Saltar ao contido

Función totiente de Euler

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Os primeiros mil valores de φ(n). Os puntos da liña superior representan φ(p) cando p é un número primo, que é p − 1.[1]

En teoría de números, a función totiente de Euler conta os enteiros positivos ata un número enteiro dado n que son coprimos con n. Escríbese usando a letra grega fi como ou , e tamén se pode chamar función fi de Euler. Noutras palabras, é o número de enteiros k no rango 1 ≤ kn para os que o máximo común divisor gcd(n, k) é igual a 1. [2] [3] Os números enteiros k desta forma denomínanse ás veces como totativos de n.

Por exemplo, os totativos de n = 9 son os seis números 1, 2, 4, 5, 7 e 8. Todos son relativamente primos para 9, mais os outros tres números deste rango, 3, 6 e 9 non o son, xa que gcd(9, 3) = gcd(9, 6) = 3 e gcd(9, 9) = 9 . Polo tanto, φ(9) = 6 . Como outro exemplo, φ(1) = 1 xa que para n = 1 o único enteiro no intervalo de 1 a n é o propio 1, e gcd(1, 1) = 1 .

A función totiente de Euler é unha función multiplicativa, o que significa que se dous números m e n son coprimos, daquela φ(mn) = φ(m)φ(n).[4] [5] Esta función dá a orde do grupo multiplicativo de enteiros módulo n (o grupo de unidades do anel ).[6] Tamén se usa para definir o sistema de cifrado RSA.

Historia, terminoloxía e notación

[editar | editar a fonte]

Leonhard Euler introduciu a función en 1763. [7] [8] Porén, non escolleu nese momento ningún símbolo específico para denotalo. Nunha publicación de 1784, Euler estudou máis a función, escollendo a letra grega π para denotala: escribiu πD para "a multitude de números inferiores a D, e que non teñen divisor común con ela". [9] A notación agora estándar [7] [10] φ(A) provén do tratado Disquisitiones Arithmeticae de Gauss de 1801,[11] [12] aínda que Gauss non utilizou parénteses ao redor do argumento e escribiu φA. Así, a miúdo chámase función phi de Euler ou simplemente función phi.

En 1879, J.J. Sylvester acuñou o termo "totient" para esta función, [13] polo que tamén se chama función totiente de Euler, totiente de Euler ou totiente de Euler.

O cototiente de n defínese como nφ(n). Conta o número de enteiros positivos inferiores ou iguais a n que teñen polo menos un factor primo en común con n.

Cálculo da función total de Euler

[editar | editar a fonte]

Hai varias fórmulas para calcular φ(n) .

Fórmula do produto de Euler

[editar | editar a fonte]

onde o produto é sobre os distintos números primos que dividen n. (Para notación, consulte Función aritmética).

Unha formulación equivalente é onde é a descomposición en factores primos de (é dicir, son números primos distintos).

A proba destas fórmulas depende de dous feitos importantes.

Phi é unha función multiplicativa

[editar | editar a fonte]

Isto significa que se gcd(m, n) = 1, daquela φ(m) φ(n) = φ(mn). Esquema de demostración: Sexan A, B, C os conxuntos de enteiros positivos que son coprimos e inferiores a m, n, mn, respectivamente, de xeito que |A| = φ(m), etc. Entón hai unha bixección entre A × B e C polo teorema chinés do resto.

Valor de phi para un argumento que sexa potencia dun primo

[editar | editar a fonte]

Se p é primo e k ≥ 1, daquela

Proba da fórmula do produto de Euler

[editar | editar a fonte]

O teorema fundamental da aritmética estabelece que se n > 1 hai unha expresión única onde p1 < p2 < ... < pr son números primos e cada ki ≥ 1. (O caso n = 1 corresponde ao produto baleiro) Usando repetidamente a propiedade multiplicativa de φ e a fórmula para φ(pk)

Isto dá ambas as versións da fórmula do produto de Euler.

A fórmula alternativa usa só números enteiros:

Transformada de Fourier

[editar | editar a fonte]

O totiente é a transformada discreta de Fourier do mcd, avaliada en 1. [14] Sexa

onde xk = gcd(k,n) para k ∈ {1, ..., n}. Daquela

A parte real desta fórmula é

Por exemplo, usando e  : A diferenza do produto de Euler e da fórmula da suma dos divisores, esta fórmula non require coñecer os factores de n. Porén, implica o cálculo do máximo común divisor de n e de cada número enteiro positivo menor que n, o que é abondo para proporcionar a factorización.

