From 37ab44c308522b1fef3419c4b6feb49e2e4e2096 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Antti H S Laaksonen Date: Wed, 11 Jan 2017 21:02:34 +0200 Subject: [PATCH] Chapter 21 first version --- luku21.tex | 234 ++++++++++++++++++++++++++--------------------------- 1 file changed, 116 insertions(+), 118 deletions(-) diff --git a/luku21.tex b/luku21.tex index 07fc5aa..a258f4b 100644 --- a/luku21.tex +++ b/luku21.tex @@ -452,14 +452,14 @@ because if $m$ is a prime, then $\varphi(m)=m-1$. \index{modular inverse} -The modular inverse of $x$ modulo $m$ +The inverse of $x$ modulo $m$ is a number $x^{-1}$ such that \[ x x^{-1} \bmod m = 1. \] For example, if $x=6$ and $m=17$, then $x^{-1}=3$, because $6\cdot3 \bmod 17=1$. -Using modular inverses, we can do divisions -for remainders, because division by $x$ +Using modular inverses, we can divide numbers +modulo $m$, because division by $x$ corresponds to multiplication by $x^{-1}$. For example, to evaluate the value of $36/6 \bmod 17$, we can use the formula $2 \cdot 3 \bmod 17$, @@ -469,7 +469,7 @@ However, a modular inverse doesn't always exist. For example, if $x=2$ and $m=4$, the equation \[ x x^{-1} \bmod m = 1. \] can't be solved, because all multiples of the number 2 -are even, and the remainder can never be 1. +are even, and the remainder can never be 1 when $m=4$. It turns out that the number $x^{-1} \bmod m$ exists exactly when $x$ and $m$ are coprime. @@ -518,54 +518,53 @@ unsigned int x = 123456789; cout << x*x << "\n"; // 2537071545 \end{lstlisting} -\section{Yhtälönratkaisu} +\section{Solving equations} -\index{Diofantoksen yhtxlz@Diofantoksen yhtälö} +\index{Diophantine equation} -\key{Diofantoksen yhtälö} on muotoa +A \key{Diophantine equation} is of the form \[ ax + by = c, \] -missä $a$, $b$ ja $c$ ovat vakioita -ja tehtävänä on ratkaista muuttujat $x$ ja $y$. -Jokaisen yhtälössä esiintyvän luvun tulee -olla kokonaisluku. -Esimerkiksi jos yhtälö on $5x+2y=11$, yksi ratkaisu -on valita $x=3$ ja $y=-2$. +where $a$, $b$ and $c$ are constants, +and our tasks is to solve variables $x$ and $y$. +Each number in the equation has to be an integer. +For example, one solution for the equation +$5x+2y=11$ is $x=3$ and $y=-2$. -\index{Eukleideen algoritmi@Eukleideen algoritmi} +\index{Euclid's algorithm} -Diofantoksen yhtälön voi ratkaista -tehokkaasti Eukleideen algoritmin avulla, -koska Eukleideen algoritmia laajentamalla -pystyy löytämään luvun $\textrm{syt}(a,b)$ -lisäksi luvut $x$ ja $y$, -jotka toteuttavat yhtälön +We can efficiently solve a Diophantine equation +by using Euclid's algorithm. +It turns out that we can extend Euclid's algorithm +so that it will find numbers $x$ and $y$ +that satisfy the following equation: \[ -ax + by = \textrm{syt}(a,b). +ax + by = \textrm{syt}(a,b) \] -Diofantoksen yhtälön ratkaisu on olemassa, jos $c$ on -jaollinen $\textrm{syt}(a,b)$:llä, -ja muussa tapauksessa yhtälöllä ei ole ratkaisua. +A Diophantine equation can be solved if +$c$ is divisible by +$\textrm{gcd}(a,b)$, +and otherwise it can't be solved. -\index{laajennettu Eukleideen algoritmi@laajennettu Eukleideen algoritmi} +\index{extended Euclid's algorithm} -\subsubsection*{Laajennettu Eukleideen algoritmi} +\subsubsection*{Extended Euclid's algorithm} -Etsitään esimerkkinä luvut $x$ ja $y$, -jotka toteuttavat yhtälön +As an example, let's find numbers $x$ and $y$ +that satisfy the following equation: \[ -39x + 15y = 12. +39x + 15y = 12 \] -Yhtälöllä on ratkaisu, koska $\textrm{syt}(39,15)=3$ -ja $3 \mid 12$. -Kun Eukleideen algoritmi laskee lukujen -39 ja 15 suurimman -yhteisen tekijän, syntyy ketju +The equation can be solved, because +$\textrm{syt}(39,15)=3$ and $3 \mid 12$. +When Euclid's algorithm calculates the +greatest common divisor of 39 and 15, +it produces the following sequence of function calls: \[ -\textrm{syt}(39,15) = \textrm{syt}(15,9) -= \textrm{syt}(9,6) = \textrm{syt}(6,3) -= \textrm{syt}(3,0) = 3. \] -Algoritmin aikana muodostuvat jakoyhtälöt ovat: +\textrm{gcd}(39,15) = \textrm{gcd}(15,9) += \textrm{gcd}(9,6) = \textrm{gcd}(6,3) += \textrm{gcd}(3,0) = 3 \] +This corresponds to the following equations: \[ \begin{array}{lcl} 39 - 2 \cdot 15 & = & 9 \\ @@ -573,29 +572,30 @@ Algoritmin aikana muodostuvat jakoyhtälöt ovat: 9 - 1 \cdot 6 & = & 3 \\ \end{array} \] -Näiden yhtälöiden avulla saadaan +Using these equations, we can derive \[ 39 \cdot 2 + 15 \cdot (-5) = 3 \] -ja kertomalla yhtälö 4:lla tuloksena on +and by multiplying this by 4, the result is \[ 39 \cdot 8 + 15 \cdot (-20) = 12, \] -joten alkuperäisen yhtälön ratkaisu on $x=8$ ja $y=-20$. +so a solution for the original equation is +$x=8$ and $y=-20$. -Diofantoksen yhtälön ratkaisu ei ole yksikäsitteinen, -vaan yhdestä ratkaisusta on mahdollista muodostaa -äärettömästi muita ratkaisuja. -Kun yhtälön ratkaisu on $(x,y)$, -niin myös -\[(x+\frac{kb}{\textrm{syt}(a,b)},y-\frac{ka}{\textrm{syt}(a,b)})\] -on ratkaisu, missä $k$ on mikä tahansa kokonaisluku. +A solution for a Diophantine equation is not unique, +but we can form an infinite number of solutions +if we know one solution. +If the pair $(x,y)$ is a solution, then also the pair +\[(x+\frac{kb}{\textrm{gcd}(a,b)},y-\frac{ka}{\textrm{gcd}(a,b)})\] +is a solution where $k$ is any integer. -\subsubsection{Kiinalainen jäännöslause} +\subsubsection{Chinese remainder theorem} -\index{kiinalainen jxxnnzslause@kiinalainen jäännöslause} +\index{Chinese remainder theorem} -\key{Kiinalainen jäännöslause} ratkaisee yhtälöryhmän muotoa +The \key{Chinese remainder theorem} solves +a group of equations of the form \[ \begin{array}{lcl} x & = & a_1 \bmod m_1 \\ @@ -604,24 +604,22 @@ x & = & a_2 \bmod m_2 \\ x & = & a_n \bmod m_n \\ \end{array} \] -missä kaikki parit luvuista $m_1,m_2,\ldots,m_n$ -ovat suhteellisia alkulukuja. +where all pairs of $m_1,m_2,\ldots,m_n$ are coprime. -Olkoon $x^{-1}_m$ luvun $x$ käänteisluku -modulo $m$ ja +Let $x^{-1}_m$ be the inverse of $x$ modulo $m$, and \[ X_k = \frac{m_1 m_2 \cdots m_n}{m_k}.\] -Näitä merkintöjä käyttäen yhtälöryhmän ratkaisu on +Using this notation, a solution for the equations is \[x = a_1 X_1 {X_1}^{-1}_{m_1} + a_2 X_2 {X_2}^{-1}_{m_2} + \cdots + a_n X_n {X_n}^{-1}_{m_n}.\] -Tässä ratkaisussa jokaiselle luvulle $k=1,2,\ldots,n$ -pätee, että +In this solution, it holds for each number +$k=1,2,\ldots,n$ that \[a_k X_k {X_k}^{-1}_{m_k} \bmod m_k = a_k,\] -sillä +because \[X_k {X_k}^{-1}_{m_k} \bmod m_k = 1.\] -Koska kaikki muut summan osat ovat jaollisia luvulla -$m_k$, ne eivät vaikuta jakojäännökseen ja -koko summan jakojäännös $m_k$:lla on $a_k$. +Since all other terms in the sum are divisible by $m_k$, +they have no effect on the remainder, +and the remainder by $m_k$ for the whole sum is $a_k$. -Esimerkiksi yhtälöryhmän +For example, a solution for \[ \begin{array}{lcl} x & = & 3 \bmod 5 \\ @@ -629,84 +627,84 @@ x & = & 4 \bmod 7 \\ x & = & 2 \bmod 3 \\ \end{array} \] -ratkaisu on +is \[ 3 \cdot 21 \cdot 1 + 4 \cdot 15 \cdot 1 + 2 \cdot 35 \cdot 2 = 263.