Intro teoria dos numeros cap1

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Intro teoria dos numeros cap1

  1. 1. 1 Os n¶umeros inteiros 1.1 Propriedades b¶asicas Nesta se»c~ao exploraremos propriedades b¶asicas dos n¶umeros inteiros, ponto de partida para um estudo sistem¶atico de suas propriedades. Assumiremos axiomaticamente, sem questionamentos, que existe um conjunto Z, cujos elementos s~ao chamados de n¶umeros inteiros, tendo Z dois elementos destacados, 0 (zero) e 1 (um), e tamb¶em duas opera»c~oes, a adi»c~ao (+) e a multiplica»c~ao (¢). Sendo a e b dois inteiros quaisquer, denotaremos por a + b a soma de a e b, e por a ¢ b (ou por ab, quando isto n~ao nos causar confus~ao) o produto de a por b. Assumiremos que os inteiros satisfazem os seguintes axiomas: ² Fechamento: a + b e a ¢ b s~ao inteiros sempre que a e b s~ao inteiros. ² Leis comutativas: a + b = b + a e a ¢ b = b ¢ a, para quaisquer inteiros a e b. ² Leis associativas: (a + b) + c = a + (b + c) e (a ¢ b) ¢ c = a ¢ (b ¢ c), para quaisquer inteiros a, b e c. ² Leis de exist^encia de elementos neutros: a + 0 = 0 + a = a e a ¢ 1 = 1 ¢ a = a, para todo inteiro a. Em outras palavras, 0 e 1 s~ao elementos neutros das opera»c~oes + e ¢, respectiva- mente. ² Lei distributiva (da multiplica»c~ao em rela»c~ao µa adi»c~ao): (a + b) ¢ c = a ¢ c + b ¢ c ² Lei da exist^encia de inversos aditivos: Para cada inteiro a, existe um inteiro x tal que a + x = x + a = 0. Este inteiro x ¶e chamado inverso aditivo ou oposto, ou ainda sim¶etrico de a e ¶e denotado por ¡a. Sendo a e b dois inteiros, de¯ne-se a ¡ b = a + (¡b). 1
  2. 2. Os n¶umeros inteiros 2 ² Lei do cancelamento da multiplica»c~ao: Se a, b e c s~ao inteiros, com c 6= 0, e a ¢ c = b ¢ c ent~ao a = b. A partir das propriedades acima, tomadas aqui como axiomas (ou postulados), e das propriedades habituais da igualdade, podemos deduzir outras propriedades dos n¶umeros inteiros, as quais, por serem deduzidas, recebem o nome de teoremas. Como exemplo de uma dessas propriedades, temos os seguintes teoremas. Teorema 1.1 Cada inteiro a tem um ¶unico inverso aditivo. Demonstra»c~ao. Suponhamos que a0 e a00 s~ao ambos opostos de a, isto ¶e, a + a0 = a0 + a = 0 e a + a00 = a00 + a = 0. Ent~ao a0 = a0 + 0 (0 ¶e elemento neutro de +) = a0 + (a + a00 ) = (a0 + a) + a00 (+ ¶e opera»c~ao associativa) = 0 + a00 = a00 Portanto, a0 = a00 . O pr¶oximo resultado ¶e bem conhecido pelo leitor, e n~ao faz parte dos axiomas acima, justamente porque pode ser deduzido a partir deles. Teorema 1.2 Se a ¶e um inteiro qualquer, a ¢ 0 = 0. Demonstra»c~ao. Chamemos a ¢ 0 = x (mostraremos que x = 0). Ent~ao temos: x = a ¢ 0 = a ¢ (0 + 0) (0 ¶e elemento neutro da adi»c~ao) = a ¢ 0 + a ¢ 0 (Lei distributiva) = x + x Assim, x + x = x. Somando ¡x, o oposto de x, a ambos os membros, temos (x +x) + (¡x) = x + (¡x). Aplicando a lei associativa da adi»c~ao, deduzimos que x +(x +(¡x)) = 0, ou seja, x + 0 = 0. Como 0 ¶e elemento neutro da adi»c~ao, obtemos x = 0. Portanto, a ¢ 0 = 0, conforme quer¶³amos demonstrar. Aqui e no restante do texto, o quadrado signi¯ca o ¯m de uma demonstra»c~ao. 1.1.1 Ordena»c~ao dos inteiros A ordena»c~ao dos inteiros ¶e um conceito, que de¯niremos axiomaticamente, da seguinte forma:
