Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Cấp và Chỉ Số Cho Số Nguyên Theo Modulo

• Tác giả: Phạm Thị Định
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Thị Ngoan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp
• Đề tài: Ứng Dụng Cấp Và Chỉ Số Trong Số Nguyên Theo Modulo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ toán học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
• 1.1. Lý thuyết chia hết trong tập số nguyên
• 1.2. Đồng dư thức và phương trình đồng dư
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA CẤP VÀ CHỈ SỐ CỦA SỐ NGUYÊN
• 2.1. Khái niệm, ví dụ, tính chất cơ bản về cấp cho số nguyên theo modulo
• 2.2. Khái niệm và tính chất của căn nguyên thủy modulo
• 2.3. Cấp cho số nguyên theo modulo và ứng dụng để kiểm tra tính nguyên tố
• 2.4. Cấp cho số nguyên theo modulo và ứng dụng nhận diện các căn nguyên thủy của số nguyên tố
• 2.5. Cấp cho số nguyên theo modulo và áp dụng nhận diện số nguyên có căn nguyên thủy
• 2.6. Chỉ số cho số nguyên theo modulo và ứng dụng
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Cấp và Chỉ Số Số Nguyên Theo Modulo Là Gì

Luận văn này nghiên cứu về khái niệm và tính chất của cấp và chỉ số cho số nguyên theo modulo m, đồng thời xét một số ứng dụng điển hình của chúng trong các bài toán số học liên quan. Luận văn chia thành hai chương, cung cấp nền tảng lý thuyết và đi sâu vào các ứng dụng cụ thể. Mục tiêu chính là làm rõ vai trò của modulo arithmetic trong việc giải quyết các vấn đề số học. Chương 1 trình bày kiến thức chuẩn bị về lý thuyết chia hết trong tập số nguyên và đồng dư thức. Các kiến thức này là nền tảng để hiểu sâu hơn về cấp và chỉ số. Việc nắm vững các khái niệm cơ bản này giúp người đọc dễ dàng tiếp cận các ứng dụng phức tạp hơn ở chương sau. Luận văn cũng đưa ra nhiều ví dụ minh họa để người đọc dễ theo dõi, và đây cũng là những bài tập thích hợp cho phổ thông.

1.1. Định Nghĩa Cơ Bản về Số Nguyên Đồng Dư Modulo

Số nguyên a đồng dư với b theo modulo m nếu a và b có cùng số dư khi chia cho m. Kí hiệu: a ≡ b (mod m). Ví dụ: 3 ≡ 10 (mod 7), −25 ≡ 23 (mod 8). Điều này tương đương với việc m chia hết a - b, hay tồn tại số nguyên t sao cho a = b + mt. Đồng dư thức có nhiều tính chất quan trọng như cộng, trừ, nhân từng vế theo cùng một modulo. Các tính chất này tạo nên nền tảng cho việc giải quyết các bài toán liên quan đến chia hết và số dư.

1.2. Khái Niệm về Lớp Thặng Dư và Hệ Thặng Dư Đầy Đủ Modulo

Quan hệ đồng dư theo modulo m là một quan hệ tương đương trong tập số nguyên Z, tạo ra tập thương Zm, gọi là tập các lớp thặng dư modulo m. Mỗi phần tử A của Zm là một lớp thặng dư modulo m, kí hiệu a = {x ∈ Z | x ≡ a (mod m)}. Tập Zm có m phần tử. Hệ thặng dư đầy đủ modulo m là tập hợp các số nguyên lấy ra ở mỗi lớp thặng dư của Zm một và chỉ một số. Ví dụ, {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} là một hệ thặng dư đầy đủ modulo 8.

II. Bí Quyết Tính Cấp của Số Nguyên Theo Modulo Nhanh Chóng

Chương 2 tập trung vào các khái niệm và ứng dụng của cấp của số nguyên theo modulo, căn nguyên thủy modulo, và chỉ số cho số nguyên theo modulo. Cấp của số nguyên a theo modulo m (với a nguyên tố với m) là số mũ nguyên dương nhỏ nhất e sao cho ae ≡ 1 (mod m), kí hiệu e = ordm a. Sau đó, luận văn giới thiệu khái niệm và tính chất của căn nguyên thủy cho số nguyên theo modulo m, đó là thặng dư không âm nhỏ nhất α modulo m thỏa mãn ordm α = ϕ(m). Khái niệm căn nguyên thủy modulo m có nhiều ứng dụng trong số học, chẳng hạn nó sẽ sinh ra đủ ϕ(m) thặng dư nguyên tố với modulo m.

2.1. Định Nghĩa và Tính Chất Của Cấp Số Nguyên Theo Modulo

Cấp của a modulo m (ordm a) là số mũ e nhỏ nhất sao cho ae ≡ 1 (mod m), với ƯCLN(a, m) = 1. Cấp luôn tồn tại vì theo định lý Euler, a^(ϕ(m)) ≡ 1 (mod m). Cấp đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc của nhóm nhân các số nguyên modulo n (Zn*). Việc tìm cấp của một số modulo m có thể được thực hiện bằng cách thử các ước của ϕ(m).

