del coeficiente.

5. Bézout construye inversos exactamente cuando el mcd es uno

[a] tiene inverso módulo m si y solo si mcd(a,m)=1.
Si ax+my=1, al pasar a clases obtenemos ax≡1.

Recíprocamente, un inverso produce au−km=1 y cualquier divisor común de a,m debe dividir uno.

El inverso es único como clase, aunque su representante pueda cambiar por múltiplos de m. Un coeficiente negativo de Bézout es válido; lo normalizamos al final y comprobamos el producto. Si el mcd no es uno, no buscamos un inverso inexistente.

Un inverso obtenido por restos

Invierte siete módulo veintiséis.

  1. Euclides

    26=3·7+5; 7=5+2; 5=2·2+1.
  2. Volver

    1=5−2(7−5)=3·5−2·7.
  3. Entradas originales

    1=3(26−3·7)−2·7=3·26−11·7.
  4. Normalizar

    El inverso −11 representa quince módulo veintiséis.

Resultado

7⁻¹≡15 módulo veintiséis.

Lo comprobamos

7·15=105=4·26+1 comprueba la cuenta.

Un coeficiente sin inverso

Ocho módulo doce.

  1. Mcd

    mcd(8,12)=4.
  2. Condición

    Si 8u≡1, existiría 8u−12k=1.
  3. Contradicción

    El lado izquierdo es múltiplo de cuatro y uno no lo es.

Resultado

La clase de ocho no tiene inverso módulo doce.

Lo comprobamos

Bézout puede producir el mcd cuatro, pero no un uno que contradiga ese divisor común.

6. Cancelar sin unidad reduce el módulo según el mcd

Si c es unidad, ac≡bc módulo m equivale a a≡b en el mismo módulo. En general, d=mcd(c,m) y m∣c(a−b) equivale a (m/d)∣a−b: tras retirar d, c/d es coprimo con m/d.

Por tanto cancelar c produce a≡b módulo m/d. Si d>1, mantener el módulo anterior impone una condición demasiado fuerte y puede perder soluciones. El caso m/d=1 no restringe a−b: todos los enteros son congruentes con ese módulo reducido.

Cancelar una unidad conserva el módulo

9x≡9·5 módulo catorce.

  1. Mcd

    Nueve y catorce son coprimos.

  2. Inverso

    9·11=99≡1 módulo catorce.
  3. Cancelar

    Multiplicar ambos lados por once da x≡5 módulo catorce.

Resultado

Hay una sola clase x≡5 en ese módulo.

Lo comprobamos

La operación es reversible porque se usó un inverso.

Cancelar otro coeficiente cambia el módulo

8x≡8·1 módulo doce.

  1. Común

    mcd(8,12)=4.
  2. Módulo nuevo

    Cancelar ocho da x≡1 módulo 12/4=3.
  3. No perder

    En módulo doce incluye 1,4,7,10; por ejemplo x=4 produce 32≡8.

Resultado

La condición correcta es x≡1 módulo tres.

Lo comprobamos

Conservar solo x≡1 módulo doce habría descartado tres clases que sí cumplían la congruencia original.

7. Una ecuación modular lineal es una ecuación entera con una incógnita auxiliar

ax≡b módulo m equivale a ax−mk=b para algún k entero.

Si d=mcd(a,m), el lado izquierdo siempre es múltiplo de d; si d no divide b, no hay solución.

Si d divide b, Bézout au+mv=d, multiplicado por b/d, da una solución x=u(b/d). Esta es una prueba de existencia, todavía no una enumeración completa. Con un coeficiente no invertible puede haber varias clases en el módulo original.

Construir una solución sin suponer que el coeficiente tiene inverso

6x≡9 módulo quince.

  1. Existencia

    El mcd es tres y divide nueve.

  2. Bézout

    3=15−2·6; al multiplicar por tres, 9=3·15−6·6.
  3. Leer

    x=−6, que representa nueve módulo quince, es una solución.

Resultado

Ya hay una solución, pero todavía faltaría describir todas.

Lo comprobamos

6·9=54≡9 módulo quince; la verificación vuelve al módulo original.

Una condición imposible

8x≡3 módulo doce.

  1. Mcd

    El divisor común es cuatro.

  2. Divisibilidad

    Toda cantidad 8x−12k es múltiplo de cuatro.

  3. Segundo miembro

    Tres no lo es.

Resultado

No existe ninguna clase solución.

Lo comprobamos

No se intenta dividir por ocho ni buscar su inverso en un caso donde el criterio ya descarta existencia.

8. La clase reducida se levanta a exactamente d clases del módulo original

Cuando d|b, dividimos coeficiente, segundo miembro y módulo entre d. La nueva congruencia (a/d)x≡b/d módulo m/d tiene coeficiente coprimo con su módulo y, si m/d>1, una única clase reducida x≡x₀.

Una clase del módulo reducido se convierte en varias del módulo original
6x≡9 (mod 15)Dividimos coeficientes y módulo entre 3.2x≡3 (mod 5)x≡4 (mod 5)4914Tres clases en el módulo original 15.
La congruencia seis x igual a nueve módulo quince se divide por el máximo común divisor tres y se convierte en dos x igual a tres módulo cinco. El inverso de dos módulo cinco da x congruente con cuatro módulo cinco. Al volver a módulo quince aparecen tres clases: cuatro nueve catorce.