  3. 3. Os n¶umeros inteiros 3 Existe um conjunto P, subconjunto de Z, cujos elementos s~ao chamados inteiros positivos, caracterizado pelos seguintes axiomas: ² Fechamento do conjunto P: Se a e b s~ao inteiros positivos, ent~ao a + b e ab tamb¶em s~ao inteiros positivos. ² Lei da tricotomia: Para cada inteiro a, vale uma e somente uma das a¯rma»c~oes: a 2 P; a = 0; ¡a 2 P O conjunto Z diz-se ordenado (mais precisamente, um anel ordenado) por satis- fazer os axiomas acima. Habitualmente, escrevemos a > 0, em lugar de a 2 P. Assim, os axiomas de ordena»c~ao dos inteiros podem ser reescritos da seguinte forma: ² Se a > 0 e b > 0, ent~ao a + b > 0 e a ¢ b > 0. ² Para cada inteiro a, tem-se uma e somente uma das a¯rma»c~oes: a > 0; a = 0; ¡a > 0 De¯ni»c~ao 1.1 Sendo a e b inteiros quaisquer, dizemos que a < b (a ¶e menor que b), ou que b > a (b ¶e maior que a), se b ¡ a > 0. Escrevemos a · b quando a < b ou a = b, e escrevemos a ¸ b quando a > b ou a = b. V¶arias propriedades da ordena»c~ao dos inteiros podem ser deduzidas (demonstradas) usando-se os axiomas de ordena»c~ao e propriedades elementares das opera»c~oes + e ¢. Um exemplo dessas propriedades ¶e a seguinte: Proposi»c~ao 1.1 Sendo a, b e c inteiros, 1. se a > b e c > 0, ent~ao ac > bc; 2. se a > b e c < 0 ent~ao ac < bc. Demonstra»c~ao. Se a > b ent~ao a ¡ b > 0, conforme a de¯ni»c~ao 1.1. Se c > 0 ent~ao, pelo primeiro axioma da ordena»c~ao de Z, (a ¡ b)c > 0. Logo, (a + (¡b))c > 0 e ent~ao ac + (¡b)c > 0. Agora, podemos demonstrar que (¡b)c = ¡bc (demonstre isto, mostrando que (¡b)c ¶e elemento oposto de bc). Assim, deduzimos que ac¡bc > 0 e portanto ac > bc. Como exerc¶³cio, demonstre que se a > b e c < 0, ent~ao ac < bc. Finalizando nosso conjunto de axiomas para o conjunto Z, temos um importante (e bem intuitivo) axioma , chamado axioma da boa ordena»c~ao:
  4. 4. Os n¶umeros inteiros 4 Axioma 1.1 (Axioma da boa ordena»c~ao dos inteiros positivos) O conjunto P dos inteiros positivos ¶e bem ordenado, isto ¶e, todo subconjunto n~ao vazio de P possui um menor (ou primeiro) elemento. Em outras palavras, para cada conjunto A, subconjunto de P, se A 6= ¿, ent~ao existe a 2 A tal que a · x para todo x 2 A. O axioma da boa ordena»c~ao dos inteiros positivos torna o conjunto Z substan- cialmente diferente do familiar conjunto Q dos n¶umeros racionais (admitamos, por um momento, familiaridade com o conjunto Q), no seguinte sentido. Considere o conjunto Q+ dos n¶umeros racionais positivos. Existem subconjuntos de Q+ , n~ao vazios, sem um primeiro (menor) elemento. O pr¶oprio Q+ ¶e um tal subconjunto! Recordemo-nos de que um n¶umero real x ¶e um n¶umero racional se existem inteiros a e b tais que x = a=b. Um n¶umero real n~ao racional ¶e um n¶umero irracional (aqui estamos admitindo familiaridade com os n¶umeros reais). Os n¶umeros ¼ e e (conhece?) s~ao exemplos famosos de n¶umeros irracionais. Tamb¶em p 2 ¶e um n¶umero irracional. Abaixo apresentamos uma demonstra»c~ao deste fato, fazendo uso da propriedade de boa ordena»c~ao dos inteiros positivos. Teorema 1.3 p 2 ¶e irracional. Demonstra»c~ao. Suponhamos que p 2 ¶e um n¶umero racional. Mostraremos que uma tal suposi»c~ao nos leva a uma contradi»c~ao (isto ¶e, a uma a¯rma»c~ao falsa). Logo, a suposi»c~ao inicial, de que p 2 ¶e um n¶umero racional, ¶e falsa. Assim conclu¶³mos que p 2 s¶o pode ser irracional. Um axioma da l¶ogica elementar, a l¶ogica que usamos nas demonstra»c~oes de teo- remas, enuncia (a¯rma) que De uma a¯rma»c~ao verdadeira n~ao se pode deduzir uma falsa. Ou seja, se de uma suposi»c~ao inicial deduzimos uma a¯rma»c~ao falsa, ent~ao a suposi»c~ao inicial tamb¶em ¶e falsa. Pois bem, supondo-se que p 2 ¶e racional, existem inteiros positivos a e b tais quep 2 = a=b. Da¶³, b ¢ p 2 = a. Consideremos o conjunto A, dos inteiros positivos m tais que m e m p 2 s~ao ambos inteiros positivos. Em linguagem simb¶olica, A = fm 2 Z j m > 0 e m p 2 2 Zg A ¶e n~ao vazio, visto que b 2 A (b ¶e inteiro positivo, e b p 2 ¶e o inteiro positivo a).
