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Grado en Matemáticas

Teorema chino del resto

Una condición modular coloca marcas periódicas en la recta. Otra condición añade sus propias marcas y buscamos dónde coinciden. El teorema chino del resto reconstruye esa clase común. Veremos una intersección dibujada, un método con selectores y otro por sustitución; después trataremos los módulos que comparten factores.

Si necesitas repasar:

1. Dos restos simultáneos significan intersectar dos progresiones

x≡a módulo m describe a+mℤ. Pedir varias congruencias busca su intersección. Puede estar vacía o ser otra progresión. La solución normalmente es una familia infinita de enteros, no un número aislado.

Las dos progresiones coinciden con el periodo producto en el caso coprimo
Dos periodos, dos fases4+5k2+7k49141924293439442916233037449 → 44 : pasan 35
Dos rectas comparten la misma escala. Arriba aparecen cuatro nueve catorce diecinueve y siguientes, con paso cinco. Abajo dos nueve dieciséis veintitrés y siguientes, con paso siete. Coinciden en nueve y cuarenta y cuatro, separados por treinta y cinco. Se muestra un tramo no negativo de la familia completa nueve más treinta y cinco t.

En un calendario, el módulo es duración del ciclo y el resto es fase. El mcm de duraciones no decide por sí solo la primera coincidencia cuando las fases son distintas. Primero hallamos una posición compatible y después el período de repetición.

Las marcas del dibujo

x≡4 módulo cinco y x≡2 módulo siete.

  1. Primera lista

    4,9,14,19,….

  2. Segunda

    2,9,16,23,….

  3. Coincidencias

    Nueve cumple ambas y cuarenta y cuatro vuelve a cumplirlas, separado por treinta y cinco.

Resultado

Hay una familia común, que demostraremos x=9+35t.

Lo comprobamos

El dibujo muestra un tramo no negativo; la familia entera también contiene valores negativos.

Una intersección imposible

x≡0 módulo cuatro y x≡1 módulo seis.

  1. Primera

    Obliga a x par.

  2. Segunda

    x=1+6k es impar.
  3. Contradicción

    Ningún entero es a la vez par e impar.

Resultado

No existe solución.

Lo comprobamos

No se intenta reconstruir una coincidencia que ya contradice un divisor común de los módulos.

2. Si los módulos son coprimos dos a dos, cualquier lista de restos es compatible

Para módulos m₁,…,mᵣ≥2 coprimos dos a dos, existe una única clase x módulo M=m₁…mᵣ con los restos indicados. Los restos no necesitan ser coprimos con sus propios módulos.

Coprimos dos a dos no significa solo mcd de todos igual a uno. Los módulos 4,6,9 tienen mcd global uno, pero cuatro y seis comparten dos y seis y nueve comparten tres. La construcción requiere que cada módulo sea coprimo con el producto de los otros.

El teorema anticipa el período y la existencia

Módulos cinco y siete con restos cuatro y dos.

  1. Coprimalidad

    mcd(5,7)=1.
  2. Existencia

    Cualquier par de restos es compatible, incluido este.

  3. Unicidad

    Habrá una clase módulo 35; nueve es un candidato que ya verificamos.

Resultado

La familia tiene período 35.

Lo comprobamos

Aún separaremos la prueba de existencia de la prueba de que dos soluciones difieren en múltiplos de ese período.

Un resto no unidad también es válido

x≡0 módulo cuatro y x≡2 módulo nueve.

  1. Módulos

    Cuatro y nueve son coprimos.

  2. Restos

    Cero no es unidad módulo cuatro, pero el teorema no lo exigía.

  3. Candidato

    Veinte cumple ambos restos; la solución completa será su clase módulo treinta y seis.

Resultado

La condición de coprimalidad pertenece a los módulos entre sí.

Lo comprobamos

No se confunde con resolver ax≡b mediante el inverso de un coeficiente.

3. Construimos selectores que valen uno en una condición y cero en las demás

Sea M producto de los módulos y Mᵢ=M/mᵢ.

La coprimalidad da un inverso uᵢ de Mᵢ módulo mᵢ.

Definimos eᵢ=Mᵢuᵢ.

En su propio módulo eᵢ vale uno; en cualquier otro, Mᵢ contiene ese módulo como factor y eᵢ vale cero.

Los selectores funcionan como coordenadas de los restos. No buscamos un único número que sea uno en todos los módulos, sino uno por cada condición. Euclides extendido calcula los inversos y cualquier representante de estos sirve.