Suma de divisores

[editar | editar a fonte]

A propiedade estabelecida por Gauss para os divisores d dun número n di[15]

.

.

A inversión de Möbius aplicada á fórmula da suma do divisor dá

onde μ é a función de Möbius, función multiplicativa definida por e para cada primo p e k ≥ 2. Esta fórmula tamén se pode derivar da fórmula do produto realizando ese produto para conseguir

Un exemplo:

Algúns valores

[editar | editar a fonte]

Os primeiros 100 valores (secuencia [[OEIS:{{{id}}}|{{{id}}}]] na OEIS) móstranse na táboa e no gráfico a continuación:

Gráfico dos 100 primeiros valores

Na gráfica da dereita, a liña superior y = n − 1 é un límite superior válido para tódolos n distintos de 1, e acadado se e só se n é un número primo. Un límite inferior simple é , que é bastante lixeiro: de feito, o límite inferior da gráfica é proporcional a n/log log n

Teorema de Euler

[editar | editar a fonte]

Indica que se a e n son primos relativos, daqula

O caso especial onde n é primo coñécese como pequeno teorema de Fermat.

Isto segue do teorema de Lagrange e do feito de que φ(n) é a orde do grupo multiplicativo de enteiros módulo n.

Outras fórmulas

[editar | editar a fonte]
  • In particular:
  • Compare this to the formula (see least common multiple).
  • φ(n) is even for n ≥ 3. Moreover, if n has r distinct odd prime factors, 2r | φ(n)
  • For any a > 1 and n > 6 such that 4 ∤ n there exists an l ≥ 2n such that l | φ(an − 1).
  • where rad(n) is the radical of <span about="#mwt315" class="texhtml mvar" data-cx="[{&quot;adapted&quot;:true,&quot;partial&quot;:false,&quot;targetExists&quot;:true,&quot;mandatoryTargetParams&quot;:[&quot;1&quot;],&quot;optionalTargetParams&quot;:[]}]" data-mw="{&quot;parts&quot;:[{&quot;template&quot;:{&quot;target&quot;:{&quot;wt&quot;:&quot;Mvar&quot;,&quot;href&quot;:&quot;./Modelo:Mvar&quot;},&quot;params&quot;:{&quot;1&quot;:{&quot;wt&quot;:&quot;n&quot;}},&quot;i&quot;:0}}]}" data-ve-no-generated-contents="true" id="mwAhw" style="font-style:italic;" typeof="mw:Transclusion">n</span> (the product of all distinct primes dividing n).
  •  
  •  ([16] cited in)
  • [Liu (2016)]
  •  [16]
  •  [17]
  •  [17](where γ is the Euler–Mascheroni constant).

Identidade de Menon

[editar | editar a fonte]

En 1965 P. Kesava Menon demostrou que

onde d(n) = σ0(n) é o número de divisores de n.

Funcións xeradoras

[editar | editar a fonte]

A serie de Dirichlet para φ(n) pódese escribir en termos da función zeta de Riemann como: [18]

onde o lado esquerdo converxe para .

A función xeradora da serie de Lambert é [19]

que converxe para |q| < 1.

Taxa de crecemento

[editar | editar a fonte]

Segundo as palabras de Hardy e Wright, a orde de φ(n) é "sempre case n".[20]

Primeiro [21]

mais cando n vai ao infinito, [22] para todo δ > 0

Estas dúas fórmulas pódense probar usando pouco máis que as fórmulas para φ(n) e a función suma de divisores σ(n) .

De feito, durante a proba da segunda fórmula, próbase a desigualdade

.

Tamén temos que [23]

Aquí γ é a constante de Euler-Mascheroni, γ = 0.577215665... , polo que eγ = 1.7810724... e eγ = 0.56145948... .