  5. 5. Os n¶umeros inteiros 5 Pelo princ¶³pio da boa ordena»c~ao dos inteiros positivos, A tem um menor elemento s. Temos que s e s p 2 s~ao ambos inteiros positivos. Considere ent~ao o inteiro r = s p 2¡s. Temos r = s( p 2¡1) < s, pois p 2¡1 < 1. r ¶e um inteiro positivo, pois p 2 ¡ 1 > 0. Al¶em disso, r p 2 ¶e tamb¶em um inteiro: r p 2 = (s p 2 ¡ s) p 2 = 2s ¡ s p 2 (s e s p 2 s~ao inteiros!). Assim, r 2 A, mas r ¶e menor que o primeiro (o menor) elemento de A. Temos ent~ao uma contradi»c~ao. Logo, nossa suposi»c~ao de que p 2 ¶e racional est¶a errada. Por- tanto, p 2 62 Q. 1.1.2 Exerc¶³cios Sendo P1 e P2 duas a¯rma»c~oes matem¶aticas, ao escrever P1 ) P2 queremos dizer Se P1 ent~ao P2", ou que P1 acarreta (ou implica) P2". 1. Use os axiomas das opera»c~oes adi»c~ao e multiplica»c~ao em Z, para demonstrar que, sendo a e b inteiros quaisquer, (a) (a + b)2 = a2 + 2ab + b2 (b) (¡1) ¢ a = ¡a (c) Se a2 = a ent~ao a = 0 ou a = 1 (d) ¡(a + b) = (¡a) + (¡b) (e) (¡a)b = ¡ab Sugest~oes. (b) Comece considerando que [(¡1) + 1] ¢ a = 0 ¢ a = 0 (justi¯que estes e os demais argumentos). (d) Calcule (a+b)+[(-a)+(-b)], usando as propriedades axiom¶aticas da adi»c~ao de inteiros. (e) Imite os procedimentos usados no item (b) 2. (a) Admita, no conjunto de axiomas dos n¶umeros inteiros, a propriedade a ¢ b = 0 ) a = 0 ou b = 0 em lugar da lei do cancelamento da multiplica»c~ao (p¶agina 2). Demonstre ent~ao a lei do cancelamento da multiplica»c~ao a partir de tal propriedade, admitindo as demais propriedades axiom¶aticas das opera»c~oes em Z. (b) Mostre que a lei do cancelamento da multiplica»c~ao n~ao precisa ser admitida como um axioma, pois ela ¶e um teorema que pode ser deduzido a partir da proposi»c~ao 1.1. Ou seja, mostre que a proposi»c~ao 1.1 tem como conseqÄu^encia a lei do cancelamento da multiplica»c~ao. 3. Complete a seguinte demonstra»c~ao de que (¡1)(¡1) = 1. Temos 0 ¢ 0 = 0. Temos ainda 1 + (¡1) = 0. Da¶³, [1 + (¡1)] ¢ [1 + (¡1)] = 0.