Selector del resto módulo cinco

M=35 y primer módulo cinco.

  1. Producto restante

    M₁=35/5=7.
  2. Inverso

    7·3=21≡1 módulo cinco.
  3. Selector

    e₁=21; sus restos son uno módulo cinco y cero módulo siete.

Resultado

e₁=21 selecciona la primera condición.

Lo comprobamos

El factor siete es el que anula automáticamente la segunda columna.

Selector del resto módulo siete

M=35 y segundo módulo siete.

  1. Producto restante

    M₂=35/7=5.
  2. Inverso

    5·3=15≡1 módulo siete.
  3. Selector

    e₂=15; vale cero módulo cinco y uno módulo siete.

Resultado

e₂=15 selecciona la segunda condición.

Lo comprobamos

e₁ y e₂ son clases del mismo módulo total treinta y cinco, con papeles distintos en sus dos componentes.

4. Ponderar y sumar los selectores prueba existencia

Tomamos x=Σaᵢeᵢ.

En el módulo mₖ todos los términos se hacen cero salvo aₖeₖ, que vale aₖ. Así se cumplen todas las condiciones a la vez. Después podemos reducir la suma módulo M.

Cada selector activa una condición y deja la otra en cero
Módulos 5 y 7 ; M=35mod 5mod 7e₁=21e₂=1510014e₁+2e₂ → restos (4;2)114≡9 (mod 35)
Tabla de restos: veintiuno tiene restos uno y cero módulo cinco y siete; quince tiene restos cero y uno. Para recuperar los restos cuatro y dos, tomamos cuatro por veintiuno más dos por quince igual a ciento catorce, congruente con nueve módulo treinta y cinco.

Cambiar uᵢ por uᵢ+t mᵢ altera eᵢ en un múltiplo de M, y por tanto no cambia la clase solución. La fórmula produce un entero concreto, pero el objeto final sigue siendo su clase completa.

La reconstrucción de la tabla

x≡4 módulo cinco y x≡2 módulo siete.

  1. Selectores

    e₁=21 y e₂=15.
  2. Ponderar

    x=4·21+2·15=114.
  3. Reducir

    114=3·35+9, por tanto x≡9 módulo treinta y cinco.
Resultado

La clase reconstruida es 9.

Lo comprobamos

Nueve deja cuatro entre cinco y dos entre siete; la comprobación usa las dos condiciones originales.

Un inverso negativo da la misma respuesta

Usa u₁=−2 en vez de tres, manteniendo u₂=3.

  1. Válido

    7(−2)=−14≡1 módulo cinco.
  2. Suma nueva

    4(−14)+2·15=−26.
  3. Comparar

    −26≡9 módulo treinta y cinco; la diferencia respecto de 114 es −140, múltiplo de treinta y cinco.

Resultado

La elección del representante del inverso no cambia la solución.

Lo comprobamos

Una suma negativa no es un error: se normaliza al final.

5. Unicidad significa una clase, no un único entero

Si x,y cumplen el sistema, cada mᵢ divide x−y. La coprimalidad dos a dos obliga a que su producto M divida esa diferencia, por factorización prima o cancelación de factores coprimos. Por eso x≡y módulo M.

No concluimos x=y.

Sumar M a una solución conserva todos los restos. Si los módulos comparten factores, solo podemos asegurar divisibilidad por su mcm; el producto puede ser un período válido, pero no el mínimo ni dar una única clase de todas las soluciones.

Dos enteros de una misma solución de clase

Nueve y cuarenta y cuatro para los módulos cinco y siete.

  1. Verificar

    Ambos dejan restos cuatro y dos.

  2. Diferencia

    44−9=35.
  3. Todos

    Todo entero 9+35t cumple, y la unicidad impide otra clase módulo treinta y cinco.

Resultado

La respuesta completa es x≡9 módulo treinta y cinco.

Lo comprobamos

Escoger nueve como menor representante no negativo es una presentación, no una restricción de los enteros solución.

Por qué no se usa siempre el producto

x≡1 módulo cuatro y x≡5 módulo seis.

  1. Dos soluciones

    Cinco y diecisiete cumplen las dos condiciones.

  2. Diferencia

    17−5=12, múltiplo de cuatro y seis.
  3. Producto

    Doce no es múltiplo de veinticuatro: no son la misma clase módulo el producto.