Para a orde media, temos [16] [24]

debido a Arnold Walfisz, a súa proba aproveita estimacións sobre sumas exponenciais debidas a I.M. Vinogradov e N.M. Korobov. Por unha combinación dos métodos de van der Corput e Vinogradov, H.-Q. Liu (Sobre a función de Euler.Proc. Roy. Soc. Edinburgh Sect. A 146 (2016), no 4, 769–775) mellorou o termo de erro a

(esta é actualmente a estimación máis coñecida deste tipo). A notación "O grande" representa unha cantidade que está limitada por unha constante multiplicada pola función de n dentro dos parénteses (que é pequena en comparación con n2).

Este resultado pódese usar para demostrar [25] que a probabilidade de que dous números escollidos aleatoriamente sexan coprimos é 6/π2, que é a recíproca da zeta de Riemann de 2, igual a .

Ratio de valores consecutivos

[editar | editar a fonte]

En 1950 Somayajulu demostrou [26] [27]

En 1954 Schinzel e Sierpiński reforzaron isto, demostrando [26] [27] que o conxunto

é denso nos números reais positivos. Tamén demostraron [26] que o conxunto

é denso no intervalo (0,1).

Números totientes

[editar | editar a fonte]

Un número totiente é un valor da función totiente de Euler: é dicir, un m para o cal hai polo menos un n para o cal φ(n) = m . A valencia ou multiplicidade dun número totiente m é o número de solucións desa ecuación.[28] Un número non totiente é un número natural que non é un número totiente. Todo número enteiro impar que exceda 1 é trivialmente un non totiente. Tamén hai infinitos non totientes pares, [29] e de feito cada número enteiro positivo ten un múltiplo que é un non tociente par. [30]

O número de números totientes ata un límite dado x é

para unha constante C = 0.8178146.... [31]

Se se conta segundo a multiplicidade, o número de números totientes ata un determinado límite x é

onde o termo de erro R é de orde como máximo

Aplicacións

[editar | editar a fonte]

Ciclotomía

[editar | editar a fonte]

Na última sección das Disquisitiones [32] Gauss demostra [33] que un n-gono regular pode construírse con regra e compás se φ(n) é unha potencia de 2. Se n é unha potencia dun número primo impar, a fórmula para o totiente di que o seu totiente pode ser unha potencia de dous só se n é unha primeira potencia e n − 1 é unha potencia de 2. Os primos que son un máis que unha potencia de 2 chámanse primos de Fermat e só se coñecen cinco: 3, 5, 17, 257 e 65537. Fermat e Gauss sabían destes. Ninguén puido demostrar se hai máis.

Así, un n-gono regular ten unha construción con escadro e compás se n é un produto de distintos números primos de Fermat e calquera potencia de 2. Os primeiros n son [34]

2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20, 24, 30, 32, 34, 40,... (secuencia [[OEIS:{{{id}}}|{{{id}}}]] na OEIS) .

Teorema dos números primos para progresións aritméticas

[editar | editar a fonte]

O criptosistema RSA

[editar | editar a fonte]

Configurar un sistema RSA implica escoller grandes números primos p e q, calcular n = pq e k = φ(n) e atopar dous números e e d tal que ed ≡ 1 (mod k). Os números n e e (a "chave de cifrado") son liberados ao público, e d (a "chave de descifrado") mantense en privado.

Unha mensaxe, representada por un número enteiro m, onde 0 < m < n, encriptase calculando S = me (mod n).

Descífrase calculando t = Sd (mod n). O teorema de Euler pódese usar para demostrar que se 0 < t < n, daquela t = m .

A seguridade dun sistema RSA veríase comprometida se o número n puidese factorizarse eficientemente ou se φ(n) puidese calcularse eficientemente sen factorizar n.

Problemas sen resolver

[editar | editar a fonte]

Conxectura de Lehmer

[editar | editar a fonte]

Se p é primo, daquela φ(p) = p − 1. En 1932 D. H. Lehmer preguntou se hai números compostos n tal que φ(n) divide a n − 1. Non se coñece ningún. [35]

En 1933 demostrou que se existe algún n dese tipo, debe ser impar, libre de cadrados e divisíbel por polo menos sete números primos (é dicir, ω(n) ≥ 7 ). En 1980 Cohen e Hagis demostraron que n > 1020 e que ω(n) ≥ 14. [36] Alén diso, Hagis demostrou que se 3 divide n logo n > 101937042 e ω(n) ≥ 298848 . [37] [38]

A conxectura de Carmichael

[editar | editar a fonte]

Di que non hai un número n coa propiedade de que para todos os demais números m, mn, φ(m) ≠ φ(n).

