Aula 7 - Aritmética - 2025.pdf congruência modular

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About This Presentation

Congruência


Slide Content

Aula 7
P-Expoente
Congruências / Pequeno Teorema de
Fermat Revisto
Congruências Lineares
-MAF 831 -

P-Expoente (Aula 6)
01

Decomposição de �!como produto de
primos
Definição 1: Seja �um natural e seja �um primo. O �−expoente de �!é
definido por:
????????????�
��!=��??????�∈ℕ�
�
|�!}.
Seja �um número real positivo.
Denotamos a parte inteira de �(piso) por:�=max�∈ℤ�≤�}.

Exemplo 1) Determine ??????��
2(100!)
No conjunto 1,2,…,100,temos:
Divisíveis por 2:
100
2
=50.
Divisíveis por 2e não divisíveis por 4:
100
2

100
4
=25.
Divisíveis por 4e não divisíveis por 8:
100
4

100
8
=25−12=13.
Divisíveis por 8e não divisíveis por 16:
100
8

100
16
=12−6=6.
Divisíveis por 16e não divisíveis por 32:
100
16

100
32
=6−3=3.
Divisíveis por 32e não divisíveis por 64:
100
32

100
64
=3−1=2.
Divisíveis por 64:
100
64
=1.

Exemplo 1) Determine ??????��
2(100!)
??????��
2100!=
100
2

100
4
+2
100
4

100
8
+
3
100
8

100
16
+4
100
16

100
32
+5
100
32

100
64
+6
100
64
=
���
�
+
���
�
+
���
�
+
���
��
+
���
��
+
���
��
=
50+25+12+6+3+1=97.

Exemplo 1) Determine ??????��
2(100!)
Resposta: ??????��
2100!=97.

Exemplo 1) Determine ??????��
2100!
Recorrendo a Forma 2-ádica (base 2)
de 100
Podemos escrever 100como 1.2
6
+1.2
5
+1.2
2
Temos
���
�
=1.2
5
+1.2
4
+1.2
1
=50,
���
�
=1.2
4
+1.2
3
+1=25,
���
�
=1.2
3
+1.2
2
=12,
���
��
=1.2
2
+1.2=6,
���
��
=1.2
1
=2,
���
��
= 1

Exemplo 1) Determine ??????��
2100!
Recorrendo a Forma 2-ádica (base 2)
Temos
���
�
+
���
�
+
���
�
+
���
��
+
���
��
+
���
��
=��

Decomposição de 100!Em fatores
primos
●Os primos entre 1 e 100 são:
2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47,53,59,61,67,71,73,79,83,89,97.
●Os próximos cálculos foram feitos com auxílio do ChatGPT 5.

P-Expoentes

Decomposição de 100!Em fatores
primos
2
97
.5
24
=2
73
10
24
O número 100! termina com 24 zeros.

Teorema de Legendre
Seja �≥1um inteiro. Seja �um número primo.
Então ????????????�
��!=
�
�
+
�
�
�
+⋯+
�
�
�
+⋯

Prova
Considere a lista dos n primeiros inteiros positivos: 1,…,�.
Seja �∈ℕo maior inteiro tal que �
�
≤�,mas �
�+1
>�.
Temos
�
??????
??????
=0para �≥�+1.
Para cada �∈ℕ,com 1≤�≤�,o número de elementos em 1,…,�
divisíveis por �
�
que não são divisíveis por �
�+1
é igual a

Prova
�
�
�

�
�
�+1
.
Logo
??????��
??????�!=෍
�=1
�
�
�
�
�

�
�
�+1
=
�
�
1
+⋯+
�
�
�
=
�
�
1
+⋯+
�
�
�
+⋯

Exemplo 2
ENQ 2024-1

Resolução
Item a
2,3,5,7,11,13,17,19,23,29

Resolução
Item b
Pelo Teorema de Legendre, temos:
??????��
230!=
30
2
+
30
4
+
30
8
+
30
16
=15+7+3+1=26
??????��
330!=
30
3
+
30
9
+
30
27
=10+3+1=14

Resolução
Item b
Pelo Teorema de Legendre, temos:
??????��
530!=
30
5
+
30
25
=6+1=7
??????��
730!=
30
7
=3

Resolução
Item b
Pelo Teorema de Legendre, temos:
??????��
1130!=
30
11
=2
??????��
1330!=
30
7
=2

Resolução
Item b
Pelo Teorema de Legendre, temos:
??????��
1730!=
30
17
=1
??????��
1930!=
30
19
=1

Resolução
Item b
Pelo Teorema de Legendre, temos:
??????��
2330!=
30
23
=1
??????��
2930!=
30
29
=1

Resolução
Item b
Portanto 30!=2
26
.3
14
.5
7
.7
3
.11
2
.13
2
.17
1
.19
1
.23
1
.29
1

Congruências
02

Definição 2
Sejam �,�,�inteiros, com �>0. Dizemos que �e �são congruentes
módulo �(notação: �≡�����) quando �|�−�.