2.2. Mối Quan Hệ Giữa Cấp và Hàm Euler ϕ m

Cấp của a modulo m luôn là ước của ϕ(m). Đây là một kết quả quan trọng giúp giới hạn phạm vi tìm kiếm cấp. Ví dụ, nếu m là số nguyên tố p, thì ϕ(p) = p-1, do đó cấp của a modulo p phải là ước của p-1. Điều này có ứng dụng trong việc kiểm tra tính nguyên tố.

2.3. Thuật Toán Tính Cấp Số Nguyên Theo Modulo Hiệu Quả

Để tính cấp của a modulo m, ta cần phân tích ϕ(m) thành thừa số nguyên tố. Sau đó, kiểm tra xem a^(ϕ(m)/p) ≡ 1 (mod m) với mọi ước nguyên tố p của ϕ(m). Nếu không thỏa mãn với bất kỳ p nào, thì cấp của a modulo m là ϕ(m). Ngược lại, cấp sẽ là một ước của ϕ(m)/p, và ta tiếp tục quá trình này cho đến khi tìm ra giá trị nhỏ nhất thỏa mãn.

III. Ứng Dụng Cấp Số Nguyên Modulo Kiểm Tra Tính Nguyên Tố

Luận văn khảo sát tiêu chuẩn để kiểm tra tính nguyên tố của một số số nguyên dương bằng cách ứng dụng các tính chất của cấp cho số nguyên theo modulo và căn nguyên thủy modulo (Định lý 2). Vì vai trò quan trọng của căn nguyên thủy trong số học và những bài toán liên quan nên, luận văn khảo sát kĩ hơn về bài toán nhận diện các căn nguyên thủy modulo số nguyên tố (Định lý 2.7), đó cũng là áp dụng hiệu quả của cấp cho số nguyên theo modulo.

3.1. Định Lý Lucas và Ứng Dụng Kiểm Tra Số Nguyên Tố

Định lý Lucas cung cấp một tiêu chuẩn để kiểm tra tính nguyên tố của một số n dựa trên việc tìm một số a sao cho a^(n-1) ≡ 1 (mod n) và a^((n-1)/q) ≠ 1 (mod n) với mọi ước nguyên tố q của n-1. Nếu tồn tại một số a như vậy, thì n là số nguyên tố. Ứng dụng này dựa trên mối quan hệ giữa cấp và định lý Fermat nhỏ.

3.2. Phương Pháp Sử Dụng Cấp để Chứng Minh Tính Nguyên Tố

Để chứng minh một số n là số nguyên tố bằng cách sử dụng cấp, ta cần tìm một số a sao cho cấp của a modulo n là n-1. Điều này có nghĩa là a là căn nguyên thủy modulo n, và theo một định lý, nếu n có căn nguyên thủy thì n phải là số nguyên tố. Quá trình tìm kiếm a có thể tốn thời gian, nhưng đây là một phương pháp hiệu quả khi các phương pháp khác khó áp dụng.

3.3. Ví Dụ Minh Họa Kiểm Tra Tính Nguyên Tố Bằng Cấp Modulo

Xét số n = 7. Ta cần tìm a sao cho cấp của a modulo 7 là 6. Chọn a = 3. Ta có 3^1 ≡ 3 (mod 7), 3^2 ≡ 2 (mod 7), 3^3 ≡ 6 (mod 7), 3^4 ≡ 4 (mod 7), 3^5 ≡ 5 (mod 7), và 3^6 ≡ 1 (mod 7). Do đó, cấp của 3 modulo 7 là 6, và 7 là số nguyên tố. Ví dụ này minh họa cách áp dụng cấp để chứng minh tính nguyên tố.

IV. Hướng Dẫn Nhận Diện Căn Nguyên Thủy Modulo Số Nguyên Tố

Luận văn cũng đề cập đến việc nhận diện các căn nguyên thủy modulo số nguyên tố. Lưu ý rằng có những số nguyên dương không có căn nguyên thủy, chẳng hạn số 8, số 12 đều không có căn nguyên thủy. Do đó, luận văn trình bày ứng dụng của cấp cho số nguyên theo modulo vào bài toán nhận diện lớp các số nguyên dương có các căn nguyên thủy, đó là các số nguyên 1, 2, 4, pk, 2pk với p là số nguyên tố lẻ (Định lý 2).

4.1. Tiêu Chuẩn Nhận Biết Căn Nguyên Thủy Modulo p

Một số g là căn nguyên thủy modulo p nếu cấp của g modulo p là p-1, tức là ordp(g) = p-1. Điều này có nghĩa là g^(p-1) ≡ 1 (mod p), và g^((p-1)/q) ≠ 1 (mod p) với mọi ước nguyên tố q của p-1. Để kiểm tra xem một số có phải là căn nguyên thủy hay không, ta cần kiểm tra tất cả các ước nguyên tố của p-1.