  6. 6. Os n¶umeros inteiros 6 Agora use a propriedade distributiva da multiplica»c~ao sobre a adi»c~ao, e tenha em vista que 1 ¶e elemento neutro da multiplica»c~ao. 4. Use os axiomas da rela»c~ao <" em Z, bem como propriedades da adi»c~ao e da multiplica»c~ao em Z, para demonstrar que, sendo a, b e c inteiros, (a) Se a < b ent~ao ¡a > ¡b (b) c > 0 e ac < bc ) a < b (c) Se c < 0 e ac < bc ent~ao a > b (d) a2 + ab + b2 ¸ 0, (e) a2 + ab + b2 = 0 ) a = b = 0 (f) Se a < b ent~ao a3 < b3 (g) Se a3 < b3 ent~ao a < b (h) a < b 6) a2 < b2 Sugest~oes. (d) Mostre que 2(a2 + ab + b2 ) ¸ 0; (f) Fa»ca uso da fatora»c~ao a3 ¡ b3 = (a ¡ b)(a2 + ab + b2 ); (h) Para mostrar que n~ao vale a implica»c~ao a < b ) a2 < b2 ," mostre que existem inteiros a e b satisfazendo a < b e a2 ¸ b2 . 5. Para cada inteiro a, de¯ne-se o valor absoluto de a como sendo o inteiro jaj, dado por jaj = ½ a; se a ¸ 0 ¡a; se a < 0 Demonstre que, sendo a e b inteiros, (a) jaj ¸ 0; jaj = 0 , a = 0 (b) ¡ jaj · a · jaj (c) j¡aj = jaj (d) jabj = jajjbj (e) jaj · b , ¡b · a · b (f) ja § bj · jaj + jbj (g) jjaj ¡ jbjj · ja ¡ bj Sugest~oes. (e) Considere dois casos: (i) a ¸ 0 e (ii) a < 0. (f) Deduza que a + b · jaj + jbj, e ¡jaj ¡ jbj · a + b. Agora use o resultado do item (e); (g) A partir do item (f), deduza que jaj · ja¡bj+jbj, de onde jaj¡jbj · ja¡bj. Deduza tamb¶em que jbj · ja ¡ bj + jaj, e ent~ao jaj ¡ jbj ¸ ¡ja ¡ bj. Agora use o resultado do item (e). 6. Usando o princ¶³pio da boa ordena»c~ao do conjunto P dos inteiros positivos, demons- tre que o conjunto N = P [ f0g, dos n¶umeros naturais ¶e tamb¶em bem ordenado. 7. Usando o princ¶³pio da boa ordena»c~ao dos inteiros positivos, demonstre que n~ao existe um inteiro n satisfazendo 0 < n < 1. Sugest~ao. Suponha que, ao contr¶ario, existe um inteiro n satisfazendo 0 < n < 1. Considere o conjunto A de todos os inteiros x com 0 < x < 1. A ¶e subconjunto n~ao vazio de P (explique porqu^e). Mostre que A n~ao tem um menor elemento, pois se a 2 A, ent~ao a2 < a.
  7. 7. Os n¶umeros inteiros 7 8. Mostre que, sendo a e b inteiros, se ab = 1 ent~ao a = b = §1. Sugest~ao. Mostre primeiramente que se a e b s~ao inteiros positivos e ab = 1 ent~ao a = b = 1. Para isto, suponha a e b inteiros positivos, com a 6= 1 e b 6= 1. Como n~ao existem inteiros entre 0 e 1, mostre que ab > 1. Conclua adequadamente sua demonstra»c~ao. 9. Se A ½ Z, dizemos que A ¶e limitado inferiormente se existe b 2 Z tal que x ¸ b para todo x 2 A. Mostre que todo conjunto A de inteiros, n~ao vazio, limitado inferiormente, tem um m¶³nimo, ou seja, existe a 2 A tal que x ¸ a, para todo x 2 A. Sugest~ao. Considere o conjunto C = fy 2 Z j y = x ¡ b; x 2 Ag. Mostre que C ½ N, e use o fato de que N ¶e bem ordenado. 10. Admita familiaridade com o conjunto R dos n¶umeros reais. Com rela»c~ao µa ordem <" estabelecida em R, dizemos que um subconjunto X de R ¶e bem-ordenado se todo subconjunto n~ao vazio de X possui um menor elemento ou m¶³nimo. De- termine quais dos seguintes subconjuntos de R ¶e bem-ordenado. Em caso a¯r- mativo, demonstre sua a¯rma»c~ao (usando, por exemplo, o fato de que o conjunto de inteiros positivos ¶e bem-ordenado). Em caso negativo, d^e um exemplo de um subconjunto (do conjunto dado) que n~ao possui um menor (ou primeiro) elemento. (a) o conjunto dos inteiros negativos; (b) o conjunto dos n¶umeros racionais n~ao negativos; (c) o conjunto dos inteiros pares positivos; (d) o conjunto dos n¶umeros racionais da forma a=2, com a inteiro positivo. 11. Admita familiaridade com n¶umeros racionais e irracionais. (a) Demonstre que a soma e o produto de dois n¶umeros racionais ¶e racional. (b) Demonstre ou d^e um contra-exemplo a cada uma das seguintes a¯rma»c~oes. i. A soma de um n¶umero racional e um n¶umero irracional ¶e irracional. ii. A soma de dois n¶umeros irracionais ¶e irracional. iii. O produto de um n¶umero racional e um n¶umero irracional ¶e irracional. iv. O produto de dois n¶umeros irracionais ¶e irracional. 12. Atrav¶es de uma pesquisa, fa»ca uma lista de propriedades do n¶umero real p 2. Fa»ca uma outra demonstra»c~ao de que p 2 ¶e irracional. 13. Demonstre que p 5 ¶e irracional. Sugest~ao. Tente imitar os passos da demonstra»c~ao de que p 2 ¶e irracional, teorema 1.3, ou crie sua pr¶opria demonstra»c~ao. 14. Atrav¶es de uma pesquisa, fa»ca uma lista de propriedades do n¶umero real p 5.

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