Um resultado bem conhecido
Tendo em mente o conceito de divisibilidade, é possível provar o seguinte
resultado:
Sejam �,�,�inteiros, com �>1. Então, �≡�����se, e só se, o resto
da divisão de �por �é igual ao resto da divisão de �por �.
Provaremos este a fato a seguir.

Exercício 1 –Questão 8 -ENQ 2020/2

Resolução
Prova
Suponha inicialmente que &#3627408462;=&#3627408474;&#3627408478;+&#3627408479;,&#3627408463;=&#3627408474;&#3627408477;+&#3627408479;,0≤&#3627408479;<&#3627408474;.Ora
&#3627408463;−&#3627408462;=&#3627408474;&#3627408477;−&#3627408478;.Isso mostra que &#3627408474;|&#3627408463;−&#3627408462;e, portanto, &#3627408463;≡&#3627408462;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.
Admita agora que &#3627408462;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.De acordo com o Lema da Divisão Euclidiana,
existem inteiros &#3627408478;,&#3627408477;,&#3627408479;,&#3627408479;′, sendo 0≤&#3627408479;,&#3627408479;

<&#3627408474;tais que
&#3627408462;=&#3627408478;&#3627408474;+&#3627408479;,&#3627408463;=&#3627408477;&#3627408474;+&#3627408479;′. Por hipótese, &#3627408474;|&#3627408463;−&#3627408462;,&#3627408463;−&#3627408462;=&#3627408474;&#3627408477;−&#3627408478;+(&#3627408479;

−&#3627408479;)
É claro que &#3627408463;−&#3627408462;|&#3627408474;(&#3627408477;−&#3627408478;). Portanto &#3627408474;|&#3627408479;

−&#3627408479;.
Tendo em mente que &#3627408479;

−&#3627408479;<&#3627408474;,segue que &#3627408479;

−&#3627408479;=0,&#3627408479;=&#3627408479;

.

Pequeno Teorema de Fermat
(versão congruência)
Sejam &#3627408462;um inteiro e &#3627408477;um número primo. Então &#3627408462;
??????
≡&#3627408462;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408477;.Em
particular, se &#3627408462;,&#3627408477;=1,temos &#3627408462;
??????−1
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408477;.

Proposição 1. Sejam &#3627408462;,&#3627408463;,&#3627408464;,&#3627408465;,&#3627408474;,&#3627408475;
inteiros, com &#3627408474;>1,&#3627408475;>0. As
seguintes propriedades são válidas:
●I) &#3627408514;≡&#3627408514;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●II) Se &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;,então &#3627408515;≡&#3627408514;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●III) Se &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;e &#3627408515;≡&#3627408516;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;,então &#3627408514;≡&#3627408516;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●IV) Se &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;e &#3627408516;≡&#3627408517;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;, então &#3627408514;+&#3627408516;≡&#3627408515;+&#3627408517;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●V) Se &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;e &#3627408516;≡&#3627408517;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;, então &#3627408514;.&#3627408516;≡&#3627408515;.&#3627408517;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●VI) Se &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;,então &#3627408514;+&#3627408516;≡&#3627408515;+&#3627408516;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;e &#3627408514;.&#3627408516;≡
&#3627408515;.&#3627408516;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●VII) Se &#3627408514;&#3627408516;≡&#3627408515;&#3627408516;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;e &#3627408516;,&#3627408526;=&#3627409359;,então &#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;;
●VIII) Se&#3627408514;≡&#3627408515;&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;,então &#3627408514;
&#3627408527;
≡&#3627408515;
&#3627408527;
&#3627408526;&#3627408528;&#3627408517;&#3627408526;.

Prova da proposição 1.
●Exercício: itens I, II, III, IV, V, VI.
●Prova do item VII.
Por hipótese, &#3627408474;|&#3627408464;&#3627408462;−&#3627408463;.Visto que &#3627408464;,&#3627408474;=1,segue que &#3627408474;|&#3627408462;−&#3627408463;.Logo &#3627408462;≡
&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.
●Prova do item VIII.
Por hipótese, temos &#3627408462;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.
Suponha por indução matemática que &#3627408462;
&#3627408475;
≡&#3627408463;
&#3627408475;
&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.
Aplicando a propriedade V com &#3627408462;=&#3627408464;e &#3627408463;=&#3627408465;, temos &#3627408462;
&#3627408475;+1
≡&#3627408463;
&#3627408475;+1
&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408474;.
O resultado segue por indução matemática.