4.2. Số Lượng Căn Nguyên Thủy Modulo Số Nguyên Tố p

Nếu p là số nguyên tố, thì số lượng căn nguyên thủy modulo p là ϕ(p-1). Điều này có nghĩa là số lượng các số mà cấp của chúng modulo p là p-1 là ϕ(p-1). Ví dụ, nếu p = 7, thì p-1 = 6, và ϕ(6) = 2. Do đó, có 2 căn nguyên thủy modulo 7. (Chúng là 3 và 5).

4.3. Phương Pháp Tìm Căn Nguyên Thủy Modulo p Hiệu Quả

Việc tìm căn nguyên thủy có thể tốn thời gian. Một phương pháp là chọn ngẫu nhiên các số từ 2 đến p-1 và kiểm tra xem chúng có phải là căn nguyên thủy hay không. Khi tìm thấy một căn nguyên thủy g, ta có thể tạo ra tất cả các căn nguyên thủy khác bằng cách tính g^k (mod p), với ƯCLN(k, p-1) = 1. (Các số k này thuộc hệ thặng dư thu gọn modulo (p-1))

V. Số Nguyên Có Căn Nguyên Thủy Điều Kiện Cần và Đủ

Không phải số nguyên nào cũng có căn nguyên thủy. Luận văn trình bày các điều kiện để một số nguyên dương có căn nguyên thủy. Cụ thể, một số nguyên dương m có căn nguyên thủy khi và chỉ khi m có dạng 1, 2, 4, pk, hoặc 2pk, với p là số nguyên tố lẻ và k là số nguyên dương. Chứng minh cho kết quả này dựa trên việc phân tích cấu trúc của nhóm nhân các số nguyên modulo m.

5.1. Định Lý Về Số Nguyên Có Căn Nguyên Thủy

Định lý quan trọng xác định rằng chỉ các số có dạng 1, 2, 4, pk, hoặc 2pk (với p là số nguyên tố lẻ và k ≥ 1) mới có căn nguyên thủy. Các số khác, ví dụ như 8 hoặc 12, không có căn nguyên thủy. Chứng minh định lý này sử dụng các kết quả về cấu trúc nhóm nhân các số nguyên modulo n.

5.2. Ví Dụ Về Các Số Có và Không Có Căn Nguyên Thủy

Ví dụ, số 7 (là số nguyên tố) có căn nguyên thủy (ví dụ: 3). Số 9 (3^2) cũng có căn nguyên thủy (ví dụ: 2). Tuy nhiên, số 8 (2^3) không có căn nguyên thủy. Số 15 (3 * 5) cũng không có căn nguyên thủy. Các ví dụ này minh họa định lý về các số có và không có căn nguyên thủy.

5.3. Ứng Dụng của Điều Kiện Cần và Đủ

Điều kiện cần và đủ giúp ta nhanh chóng xác định xem một số có căn nguyên thủy hay không. Nếu số đó không thuộc dạng 1, 2, 4, pk, hoặc 2pk, thì ta biết ngay là nó không có căn nguyên thủy, và không cần phải tìm kiếm. Điều này tiết kiệm thời gian và công sức trong các bài toán liên quan đến lý thuyết số.

VI. Chỉ Số Số Nguyên Modulo và Các Ứng Dụng Giải Phương Trình

Phần cuối của luận văn giới thiệu khái niệm chỉ số cho số nguyên theo modulo đối với một cơ số, và xét một số ứng dụng vào phương trình đồng dư. Khái niệm chỉ số tương tự như khái niệm logarit trong số thực, nhưng áp dụng cho số nguyên modulo m. Nó có ứng dụng trong việc giải các phương trình đồng dư và các bài toán liên quan đến discrete logarithm.

6.1. Định Nghĩa và Tính Chất Của Chỉ Số Số Nguyên Modulo

Nếu r là căn nguyên thủy modulo m, thì chỉ số của a modulo m (với cơ số r) là số k sao cho r^k ≡ a (mod m). Kí hiệu: indr(a) = k. Chỉ số có các tính chất tương tự như logarit, ví dụ: indr(ab) ≡ indr(a) + indr(b) (mod ϕ(m)).

6.2. Ứng Dụng Chỉ Số Giải Phương Trình Đồng Dư

Chỉ số có thể được sử dụng để giải các phương trình đồng dư dạng x^n ≡ a (mod m). Bằng cách lấy chỉ số của cả hai vế, ta có n * indr(x) ≡ indr(a) (mod ϕ(m)). Phương trình này là một phương trình tuyến tính, có thể giải được bằng các phương pháp thông thường.

6.3. Ví Dụ Minh Họa Giải Phương Trình Bằng Chỉ Số Modulo

Xét phương trình x^3 ≡ 2 (mod 7). Ta biết 3 là căn nguyên thủy modulo 7. Bảng chỉ số (với cơ số 3) là: ind3(1) = 0, ind3(2) = 2, ind3(3) = 1, ind3(4) = 4, ind3(5) = 5, ind3(6) = 3. Phương trình trở thành 3 * ind3(x) ≡ 2 (mod 6). Giải phương trình này, ta được ind3(x) ≡ 4 (mod 6). Do đó, x ≡ 3^4 ≡ 4 (mod 7). Vậy nghiệm của phương trình là x ≡ 4 (mod 7).