Como se indica no artigo principal, se hai un único contraexemplo para esta conxectura, debe haber infinitos contraexemplos, e o máis pequeno ten polo menos dez mil millóns de díxitos en base 10.[28]

Hipótese de Riemann

[editar | editar a fonte]

A hipótese de Riemann é certa se e só se a desigualdade

é certa para todos os np120569# onde γ é a constante de Euler-Macheroni e p120569# é o produto dos primeiros 120569 primos. [39]

  1. Khan Academy https://www.khanacademy.org/computing/computer-science/cryptography/modern-crypt/v/euler-s-totient-function-phi-function.  Falta o |title= (Axuda)
  2. Long (1972)
  3. Pettofrezzo & Byrkit (1970)
  4. Long (1972)
  5. Pettofrezzo & Byrkit (1970)
  6. See Euler's theorem.
  7. 7,0 7,1 Sandifer, p. 203
  8. Graham et al. p. 133 note 111
  9. L. Euler, Speculationes circa quasdam insignes proprietates numerorum, Acta Academiae Scientarum Imperialis Petropolitinae, vol. 4, (1784), pp. 18–30, or Opera Omnia, Series 1, volume 4, pp. 105–115. (The work was presented at the Saint-Petersburg Academy on October 9, 1775).
  10. Both φ(n) and ϕ(n) are seen in the literature. These are two forms of the lower-case Greek letter phi.
  11. Gauss, Disquisitiones Arithmeticae article 38
  12. . 1929.  Falta o |title= (Axuda)
  13. J. J. Sylvester (1879) "On certain ternary cubic-form equations", American Journal of Mathematics, 2 : 357-393; Sylvester coins the term "totient" on page 361.
  14. Schramm (2008)
  15. Gauss, DA, art 39
  16. 16,0 16,1 16,2 . Mathematische Forschungsberichte (en alemán) 16. 1963. Zbl 0146.06003.  Falta o |title= (Axuda) Erro no código da cita: Etiqueta <ref> non válida; o nome "Wal1963" está definido varias veces con contidos diferentes
  17. 17,0 17,1 15: 579–588. doi:10.1216/RMJ-1985-15-2-579.  Falta o |title= (Axuda);
  18. Hardy & Wright 1979
  19. Hardy & Wright 1979
  20. Hardy & Wright 1979
  21. Hardy & Wright 1979
  22. Hardy & Wright 1979
  23. Hardy & Wright 1979
  24. Sándor, Mitrinović & Crstici (2006) pp.24–25
  25. Hardy & Wright 1979
  26. 26,0 26,1 26,2 Ribenboim, p.38
  27. 27,0 27,1 Sándor, Mitrinović & Crstici (2006) p.16
  28. 28,0 28,1 Guy (2004) p.144
  29. Sándor & Crstici (2004) p.230
  30. 43 (2). 1993: 168–172. ISSN 0022-314X. Zbl 0772.11001. doi:10.1006/jnth.1993.1014.  Falta o |title= (Axuda);
  31. . Developments in Mathematics 2 (1–2). 1998: 67–151. ISBN 978-1-4419-5058-1. ISSN 1382-4090. Zbl 0914.11053. arXiv:1104.3264. doi:10.1007/978-1-4757-4507-8_8.  Falta o |title= (Axuda)
  32. Gauss, DA. The 7th § is arts. 336–366
  33. Gauss, DA, art 366
  34. Gauss, DA, art. 366. This list is the last sentence in the Disquisitiones
  35. Ribenboim, pp. 36–37.
  36. . III Series 28. 1980: 177–185. ISSN 0028-9825. Zbl 0436.10002.  Falta o |title= (Axuda)
  37. . IV Series 6 (3). 1988: 255–261. ISSN 0028-9825. Zbl 0668.10006.  Falta o |title= (Axuda)
  38. Guy (2004) p.142
  39. . 2017. ISBN 978-1-107-19704-6.  Falta o |title= (Axuda) Corollary 5.35

Véxase tamén

[editar | editar a fonte]

Bibliografía

[editar | editar a fonte]

Outros artigos

[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas

[editar | editar a fonte]