Matematika v proměnách věků. I

Podobné dokumenty
O dělitelnosti čísel celých

O nerovnostech a nerovnicích

Co víme o přirozených číslech

Základy teorie grupoidů a grup

Neurčité rovnice. In: Jan Vyšín (author): Neurčité rovnice. (Czech). Praha: Jednota československých matematiků a fyziků, pp

Kongruence. 1. kapitola. Opakování základních pojmů o dělitelnosti

O dělitelnosti čísel celých

O dynamickém programování

Jubilejní almanach Jednoty čs. matematiků a fyziků

Úvod do neeukleidovské geometrie

Jednota českých matematiků a fyziků ve 150. roce aktivního života

Základy teorie matic

Symetrické funkce. In: Alois Kufner (author): Symetrické funkce. (Czech). Praha: Mladá fronta, pp

Co víme o přirozených číslech

Funkcionální rovnice

Základy teorie matic

Kongruence. 5. kapitola. Soustavy kongruencí o jedné neznámé s několika moduly

Kombinatorika. In: Antonín Vrba (author): Kombinatorika. (Czech). Praha: Mladá fronta, pp. 3 [6].

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

O rovnicích s parametry

Základy teorie grupoidů a grup

Determinanty a matice v theorii a praxi

Nerovnosti v trojúhelníku

O dynamickém programování

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Determinanty a matice v theorii a praxi

O dělitelnosti čísel celých

PANM 16. List of participants. Terms of use:

Matematika v 19. století

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Aritmetické hry a zábavy

Zlatý řez nejen v matematice

Úvod do filosofie matematiky

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

Matematika v proměnách věků. V

Booleova algebra. 1. kapitola. Množiny a Vennovy diagramy

PANM 14. List of participants. Terms of use:

Neurčité rovnice. In: Jan Vyšín (author): Neurčité rovnice. (Czech). Praha: Jednota československých matematiků a fyziků, pp

Plochy stavebně-inženýrské praxe

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Faktoriály a kombinační čísla

Jan Sobotka ( )

Základy teorie grupoidů a grup

Jaká je logická výstavba matematiky?

Kongruence. 2. kapitola. Kongruence a jejich základní vlastnosti

Základy teorie grupoidů a grup

Neurčité rovnice. In: Jan Vyšín (author): Neurčité rovnice. (Czech). Praha: Jednota československých matematiků a fyziků, pp

Základy teorie grupoidů a grup

Časopis pro pěstování matematiky

Nástin dějin vyučování v matematice (a také školy) v českých zemích do roku 1918

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

Kongruence. 4. kapitola. Kongruence o jedné neznámé. Lineární kongruence

Polynomy v moderní algebře

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Aritmetické hry a zábavy

Malý výlet do moderní matematiky

Historický vývoj geometrických transformací

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

Staroegyptská matematika. Hieratické matematické texty

Matematicko-fyzikálny časopis

Aplikace matematiky. Terms of use: Aplikace matematiky, Vol. 3 (1958), No. 5, Persistent URL:

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Konvexní útvary. Kapitola 4. Opěrné roviny konvexního útvaru v prostoru

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Faktoriály a kombinační čísla

O náhodě a pravděpodobnosti

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Plochy stavebně-inženýrské praxe

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Staroegyptská matematika. Hieratické matematické texty

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Dějepis Jednoty českých mathematiků

Jan Vilém Pexider ( )

PANM 18. List of participants. Terms of use:

Jaká je logická výstavba matematiky?

Faktoriály a kombinační čísla

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

O mnohoúhelnících a mnohostěnech

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

PANM 17. List of participants. Terms of use:

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Rovinné grafy. III. kapitola. Tři domy, tři studně a muří noha aneb věta Kuratowského

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Acta Universitatis Palackianae Olomucensis. Facultas Rerum Naturalium. Mathematica-Physica-Chemica

PANM 12. List of participants. Terms of use:

Staroegyptská matematika. Hieratické matematické texty

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Časopis pro pěstování matematiky

Komplexní čísla a funkce

Několik úloh z geometrie jednoduchých těles

Časopis pro pěstování mathematiky a fysiky

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

100 let Jednoty československých matematiků a fyziků

Časopis pro pěstování matematiky a fysiky

Transkript:

Matematika v proměnách věků. I Karel Lepka Souvislost mezi Fermatovými kvocienty a kvocientem Wilsonovým In: Jindřich Bečvář (editor); Eduard Fuchs (editor): Matematika v proměnách věků. I. Sborník. (Czech). Praha: Prometheus, 1998. pp. 142 146. Persistent URL: http://dml.cz/dmlcz/401615 Terms of use: Jednota českých matematiků a fyziků Institute of Mathematics of the Czech Academy of Sciences provides access to digitized documents strictly for personal use. Each copy of any part of this document must contain these Terms of use. This document has been digitized, optimized for electronic delivery and stamped with digital signature within the project DML-CZ: The Czech Digital Mathematics Library http://dml.cz