Exercício 2-ache os dois últimos
algarismos de 7
7
1000
.
●Queremos encontrar &#3627408462;∈ℕ∪0,com0≤&#3627408462;≤99, tal que
7
7
1000
≡&#3627408462;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;100.
Inicialmente, note que 7
2
=49,7
3
=343,7
4
=2401.
Logo 7
4
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;100.
Assim 7
1000
=(7
4
)
250
≡1
250
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;100.
Existe &#3627408474;∈ℕtal que 7
1000
=100&#3627408474;+1.
Note também que 7
100&#3627408472;
≡1
25&#3627408472;
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;100para todo &#3627408472;∈ℕ.
Logo 7
7
1000
=7
100&#3627408474;+1
=7
100&#3627408474;
.7≡1.7≡7&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;100.
Resposta: o algarismo das dezenas é zero, o algarismo das unidades é sete.

Exercício 3 –Determine o resto da
divisão de 2
135
por 19
Pelo Pequeno Teorema de Fermat, temos 2
19
≡2&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19.
Por um processo de divisão, é fácil constatar que
135=7×19+2e2
7
=128=6×19+14.
Temos 2
133
=(2
19
)
7
≡2
7
≡14&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19.
Finalmente, temos 2
135
=2
133
.2
2
≡2
7
.2
2
≡14.4≡56≡18&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19.

Exercício 4 –Questão 5 –ENQ 2020/1

Resolução
a) Os possíveis restos são: 0,1,4
De fato, se
&#3627408475;≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408475;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5;
&#3627408475;≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408475;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5;
&#3627408475;≡2&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408475;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5;
&#3627408475;≡3&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408475;
2
≡9≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5;
&#3627408475;≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408475;
2
≡16≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5

Resolução
b) Temos aqui &#3627408462;
2
+&#3627408463;
2
=&#3627408464;
2
.
Caso 1) &#3627408464;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
Neste caso, pelo item a, temos &#3627408464;≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5.
Caso 2) &#3627408464;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
As possibilidades de resto da divisão de &#3627408462;
2
por 5:0,1,4
As possibilidades de resto da divisão de &#3627408463;
2
por 5:0,1,4
Para que &#3627408464;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,há duas possibilidades:

Resolução
b) Temos aqui &#3627408462;
2
+&#3627408463;
2
=&#3627408464;
2
.
Para que &#3627408464;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,há duas possibilidades:
&#3627408462;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408463;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
&#3627408462;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408463;
2
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
No primeiro caso, &#3627408463;é múltiplo de 5. No segundo caso, &#3627408462;é múltiplo de 5.

Resolução
b) Temos aqui &#3627408462;
2
+&#3627408463;
2
=&#3627408464;
2
.
Caso 3) &#3627408464;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
As possibilidades de resto da divisão de &#3627408462;
2
por 5:0,1,4
As possibilidades de resto da divisão de &#3627408463;
2
por 5:0,1,4

Resolução
b) Temos aqui &#3627408462;
2
+&#3627408463;
2
=&#3627408464;
2
.
Caso 3) &#3627408464;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
Para que&#3627408464;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5, há duas possibilidades
&#3627408462;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408463;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
&#3627408462;
2
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5,&#3627408463;
2
≡4&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;5
No primeiro caso, &#3627408463;é múltiplo de 5. No segundo caso, &#3627408462;é múltiplo de 5.

Exercício 5 –Questão 8 –ENQ 2021-2

Resolução
Inicialmente, note que 19
18
≡38
18
≡57
18
≡76
18
≡95
18
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19.
São exatamente cinco inteiros &#3627408470;,com1≤&#3627408470;≤95,tais que
&#3627408470;
18
≡0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19(asaber:19,38,57,76,95).
Para qualquer inteiro 1≤&#3627408470;≤95,sendo &#3627408470;≢0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19,segue do Pequeno
Teorema de Fermat que &#3627408470;
18
≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19.São 90 inteiros com este
propriedade.

Resolução
Portanto 1
18
+2
18
+3
18
+⋯+95
18
≡90≡−5≡14&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;19
Isto prova que o resto da divisão de 1
18
+2
18
+3
18
+⋯+95
18
por 19
é 14.

Congruências
Lineares
03

Definição 3) Congruência linear
É uma expressão da forma &#3627408462;??????≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;,com &#3627408462;,&#3627408463;,&#3627408475;∈ℤ,sendo que
&#3627408475;≥2e&#3627408475;∤&#3627408462;.Além disso, ??????só pode assumir apenas valores inteiros.