\] -Kun yksi ratkaisu $x$ on löytynyt, -sen avulla voi muodostaa äärettömästi -erilaisia ratkaisuja, koska kaikki luvut muotoa +Once we have found a solution $x$, +we can create an infinite number of other solutions, +because all numbers of the form \[x+m_1 m_2 \cdots m_n\] -ovat ratkaisuja. +are solutions. +\section{Other results} -\section{Muita tuloksia} +\subsubsection{Lagrange's theorem} -\subsubsection{Lagrangen lause} +\index{Lagrange's theorem} -\index{Lagrangen lause@Lagrangen lause} +\key{Lagrange's theorem} states that every positive integer +can be represented as a sum of four squares, i.e., +$a^2+b^2+c^2+d^2$. +For example, the number 123 can be represented +as the sum $8^2+5^2+5^2+3^2$. -\key{Lagrangen lauseen} mukaan jokainen positiivinen kokonaisluku voidaan -esittää neljän neliöluvun summana eli muodossa $a^2+b^2+c^2+d^2$. -Esimerkiksi luku 123 voidaan esittää muodossa $8^2+5^2+5^2+3^2$. +\subsubsection{Zeckendorf's theorem} -\subsubsection{Zeckendorfin lause} +\index{Zeckendorf's theorem} +\index{Fibonacci number} -\index{Zeckendorfin lause@Zeckendorfin lause} -\index{Fibonaccin luku@Fibonaccin luku} +\key{Zeckendorf's theorem} states that every +positive integer has a unique representation +as a sum of Fibonacci numbers such that +no two numbers are the same of successive +Fibonacci numbers. +For example, the number 74 can be represented +as the sum $55+13+5+1$. -\key{Zeckendorfin lauseen} mukaan -jokaiselle positiiviselle kokonaisluvulle -on olemassa yksikäsitteinen esitys -Fibonaccin lukujen summana niin, että -mitkään kaksi lukua eivät ole samat eivätkä peräkkäiset -Fibonaccin luvut. -Esimerkiksi luku 74 voidaan esittää muodossa -$55+13+5+1$. +\subsubsection{Pythagorean triples} -\subsubsection{Pythagoraan kolmikot} +\index{Pythagorean triple} +\index{Euclid's formula} -\index{Pythagoraan kolmikko@Pythagoraan kolmikko} -\index{Eukleideen kaava@Eukleideen kaava} +A \key{Pythagorean triple} is a triple $(a,b,c)$ +that satisfies the Pythagorean theorem +$a^2+b^2=c^2$, which means that there is a right triangle +with side lengths $a$, $b$ and $c$. +For example, $(3,4,5)$ is a Pythagorean triple. -\key{Pythagoraan kolmikko} on lukukolmikko $(a,b,c)$, -joka toteuttaa Pythagoraan lauseen $a^2+b^2=c^2$ -eli $a$, $b$ ja $c$ voivat olla suorakulmaisen -kolmion sivujen pituudet. -Esimerkiksi $(3,4,5)$ on Pythagoraan kolmikko. +If $(a,b,c)$ is a Pythagorean triple, +all triples of the form $(ka,kb,kc)$ +are also Pythagorean triples where $k>1$. +A Pythagorean triple is \key{primitive} if +$a$, $b$ and $c$ are coprime, +and all Pythagorean triples can be constructed +from primitive triples using a multiplier $k$. -Jos $(a,b,c)$ on Pythagoraan kolmikko, -niin myös kaikki kolmikot muotoa $(ka,kb,kc)$ -ovat Pythagoraan kolmikoita, -missä $k>1$. -Pythagoraan kolmikko on \key{primitiivinen}, -jos $a$, $b$ ja $c$ ovat suhteellisia alkulukuja, -ja primitiivisistä kolmikoista voi muodostaa -kaikki muut kolmikot kertoimen $k$ avulla. - -\key{Eukleideen kaavan} mukaan jokainen primitiivinen -Pythagoraan kolmikko on muotoa +\key{Euclid's formula} can be used to produce +all primitive Pythagorean triples. +Each such triple is of the form \[(n^2-m^2,2nm,n^2+m^2),\] -missä $0