En el módulo original aparecen x₀,x₀+m/d,…,x₀+(d−1)m/d: son d clases distintas. Toda solución reducida tiene una de esas formas al reducir el parámetro módulo d. Si m/d=1, no necesitamos un inverso: todos los enteros son solución y corresponden a las m clases originales.

Las tres clases del dibujo

Resuelve por completo 6x≡9 módulo quince.

  1. Reducir

    d=3: queda 2x≡3 módulo cinco.
  2. Invertir

    El inverso de dos es tres: x≡9≡4 módulo cinco.

  3. Levantar

    Sumamos pasos de cinco en módulo quince: 4,9,14.

  4. Contar

    Hay tres clases, exactamente el mcd.

Resultado

x≡4,9 o 14 módulo quince, o x=4+5t como familia entera.

Lo comprobamos

Sus productos por seis son 24,54,84; todos dejan resto nueve al dividir por quince.

El módulo reducido uno significa ausencia de restricción

12x≡24 módulo doce.

  1. Mcd

    d=12 y divide veinticuatro.
  2. Directo

    12x−24=12(x−2), múltiplo de doce para cualquier entero x.
  3. Clases

    Son solución los doce restos 0,1,…,11.

Resultado

Todos los enteros resuelven la congruencia.

Lo comprobamos

No se fuerza un procedimiento de inversos módulo uno; la condición es una identidad de divisibilidad.

9. Una solución comprobada no es todavía una respuesta exhaustiva

Para comunicar el resultado distinguimos una clase del módulo original, varias clases o una familia de enteros. La comprobación final usa siempre el módulo del enunciado. El número de clases previsto por el mcd ayuda a detectar las que faltan.

Una ecuación reducida solo es equivalente cuando la cancelación y el nuevo módulo están justificados. Si el coeficiente era invertible hay una clase; si no lo era, comprobar un representante favorable no demuestra unicidad.

Por qué encontrar nueve no completaba el ejemplo

En 6x≡9 módulo quince habíamos obtenido x≡9.

  1. Es válida

    Seis por nueve deja resto nueve.

  2. No es única

    Cuatro también cumple, pero no es congruente con nueve módulo quince.

  3. Completar

    La respuesta completa son las tres clases 4,9,14, equivalentes a x≡4 módulo cinco.

Resultado

La existencia de una solución y la descripción de todas son etapas distintas.

Lo comprobamos

El mcd tres predecía tres clases cuando el segundo miembro era compatible.

Una respuesta única con todos sus enteros

Resuelve 5x≡4 módulo trece.

  1. Inverso

    5·8=40≡1, así que x≡8·4=32≡6.
  2. Enteros

    Todos son x=6+13k.
  3. Comprobar

    5(6+13k)−4=13(2+5k), múltiplo de trece para todo k.
Resultado

x≡6 módulo trece, una clase completa.

Lo comprobamos

El representante −7 corresponde a k=−1 y también sirve; no se descartan soluciones por ser negativas.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un inverso

Resuelve 3x≡2 mod 7.

  1. Datos

    3x≡2 módulo siete.

  2. Mcd

    7=2·3+1 demuestra coprimalidad y una única clase solución.

  3. Inverso

    1=7−2·3 da inverso −2, equivalente a cinco.
  4. Multiplicar

    5·3x≡5·2, de donde x≡10.

  5. Reducir

    x≡3 módulo siete.

  6. Exhaustividad

    Multiplicar por un inverso es reversible.

    Los enteros son 3+7k, y 3(3+7k)−2=7(1+3k) verifica todos.
Resultado

x≡3 mod 7.

Lo comprobamos

3·3=9 y 9−2=7, divisible por siete. También 3(3+7k)−2=7(1+3k) para todo k entero.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dos clases de solución

Resuelve 2x≡4 mod 6.

  1. Común

    mcd(2,6)=2 divide cuatro, así que existen soluciones.

  2. Divisibilidad

    6|2(x−2) equivale a 3|x−2.

  3. Cancelar correctamente

    La congruencia reducida es x≡2 módulo tres.

  4. Familia

    x=2+3k, k entero.
  5. Levantar

    k par produce [2] módulo seis y k impar produce [5].

  6. Completar

    Son dos clases distintas, como predice el mcd: 2·2≡4 y 2·5≡4 módulo seis.

Resultado

x≡2 o 5 mod 6.

Lo comprobamos

Para x=2 el producto es cuatro; para x=5 es diez, que deja resto cuatro al dividir por seis. Ambas clases satisfacen la congruencia original.

Los símbolos que hemos usado

a≡b (mod m)
m divide a−b; a y b representan el mismo resto para el módulo positivo m.
[a]
Clase de todos los enteros congruentes con a para el módulo que se haya fijado.
Z/mZ
Anillo de clases de enteros módulo m con suma y producto heredados.
a⁻¹ (mod m)
Clase u que cumple au≡1 módulo m, cuando existe.
d=mcd(a,m)
Divisor que determina existencia y número de soluciones de una congruencia lineal.
Representante canónico
Único entero de una clase entre cero y m−1.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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