Las potencias modulares pueden volver a uno y empezar a repetir su ciclo. Euler dice cuándo tenemos garantizado ese regreso; Fermat es el caso de módulo primo. Primero identificaremos qué bases permiten deshacer la multiplicación, después contaremos sus clases y construiremos la prueba con una lista que solo cambia de orden.
Si necesitas repasar:
1. Las unidades son las clases que permiten multiplicar y deshacer
Es exactamente la condición de tener inverso, por Bézout. Sus productos e inversos también son unidades: forman un grupo finito U(m), con neutro [1].
φ(m), totiente de Euler, cuenta cuántas unidades hay. No cuenta cuántos representantes son primos ni cuántos son distintos de cero. Para módulos compuestos, algunas clases no nulas no pertenecen a ese grupo.
Las cuatro unidades de módulo diez
Enumera U(10).
Coprimos
Entre cero y nueve, solo 1,3,7,9 tienen mcd uno con diez.
Inversos
Uno y nueve son sus propios inversos; tres y siete se invierten mutuamente.
Conteo
El grupo tiene cuatro elementos.
φ(10)=4.
Cinco es primo, pero no es unidad módulo diez: primalidad del representante no era la condición.
Una unidad puede ser compuesta
Enumera U(9).
Excluir
Los múltiplos de tres, 0,3,6, no son coprimos con nueve.
Quedan
1,2,4,5,7,8.
Interpretar
Cuatro y ocho son compuestos y aun así unidades.
φ(9)=6.
La coprimalidad se compara con el módulo fijo; no es una etiqueta del número por sí solo.
2. Para una potencia prima, solo hay que quitar los múltiplos de ese primo
Si m=pᵏ con p primo y k≥1, no ser coprimo equivale a ser múltiplo de p. Entre cero y pᵏ−1 hay p^(k−1) de esos múltiplos.
La cuenta se hace sobre representantes canónicos, una vez por clase, aunque cada clase tenga infinitos enteros.
Un cuadrado de primo
φ(25).
Primo
Veinticinco es cinco al cuadrado.
No unidades
0,5,10,15,20: cinco clases.
Restar
25−5=20.
φ(25)=20.
No se excluyen todos los compuestos: solo los que comparten cinco con el módulo.
Una potencia de dos
φ(32).
Factor
32=2⁵.Excluir
Hay dieciséis representantes pares entre cero y treinta y uno.
Quedan
Los dieciséis impares son coprimos con treinta y dos.
φ(32)=16.
La fórmula da 2⁴(2−1)=16 y coincide con contar impares.
3. Con varios primos, inclusión–exclusión evita descontar dos veces
Si los primos distintos que dividen m son p₁,…,pᵣ, las unidades evitan todos sus múltiplos. Quitamos los múltiplos de cada primo y reponemos los de intersecciones que se quitaron varias veces. Como esos productos de primos dividen m, sus cantidades son exactas.
La expresión queda φ(m)=m∏ sobre p|m de (1−1/p), usando cada primo una sola vez. También φ(mn)=φ(m)φ(n) cuando m,n son coprimos; el teorema chino del resto explicará la correspondencia por componentes. Sin coprimalidad esa multiplicatividad puede fallar.
Usar primos distintos, no repetirlos por cada exponente
φ(60), con 60=2²·3·5.
Factores
60(1−1/2)(1−1/3)(1−1/5).
Calcular
60·(1/2)·(2/3)·(4/5)=16.Interpretar
Se excluyen clases que comparten dos, tres o cinco con sesenta.
φ(60)=16.
El factor correspondiente a dos aparece una vez, aunque sesenta contenga dos al cuadrado.
No multiplicar totientes de módulos que comparten factores
Compara φ(4)φ(6) y φ(24).
Dos cuentas
φ(4)=2 y φ(6)=2, producto cuatro.Producto de módulos
φ(24)=24(1/2)(2/3)=8.Hipótesis
Cuatro y seis no son coprimos.
La igualdad multiplicativa no vale en este ejemplo.
No contradice la regla: faltaba la condición que impedía compartir primos entre los dos factores.
4. Euler se demuestra reordenando la lista de unidades
Cada arᵢ es unidad; si arᵢ≡arⱼ, cancelamos a y obtenemos rᵢ≡rⱼ. Los h productos son distintos y recorren la misma lista en otro orden.
P es invertible porque sus factores lo son, y cancelarlo da a^φ(m)≡1. La prueba muestra exactamente dónde se utiliza mcd(a,m)=1.
La permutación de la tabla
Multiplica U(10) por tres.