Pamětní deska MATYÁŠE LERCHA (1862-1922) na Přírodovědecké fakultě MU v Brně

SOUVISLOST MEZI FERMATOVÝMI KVOCIENTY A KVOCIENTEM WILSONOVÝM 143 KAREL LEPKÁ (Článek je věnován 75. výročí úmrtí M. Lercha) 3. srpna 1997 uplynulo již 75 let od chvíle, kdy v Sušici zemřel vynikající český matematik Matyáš Lerch. Tento článek chce čtenářům přiblížit tuto významnou osobnost naší vědy malou ukázkou z jeho díla. Úvodem mi však dovolte přece jen několik základních životopisných údajů. Lerch se narodil 20. února 1862 v Milínově v jihozápadních Cechách. Když mu bylo šest roků, utrpěl vážný úraz nohy s trvalými následky, takže se mohl pohybovat pouze s pomocí berle. Tento úraz mu sice překazil jeho původní záměr stát se středoškolským profesorem, mimořádnou osobnost tím však získala česká věda. Lerch byl naším prvním matematikem, který se výrazně prosadil mimo naši vlast a jemuž se dostalo uznání světové matematické veřejnosti. Z mnoha poct, které se mu během jeho života dostalo, připomínám Cenu Pařížské Akademie, kterou Lerch získal v roce 1900 za svou práci o kvadratických formách. Poslední třetina Lerchova života je spojena s Brnem; nejdříve působil jako profesor na brněnské technice, od roku 1920 až do své smrti vedl matematický ústav nově založené Masarykovy univerzity. Podrobnější údaje o jeho životě lze nalézt v publikacích, které jsou uvedeny v seznamu literatury. Lerch publikoval během svého života asi 230 prací, a to jak v renomovaných zahraničních časopisech, tak i v časopisech domácích. Jeho doménou byla především analýza, zabýval se také teorií čísel a projektivní geometrií. Lerch však bohužel nenapsal žádnou monografii či učebnici, ačkoliv dosažené výsledky by ho k tomu plně opravňovaly. V roce 1905, krátce před koncem svého švýcarského působení, publikoval Lerch práci [Le], v níž významným způsobem přispěl k pokroku v teorii Fermatova kvocientu. V úvodu této práce dokázal vztah mezi Fermatovými kvocienty a kvocientem Wilsonovým a na tento problém se podíváme podrobněji. Nejdříve uvedeme několik pojmů z elementární teorie čísel. Věta 1 (Fermat) 1 : Nechť p je prvočíslo, a kladné celé číslo nesoudělné s p. Potom platí a?~ l = 1 (mod p). Definice 1: Celé číslo se nazývá Fermatův kvocient. 1 Pierre de Fermat (1601-1665); francouzský matematik. Zakladatel teorie čísel, analytické geometrie a počtu pravděpodobnosti.

144 KAREL LEPKÁ Věta 2 (Wilson) 2 : Nechťp je prvočíslo. Potom platí (p 1)! = 1 (mod p). Definice 2: Celé číslo se nazývá Wilsonův kvocient. Ar = (P-l)' + l P Dnes je známa řada důkazů obou těchto vět. 3 Zajímavý důkaz podal Lagrange 4 ; jeho specifičnost spočívá v tom, že dokazuje současně jak Wilsonovu, tak Malou Fermatovu větu. Podívejme se na tento důkaz podrobněji. Předpokládejme, že p je liché prvočíslo (pro p = 2 je tvrzení Wilsonovy věty evidentní) a uvažujme rovnici (1) (ar + l)(x + 2)...(a:+p-l) = kde (2) x"- 1 + A l x p ~' 2 + A 2 x p - 3 + + Лp_ 2 x + A p - U A 1 = i + 2 + г + --- + () Л 2 = l-2 + l-3 + --- + 2-3 + --- + (p-2)(p-l) A p _i = 1.2-3...(p-l) Dosadíme-li do (1) x + 1 místo x, obdržíme (:r+ 2)(x+ 3) (_+p) = (x + l)*" 1 + Ai(x + l) p " 2 + + A p - 2 (x + 1) + A p _i. Vynásobíme-li obě strany této rovnice výrazem x + 1 a dosadíme-li do pravé strany z rovnice (1), dostaneme (3) (x +p)[x p " 1 + A x x p - 2 + + A p - 2 x + -4p_i] = (x + l) p + Ax{x + l) p_1 + + -4 p - 2 (x + l) 2 + Ap_i(x + 1), odkud porovnáním koeficientů u stejných mocnin x obdržíme následující rekurentní vzorce pro koeficienty A{. <«> M-(5) + ('.' 1 ) A (p - l)ap_i = 1 + Ai + A 2 + + -4p_ 3 + -4p_ 2. 2 John Wilson (1741-1793); člen britské Royal Society. 3 O Malé Fermatově větě pojednává mj. i článek [Lp2]. 4 Joseph Louis Lagrange (1736-1813); působil jako profesor v Turíně, Berlíně a Paříži. Vynikal jak v matematice (variační počet, algebra, analýza a teorie čísel), tak v mechanice. Podílel se i na reformě měrového systému za francouzské revoluce.

