Función totiente de Euler

función que dá o número de enteiros coprimos e non maiores que o seu argumento

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.

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]

Por exemplo, os totativos de n = 9 son os seis números 1, 2, 4, 5, 7 e 8. Todos son primos relativos de 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. Un exempliño pequeno sería, 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

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[13] ou simplemente función fi.

En 1879, J.J. Sylvester acuñou o termo "totient" para esta función, [14] polo que tamén se chama función totiente de Euler, totiente de Euler.

O cototiente de n defínese como  . 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 totiente de Euler

editar

Hai varias fórmulas para calcular φ(n) .

Fórmula do produto de Euler

editar
 

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:

Fi é unha función multiplicativa

editar

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 fi para un argumento que sexa potencia dun primo

editar

Se p é primo e k ≥ 1, daquela

 

Proba da fórmula do produto de Euler

editar

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.

Exemplo

editar
 

A fórmula alternativa usa só números enteiros,

 

Transformada de Fourier

editar

O totiente é a transformada discreta de Fourier do mcd, avaliada en 1. [15] 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 e por tanto estamos nun grao de dificultade similar para calcular o valor da función.

Suma de divisores

editar

A propiedade estabelecida por Gauss para os divisores d dun número n di[16]

 .

A inversión de Möbius aplicada á fórmula da suma de divisores 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

Os primeiros 100 valores (secuencia A000010 na OEIS) móstranse na táboa e no gráfico a continuación:

 
Gráfico dos 100 primeiros valores
φ(n) para 1 ≤ n ≤ 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1 1 2 2 4 2 6 4 6 4
10 10 4 12 6 8 8 16 6 18 8
20 12 10 22 8 20 12 18 12 28 8
30 30 16 20 16 24 12 36 18 24 16
40 40 12 42 20 24 22 46 16 42 20
50 32 24 52 18 40 24 36 28 58 16
60 60 30 36 32 48 20 66 32 44 24
70 70 24 72 36 40 36 60 24 78 32
80 54 40 82 24 64 42 56 40 88 24
90 72 44 60 46 72 32 96 42 60 40

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 ten bastante marxe.

Teorema de Euler

editar

O teorema de Euler indica que se a e n son primos relativos, daquela

 

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

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

Outras fórmulas

editar
  •  
  •  
  •   En particular:
    •  
    •  
  •   Comparar isto coa fórmula   (ver Mínimo común múltiplo).
  • φ(n) é par para n ≥ 3. A maiores, se n ten r factores primos impares distintos, 2r | φ(n).
  • Para todo a > 1 e n > 6 tal que 4 ∤ n existe un l ≥ 2n tal que l | φ(an − 1).
  •  . Onde rad(n) é o radical de n. (O produto de todos os números primos distintos que dividen n).
  •  
  •  
  •  ([17] citado en[18])
  •   [Liu (2016)]
  •   [17]
  •  ;[19]
  •  ;[19](onde γ é a constante de Euler–Mascheroni).

Identidade de Menon

editar

En 1965 P. Kesava Menon demostrou que

 

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

Funcións xeradoras

editar

A serie de Dirichlet para φ(n) pódese escribir en termos da función zeta de Riemann como: [20]

 

onde o lado esquerdo converxe para   .

A función xeradora da serie de Lambert é [21]

 

que converxe para |q| < 1.

Taxa de crecemento

editar

Segundo as palabras de Hardy e Wright, a orde de φ(n) é "sempre case n".[22]

Primeiro [23]

 

mais cando n vai ao infinito, [24] 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 [25]

 

Aquí γ é a constante de Euler-Mascheroni, γ = 0.577215665... , polo que eγ = 1.7810724... e eγ = 0.56148638... .

Para a orde media, temos [17][26]

 

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 ata 2024 a mellor estimación 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 [27] 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

En 1950 Somayajulu demostrou [28] [29]

 

En 1954 Schinzel e Sierpiński reforzaron isto, demostrando [28] [29] que o conxunto

 

é denso nos números reais positivos. Tamén demostraron [28] que o conxunto

 

é denso no intervalo (0,1).

Números totientes

editar

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.[30] 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, [31] e de feito cada número enteiro positivo ten un múltiplo que é un non totiente par. [32] O número de números totientes ata un límite dado x é

 

para unha constante C = 0.8178146.... [33]


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

Ciclotomía

editar

Na última sección das Disquisitiones [34] Gauss demostra [35] 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 [36]

2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20, 24, 30, 32, 34, 40,... (secuencia A003401 na OEIS) .