Exemplo 3:
3&#3627408485;≡1&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;11.
O número &#3627408485;=4é uma solução da congruência linear.

Proposição 2
Uma congruência linear &#3627408462;&#3627408485;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;tem solução se, e somente se,
&#3627408462;,&#3627408475;|&#3627408463;.
Além disso, se &#3627408462;,&#3627408475;=1,se &#3627408485;
0e &#3627408486;
0são soluções da equação, então &#3627408485;
0≡
&#3627408486;
0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;.

Prova da proposição 2
●Parte 1)
Inicialmente, note que &#3627408462;&#3627408485;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;tem solução se, e só se, a equação
diofantina linear &#3627408462;&#3627408485;−&#3627408475;&#3627408486;=&#3627408463;tem solução.
Por sua vez, a equação diofantina tem solução se, e só se, &#3627408462;,&#3627408475;|&#3627408463;.

Prova da proposição 2
●Parte 2)
Suponha que &#3627408485;
0e &#3627408486;
0são soluções da congruência linear.
Temos então &#3627408462;&#3627408485;
0≡&#3627408462;&#3627408486;
0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;.
Logo &#3627408475;|&#3627408462;&#3627408485;
0−&#3627408486;
0.
Como &#3627408462;,&#3627408475;=1,segue que &#3627408475;|&#3627408485;
0−&#3627408486;
0.
Portanto &#3627408485;
0≡&#3627408486;
0&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;.

Exemplo 4
A solução geral da congruência linear do exemplo 1 é &#3627408485;=4+11??????,??????∈ℤ.

Proposição 3
Considere a congruência linear &#3627408462;&#3627408485;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;,em que &#3627408462;,&#3627408475;|&#3627408463;e &#3627408465;=
&#3627408462;,&#3627408475;≥2.
Se &#3627408485;
0e &#3627408486;
0são soluções da congruência linear &#3627408462;&#3627408485;≡&#3627408463;&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;,então existe
um inteiro &#3627408472;∈0,…,&#3627408465;−1tal que &#3627408486;
0≡&#3627408485;
0+&#3627408472;.
&#3627408475;
??????
&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;.

Prova da proposição 3
●Sejam &#3627408485;
0e &#3627408486;
0soluções da congruência linear.
Temos &#3627408475;|&#3627408462;&#3627408485;
0−&#3627408486;
0.
Sejam &#3627408465;=&#3627408462;,&#3627408475;,&#3627408462;

=
??????
??????
e&#3627408475;

=
&#3627408475;
??????
.
Note que &#3627408462;

,&#3627408475;

=1e&#3627408475;

|&#3627408462;

(&#3627408485;
0−&#3627408486;
0).
Portanto &#3627408475;

|&#3627408485;
0−&#3627408486;
0.
Existe &#3627408472;∈ℤtal que &#3627408485;
0=&#3627408486;
0+&#3627408472;&#3627408475;

=&#3627408486;
0+&#3627408472;
&#3627408475;
??????
(Equação 1).
Note que:
1) Para &#3627408472;
1,&#3627408472;
2∈0,…,&#3627408465;−1,a congruência &#3627408486;
0+&#3627408472;
1
&#3627408475;
??????
≡&#3627408486;
0+&#3627408472;
2
&#3627408475;
??????
&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;
implica que &#3627408472;
1=&#3627408472;
2.

Prova da proposição 3
●2) Se &#3627408472;∈{0,…,&#3627408465;−1},temos &#3627408472;
&#3627408475;
??????
≡&#3627408472;+&#3627408474;&#3627408465;
&#3627408475;
??????
&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;&#3627408475;para todo inteiro
&#3627408474;∈0,…,
&#3627408475;
??????
.
Sendo assim, módulo &#3627408475;, podemos considerar &#3627408472;∈0,…,&#3627408465;−1na Equação
1.

Exemplo 5
A solução geral da congruência linear 2&#3627408485;≡2&#3627408474;&#3627408476;&#3627408465;4é
1+4????????????∈ℤ}∪{3+4????????????∈ℤ.

Exercícios do Livro
●9.1, 9.2, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.12, 9.13, 9.14, 9.15, 9.16.

Exercícios do ENQ
●ENQ 2013-2 –Questão 7
●ENQ 2015-2 –Questão 3
●ENQ 2016-2 –Questão 8
●ENQ 2017 -1 -Questão 8
●ENQ 2018-2 –Questão 8
●ENQ 2019-2 –Questão 1
●ENQ 2020-1 –Questão 5
●ENQ 2020-2 –Questões 2,7,8
●ENQ 2021-2 –Questões 1 e 8
●ENQ 2023-2 –Questão 5

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