SOUVISLOST MEZI FERMATOVÝMI KVOCIENTY A KVOCIENTEM WILSONOVÝM 145 Jelikož p je prvočíslo, jsou koeficienty A_, Ai atd. až A p _2 dělitelné p a (p - l),4 p _i = 1 (mod p). Roznásobíme-li levou stranu a vezmeme-li v potaz, že podle (2) platí -A p = (p 1)!, obdržíme (p-l)! = -l (modp). Fermatova věta odsud vyplývá jako důsledek, neboť podle výše uvedených úvah platí (x - l)(x - 2) (x - p + 1) = x p ~ l - 1 (mod p). Současně je pro libovolné x splňující podmínku (x,p) = 1 jeden z činitelů na levé straně násobkem p a tedy platí x p ~ l -1 = 0 (mod p). Lerch v práci [Le] dokázal následující tvrzení: Věta 3 (Lerch): Nechť a je kladné celé číslo, p je liché prvočíslo. Potom platí (4) 2_>(a)=_\T (modp). Z definice Fermatova kvocientu plyne a p ~ l =l+pg(a). Vynásobíme-li tyto rovnice mezi sebou pro,2,...,p la označíme-li pro jednoduchost (p 1)! = P, obdržíme P p - 1 = Y[(l+pq(a)). Vypočháme-li součin na pravé straně a přejdeme-li ke kongruenci podle modulu p 2, odpadají všechny sčítance, které obsahují druhé a vyšší mocniny čísla p, takže dostaneme (5) P^EEl+p^a) (modp 2 ). Z definice Wilsonova kvocientu plyne o=l P = -l+pn.

146 KAREL LEPKÁ Umocníme-li obě strany této rovnice číslem p 1, a přejdeme-li ke kongruenci podle modulu p 2, obdržíme (6) P p ' l =l+pn (modp 2 ). Porovnáním kongruenci (5) a (6) obdržíme již uvedený vztah mezi Wilsonovými a Fermatovými kvocienty. Lerchovy výsledky jsou rovněž citovány v publikacích jiných autorů. Uveďme alespoň jednu takovou zajímavou citaci. Úloha číslo 5 na straně 225 v učebnici [Si] zní: Dokažte Lerchovu větu, že pro lichá prvočísla platí (7) l p - 1 +2 p - 1 +'-' + (p-l) p - 1 =p+(p-l)\ (modp 2 ). Kongruence (7) je důsledek Lerchovy věty 3. Vyjádříme-li v kongruenci (4) q(á) resp. N podle definic, obdržíme což po vynásobení číslem p dává gs-^i.sezani (modp), - ' p p ^2(a p - x -l) = (p-l)l + l (modp 2 ) a po menší úpravě obdržíme kongruenci (7). LITERATURA [Bol] Borůvka, O. a kol., Díla Matyáše Lercha v oboru matematická analýza, Práce brněnské základny ČSAV 39 (1957), 417-450. [Bo2] Borůvka, O., O životě a díle českého matematika M. Lercha, Mat.-fys. rozhledy 38 (1959-60), 271-272. [Ču] Čupr, K, Profesor Matyáš Lerch, Časopis pro pěstování matematiky a fysiky 52 (1923), 301-311. [Di] Dickson, L. E., History of the theory of numbers, Carnegie Institution of Washington, Washington, 1919. [Fr] Frank, L., O životě Matyáše Lercha, Čas. pro pěst. mat. a fys. 78 (1953), 119-137. [La] Lagrange, J. L., Nouv. Mém. Acad. Roy. Berlin, 2, 1773, année 1771, 125 (Oeuvres, 3, 1869, 425).. [Le] Lerch, M., Zur Theorie der Fermatschen Quotienten p - _i = q(a), Math. Ann. 60, 471-490. [Lpi] Lepká, K., Matyáš Lerch's work on number theory, MU, Brno, 1995. [Lp2] Lepká, K., Malá Fermatova věta, Učitel matematiky 5 (1997), 143-150. [Si] Sierpiňski, W., Elementary Theory of Numbers, Polish Scientific Publishers, Warszawa, 1987. [Sk] Škrášek, J., Život a dílo profesora Matyáše Lercha, Čas. pro pěst. mat. a fys. 85 (1953), 228-240.