Resultado

Sin coprimalidad falla esa prueba de unicidad módulo el producto.

Lo comprobamos

La solución podrá ser una clase módulo doce, el mcm; estudiaremos enseguida la compatibilidad general.

6. Sustituir una progresión en la otra resuelve sistemas pequeños

Para x≡a módulo m, escribe x=a+mk.

La segunda condición x≡b módulo n se convierte en mk≡b−a módulo n. Si m,n son coprimos, invertimos m y obtenemos una sola clase de k módulo n.

Al sustituir k=k₀+nt resulta x=a+mk₀+mnt.

Podemos incorporar una tercera condición repitiendo el proceso con el período que ya hemos reconstruido. Es el mismo teorema con otro método de cálculo.

Dos fases con módulos cuatro y nueve

x≡1 módulo cuatro y x≡2 módulo nueve.

  1. Parametrizar

    x=1+4k.
  2. Segunda

    4k≡1 módulo nueve; el inverso de cuatro es siete.

  3. Volver

    k=7+9t da x=29+36t.
Resultado

x≡29 módulo treinta y seis.

Lo comprobamos

Veintinueve deja uno entre cuatro y dos entre nueve; sumar treinta y seis conserva ambos.

Añadir una tercera condición

Al sistema anterior añade x≡1 módulo cinco.

  1. Usar lo construido

    x=29+36t.
  2. Reducir

    29+36t≡4+t≡1 módulo cinco, así que t≡2.

  3. Sustituir

    t=2+5s produce x=101+180s.
Resultado

x≡101 módulo ciento ochenta.

Lo comprobamos

Los restos de 101 son uno módulo cuatro, dos módulo nueve y uno módulo cinco; los tres módulos son coprimos dos a dos.

7. Si los módulos comparten un divisor, los restos deben coincidir en él

Para dos módulos m,n y d=mcd(m,n), un sistema con restos a,b solo puede funcionar si a≡b módulo d. Toda solución sería congruente con ambos en ese divisor compartido. La condición es necesaria.

También es suficiente: en x=a+mk, la segunda pide mk≡b−a módulo n.

La teoría lineal da solución exactamente si d divide b−a. Dividimos por d y resolvemos con módulo n/d; si este es uno, la condición reducida ya es automática y no exige buscar inversos.

Un sistema no coprimo compatible

x≡2 módulo seis y x≡8 módulo diez.

  1. Común

    El mcd de seis y diez es dos.

  2. Restos

    8−2=6 es múltiplo de dos.
  3. Existencia

    El criterio garantiza solución; ocho es un candidato que cumple ambos.

Resultado

El sistema es compatible.

Lo comprobamos

No se aplicó directamente la fórmula de selectores coprimos, cuyos inversos podrían no existir aquí.

Los mismos módulos con fases incompatibles

x≡2 módulo seis y x≡7 módulo diez.

  1. Común

    Sigue siendo dos.

  2. Diferencia

    7−2=5 no es múltiplo de dos.
  3. Interpretar

    La primera progresión es par y la segunda impar.

Resultado

No hay solución.

Lo comprobamos

La incompatibilidad se decide antes de cualquier cálculo largo.

8. En el caso compatible, el período mínimo es el mcm

Tras resolver la congruencia reducida para k, su período es n/d.

Al volver a x=a+mk, el incremento es m(n/d)=mcm(m,n).

Dos soluciones también difieren en un múltiplo de ambos módulos y, por tanto, del mcm: queda probada la unicidad de esa clase.

Para varios módulos generales se pueden combinar pares sucesivamente, comprobando compatibilidad en cada paso. Si una condición ya está contenida en otra, el nuevo período puede no aumentar. No se multiplican módulos sin revisar sus factores comunes.

Completar el sistema compatible

x≡2 módulo seis y x≡8 módulo diez.

  1. Parametrizar

    x=2+6k; queda 6k≡6 módulo diez.
  2. Dividir

    3k≡3 módulo cinco, de donde k≡1.

  3. Volver

    k=1+5t da x=8+30t; mcm(6,10)=30.
Resultado

x≡8 módulo treinta.

Lo comprobamos

En módulo sesenta aparecerían dos clases, ocho y treinta y ocho, aunque ambas pertenezcan a la única clase módulo treinta.

Una condición contiene a la otra

x≡3 módulo cuatro y x≡7 módulo ocho.