Filas
1,3,7,9 se transforman en 3,9,1,7.
Mismo producto
Si P=1·3·7·9, las filas dan 3⁴P≡P.Cancelar
P es unidad, así que 3⁴≡1 módulo diez.
Euler funciona aquí con φ(10)=4.
El argumento no cancela un producto simplemente por ser no nulo: se verificó que todos sus factores eran unidades.
Una lista distinta con el mismo mecanismo
Multiplica U(8)={1,3,5,7} por tres.
Imágenes
3,1,7,5, sin perder ni repetir ninguna clase.
Multiplicar
3⁴(1·3·5·7)≡1·3·5·7.
Cancelar
Tres a la cuarta es congruente con uno.
Euler garantiza 3⁴≡1 módulo ocho.
Puede haber un regreso anterior; el teorema no afirma que φ(m) sea el menor período.
5. Fermat es Euler para un primo y tiene dos formas con hipótesis diferentes
Es el pequeño teorema de Fermat. No se refiere al último teorema de Fermat sobre ecuaciones de potencias.
Multiplicar por a da aᵖ≡a. Esta segunda forma vale para todo entero a: cuando p|a ambos lados son cero, y cuando no, se deduce de la primera. En cambio no afirmamos a^(p−1)≡1 si la base es múltiplo del primo.
Una base invertible
a=2, p=11.
Hipótesis
Once es primo y no divide dos.
Primera forma
2¹⁰≡1 módulo once; 1024=93·11+1 lo comprueba.Segunda
2¹¹≡2 al multiplicar la primera congruencia por dos.
Las dos formas coinciden en este caso permitido.
El exponente que produce uno es p−1, no p.
Una base divisible por el primo
a=22 y p=11.
Base
22≡0 módulo once.
Forma general
22¹¹≡22≡0 es cierto.
Forma restringida
22¹⁰≡0, no uno, porque aquí no se cumple la hipótesis de unidad.
No se intercambian las dos versiones sin revisar condiciones.
El caso divisible por p no necesita exponentes gigantes: reducir la base a cero decide el resultado.
6. El orden es el primer regreso a uno y divide a φ(m)
Para una unidad a, su orden t es el menor exponente positivo con aᵗ≡1.
La minimalidad obliga a r=0; t divide todo exponente de regreso, en particular φ(m).
Así φ(m) da un período garantizado, no necesariamente el más corto. Calcular el orden puede reducir aún más el trabajo. Esta es una noción multiplicativa; el orden de una clase en el grupo aditivo sería otra pregunta.
Un orden que coincide con el totiente
Dos módulo nueve.
Potencias
2²≡4 y 2³≡8≡−1, por tanto 2⁶≡1.
Divisores de seis
Los candidatos propios 1,2,3 no dan uno.
Minimalidad
El orden es seis, igual a φ(9).
ord₉(2)=6.
Basta descartar divisores propios del exponente de regreso seis porque el orden tiene que dividirlo.
Un orden bastante menor
Cuatro módulo quince.
Regreso
4²=16≡1 y 4≢1.Orden
El primero es dos.
Comparar
φ(15)=8; el período garantizado no era mínimo.
ord₁₅(4)=2.
Reducir exponentes módulo ocho sigue siendo válido, pero hacerlo módulo dos resulta más corto.
7. Reducir exponentes separa vueltas completas, sin cambiar el módulo del resultado
El exponente se reduce módulo φ(m), mientras el resultado sigue calculándose módulo m.
La elevación por cuadrados, en cambio, solo necesita reglas de producto: calcula a,a²,a⁴,… con reducción en cada paso y combina los exponentes de la escritura binaria de e. Funciona también con no unidades; lo que exige coprimalidad es la reducción por Euler.
Un exponente grande se convierte en uno pequeño
7²²² módulo veinte.
Condiciones
mcd(7,20)=1 y φ(20)=8.Exponente
222=27·8+6, así que basta 7⁶.Cuadrados
7²≡9, 7⁴≡1 y 7⁶≡9 módulo veinte.
El resto es 9.
También 7⁴≡1 permite reducir por su orden cuatro; ambas vías son coherentes.
Cuadrados válidos sin usar Euler
6¹² módulo catorce.
No unidad
mcd(6,14)=2, así que no reducimos por φ(14)=6.Potencias
6²≡8; 6⁴≡8²≡8; 6⁸≡8.
Combinar
12=8+4, por tanto 6¹²≡8·8≡8.
El resto es 8.
Reducir doce a cero módulo seis habría dado uno, una respuesta falsa en este caso sin coprimalidad.