Teorema dos números primos para progresións aritméticas

editar

O criptosistema RSA

editar

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

Conxectura de Lehmer

editar

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. [37]

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.[38] Alén diso, Hagis demostrou que se 3 divide n logo n > 101937042 e ω(n) ≥ 298848.[39][40]

A conxectura de Carmichael

editar

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.[30]

Hipótese de Riemann

editar

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.[41]

  1. "Euler's totient function". Khan Academy. Consultado o 2016-02-26. 
  2. Long (1972)
  3. Pettofrezzo & Byrkit (1970)
  4. Long (1972)
  5. Pettofrezzo & Byrkit (1970)
  6. Ver Teorema de Euler.
  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. (O traballo foi presentado na Academia de San Petersburgo no 9 de outubro do 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. Cajori, Florian (1929). A History Of Mathematical Notations Volume II. Open Court Publishing Company. §409. 
  13. Aínda que en galego a letra grega escríbese fi deixamos phi nalgúns nomes por ser máis facilmente identificábel cos nomes noutras linguas
  14. 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.
  15. Schramm (2008)
  16. Gauss, DA, art 39
  17. 17,0 17,1 17,2 Walfisz, Arnold (1963). Weylsche Exponentialsummen in der neueren Zahlentheorie. Mathematische Forschungsberichte (en alemán) 16. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften. Zbl 0146.06003. 
  18. Lomadse, G. (1964). The scientific work of Arnold Walfisz (PDF). Acta Arithmetica 10. pp. 227–237. doi:10.4064/aa-10-3-227-237. 
  19. 19,0 19,1 Sitaramachandrarao, R. (1985). "On an error term of Landau II". Rocky Mountain J. Math. 15 (2): 579–588. doi:10.1216/RMJ-1985-15-2-579. 
  20. Hardy & Wright 1979
  21. Hardy & Wright 1979
  22. Hardy & Wright 1979
  23. Hardy & Wright 1979
  24. Hardy & Wright 1979
  25. Hardy & Wright 1979
  26. Sándor, Mitrinović & Crstici (2006) pp.24–25
  27. Hardy & Wright 1979
  28. 28,0 28,1 28,2 Ribenboim, p.38
  29. 29,0 29,1 Sándor, Mitrinović & Crstici (2006) p.16
  30. 30,0 30,1 Guy (2004) p.144
  31. Sándor & Crstici (2004) p.230
  32. Zhang, Mingzhi (1993). "On nontotients". Journal of Number Theory 43 (2): 168–172. ISSN 0022-314X. Zbl 0772.11001. doi:10.1006/jnth.1993.1014. 
  33. Ford, Kevin (1998). "The distribution of totients". Ramanujan J. Developments in Mathematics 2 (1–2): 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. 
  34. Gauss, DA. The 7th § is arts. 336–366
  35. Gauss, DA, art 366
  36. Gauss, DA, art. 366. This list is the last sentence in the Disquisitiones
  37. Ribenboim, pp. 36–37.
  38. Cohen, Graeme L.; Hagis, Peter Jr. (1980). "On the number of prime factors of n if φ(n) divides n − 1". Nieuw Arch. Wiskd. III Series 28: 177–185. ISSN 0028-9825. Zbl 0436.10002.n if φ(n) divides n �� 1&rft.au=Hagis, Peter Jr.&rft.aufirst=Graeme L.&rft.aulast=Cohen&rft.date=1980&rft.genre=article&rft.issn=0028-9825&rft.jtitle=Nieuw Arch. Wiskd.&rft.pages=177-185&rft.volume=28&rft_id=//zbmath.org/?format=complete&q=an:0436.10002&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal" class="Z3988"> 
  39. Hagis, Peter Jr. (1988). "On the equation M·φ(n) = n − 1". Nieuw Arch. Wiskd. IV Series 6 (3): 255–261. ISSN 0028-9825. Zbl 0668.10006.M�φ(n) = n �� 1&rft.aufirst=Peter Jr.&rft.aulast=Hagis&rft.date=1988&rft.genre=article&rft.issn=0028-9825&rft.issue=3&rft.jtitle=Nieuw Arch. Wiskd.&rft.pages=255-261&rft.volume=6&rft_id=//zbmath.org/?format=complete&q=an:0668.10006&rft_val_fmt=info:ofi/fmt:kev:mtx:journal" class="Z3988"> 
  40. Guy (2004) p.142
  41. Broughan, Kevin (2017). Equivalents of the Riemann Hypothesis, Volume One: Arithmetic Equivalents (First ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-19704-6.  Corollary 5.35

Véxase tamén

editar

Bibliografía

editar

Outros artigos

editar

Ligazóns externas

editar