  1. Compatibilidad

    Siete y tres difieren en cuatro, el mcd de los módulos.

  2. Implicación

    Todo 7+8t deja resto tres entre cuatro.

  3. Período

    La segunda condición ya describe todas: x≡7 módulo ocho, que es el mcm.

Resultado

El período no sube a treinta y dos.

Lo comprobamos

La fórmula general y la inclusión de progresiones dan aquí la misma respuesta.

9. Reconstruir por componentes conserva suma y producto

La aplicación [x] módulo M a sus clases módulo cada mᵢ conserva ambas operaciones. Con módulos coprimos dos a dos, el teorema la hace biyectiva: ℤ/Mℤ es isomorfo al producto de esos anillos. Podemos calcular en componentes y reconstruir.

Un producto de cuerpos no es en general cuerpo. Los selectores revelan divisores de cero: una clase activa una componente y otra activa la componente restante; su producto puede ser cero aunque ninguna clase sea cero.

Multiplicar en dos componentes y volver

Calcula [9][12] módulo treinta y cinco por restos módulo cinco y siete.

  1. Componentes

    Nueve corresponde a (4,2); doce a (2,5).

  2. Multiplicar

    (4·2 módulo cinco,2·5 módulo siete)=(3,3).
  3. Reconstruir

    La clase tres tiene ambos restos; directamente 9·12=108≡3 módulo treinta y cinco.

Resultado

El producto es [3].

Lo comprobamos

La biyección permite usar cálculos más pequeños sin cambiar la operación del problema.

Dos componentes no nulas pueden anularse al multiplicar

Usa e₁=21 y e₂=15 módulo treinta y cinco.

  1. Vectores de restos

    e₁ corresponde a (1,0) y e₂ a (0,1).

  2. Producto

    Por componentes da (0,0); directamente 21·15=315=9·35.
  3. No nulos

    Ninguna de las dos clases iniciales era cero módulo treinta y cinco.

Resultado

ℤ/35ℤ tiene divisores de cero y no es cuerpo.

Lo comprobamos

Separar en los cuerpos de cinco y siete elementos conserva esta estructura; no la convierte en un único cuerpo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dos restos

Resuelve x≡2 mod 3 y x≡3 mod 5.

  1. Módulos

    Tres y cinco son coprimos; la solución será una clase módulo quince.

  2. Primera

    x=2+3k.
  3. Segunda

    2+3k≡3 módulo cinco implica 3k≡1.

  4. Inverso

    Tres tiene inverso dos módulo cinco, así que k≡2.

  5. Sustituir

    k=2+5t da x=8+15t.
  6. Clase

    x≡8 módulo quince. Ocho deja dos entre tres y tres entre cinco; el teorema asegura exhaustividad.

Resultado

x≡8 mod 15.

Lo comprobamos

8=2·3+2 y 8=1·5+3. Sumar quince preserva ambos restos y el teorema garantiza que no falta otra clase.

EJEMPLO RESUELTO 2

Compatibilidad

Resuelve x≡1 mod 4 y x≡3 mod 6.

  1. Mcd

    mcd(4,6)=2; no usamos directamente el caso coprimo.
  2. Compatibilidad

    Tres menos uno es dos, divisible por el mcd.

  3. Parametrizar

    x=1+4k; queda 4k≡2 módulo seis.
  4. Reducir

    2k≡1 módulo tres; multiplicar por dos da k≡2.

  5. Volver

    k=2+3t da x=9+12t.
  6. Período

    mcm(4,6)=12, así que x≡9 módulo doce.

    Nueve cumple ambos restos y las diferencias de soluciones deben ser múltiplos de doce.

Resultado

x≡9 mod 12.

Lo comprobamos

Nueve deja resto uno entre cuatro y tres entre seis. Dos soluciones distintas deben diferir en un múltiplo de ambos módulos y por ello de doce.

Los símbolos que hemos usado

m₁,…,m_r
Módulos enteros mayores que uno del sistema de congruencias.
Coprimos dos a dos
Cada par de módulos distintos tiene mcd uno.
M
Producto m₁⋯m_r en la versión coprima del teorema.
M_i
Producto de todos los módulos salvo m_i, igual a M/m_i.
u_i
Inverso de M_i módulo m_i cuando los módulos son coprimos dos a dos.
mcm(m,n)
Menor múltiplo común positivo; periodo de unicidad para dos módulos compatibles.

Ahora te toca a ti.

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

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