8. Una potencia de regreso a uno también da el inverso
Euler da a·a^(φ(m)−1)≡1, así el inverso de una unidad se puede calcular como esa potencia. En módulo primo p, a⁻¹≡a^(p−2). Si p=2, el exponente es cero y la única clase no nula es uno, por lo que la fórmula sigue funcionando.
Euclides extendido suele dar el inverso sin conocer φ(m), y puede ser más corto. Las fórmulas por potencias son útiles cuando ya conocemos el módulo primo o tenemos exponenciación eficaz. En cualquiera de las dos vías, multiplicar debe devolver uno.
Un inverso primo por una potencia pequeña
Invierte cinco módulo trece.
Fermat
El inverso es 5¹¹.
Cuadrados
5²≡−1, 5⁴≡1 y 5⁸≡1.
Producto
5¹¹=5⁸5²5≡−5≡8.
5⁻¹≡8 módulo trece.
5·8=40≡1 verifica la inversión.
Euler también invierte con módulo compuesto
Invierte tres módulo diez.
Totiente
φ(10)=4 y tres es coprimo con diez.Potencia
3⁻¹≡3³=27≡7.Contraste
1=10−3·3 da por Bézout el inverso −3, también de clase siete.
El inverso es 7 por ambos métodos.
No se necesita que el módulo sea primo para usar Euler; sí que la base sea unidad.
9. Un fallo puede descartar primalidad; un éxito aislado no la certifica
Si mcd(a,n)=1 y a^(n−1) no es uno módulo n, n no puede ser primo por Fermat. Pero si da uno, puede ser primo o compuesto. Pasar una sola base no invierte lógicamente un teorema con hipótesis de primalidad.
También mantenemos la hipótesis de Euler: una base no unidad puede tener potencias que repiten sin volver a uno. No confundimos repetición eventual con un ciclo del grupo de unidades.
Euler no se aplica a una base no unidad
Tres módulo nueve.
Totiente
φ(9)=6, pero mcd(3,9)=3.Potencia real
3⁶ es múltiplo de nueve, así que su resto es cero.
Reducción falsa
Sustituir el exponente seis por cero daría 3⁰=1.
La condición de coprimalidad no se puede quitar.
Las potencias de tres terminan en cero módulo nueve; repetir cero no es volver a la unidad uno.
Un compuesto que supera una prueba de Fermat
n=91 y base tres.
Compuesto
91=7·13 y es coprimo con tres.Regreso corto
3⁶=729=8·91+1.Prueba
3⁹⁰=(3⁶)¹⁵≡1, aunque noventa es n−1 y n sea compuesto.
Superar Fermat para esa base no demuestra primalidad.
El ejemplo no contradice Fermat: el teorema implicaba una congruencia desde primalidad, no la implicación inversa.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Potencia grande
Calcula el resto de 3¹⁰⁰ entre 7.
Hipótesis
Siete es primo y no divide tres.
Fermat
3⁶≡1 módulo siete.
Dividir exponente
100=16·6+4.Separar
3¹⁰⁰≡(3⁶)¹⁶3⁴≡3⁴.
Calcular
3²≡2, así que 3⁴≡4.
Resto
Cuatro es el representante de cero a seis pedido. También 3³≡−1 confirma el regreso en seis.
Resto 4.
3³=27≡−1 y por tanto 3⁶≡1. Además 100≡4 módulo seis, lo que confirma la misma reducción.
EJEMPLO RESUELTO 2
Totiente
Calcula φ(12).
Qué cuenta
φ(12) cuenta las clases coprimas con doce.
Primos
12=2²·3: los primos distintos son dos y tres.
Fórmula
φ(12)=12(1−1/2)(1−1/3).Primero
12·1/2=6.Segundo
6·2/3=4.Lista
Las cuatro clases son 1,5,7,11, todas con mcd uno respecto de doce.
φ(12)=4.
La enumeración 1,5,7,11 coincide con el cálculo de la fórmula. Cada uno tiene mcd uno con doce.
Los símbolos que hemos usado
- φ(m)
- Totiente de Euler: número de clases invertibles módulo m.
- (Z/mZ)×
- Grupo de unidades, es decir, clases [a] con mcd(a,m)=1, bajo el producto.
- ord_m(a)
- Menor entero t>0 con aᵗ≡1 módulo m, definido si a es invertible.
- p
- En el teorema de Fermat, un número primo.
- aᵉ mod m
- Clase o resto de la potencia aᵉ al dividir por el módulo m.
- Pseudoprimo en base a
- Compuesto n coprimo con a que cumple a^(n−1)≡1 módulo n.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
Practicar este tema →