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Polinomi Biiettivi in Z p

Nel documento Polinomi biiettivi (pagine 32-37)

Richiamiamo la notazione vista in Zm. Sia

p(x) =

n

X

k=0

akxk∈ Z[x] (4.1)

Sia p un intero, primo, qualsiasi. Allora il polinomio p(x) =

n

X

k=0

[ak]pxk ∈ Zp[x] (4.2)

si dice la riduzione modulo p di p(x) e quindi

f : Zp → Zp (4.3)

`

e la corrispondente funzione polinomiale. Osserviamo che, a differenza di

quanto avveniva in Zm, ogni funzione f: Zp → Zp e`polinomiale, fondamen-

talmente perché Zp non ha divisori dello zero, vediamo. Diamo la seguente

Definizione.

Sia A un anello commutativo. Un elemento a ∈ A `e un divisore dello 0 se esiste un b6= 0 in A con a · b=0. Diremo anche che a divide 0.

Teorema 4.0.10.

Sia m un intero positivo e α = [a] una classe in Zm. Allora α `e un divisore

dello 0 se e solo se (a,m)>1.

Ora questa proprietá degli anelli finiti, che non siano campi, evidenzia un limite nel momento in cui considerato un certo polinomio vogliamo valutar- lo, attraverso la corrispondente funzione polinomiale, in un Zm qualsiasi. Ad

esempio, posto m=4, consideriamo il polinomio p(x)= a3x3 di terzo grado,

ora se consideriamo la corrispondente funzione polinomiale f(x)= [a3]4x3con

a3 6= 0, riscontriamo un comportamento un pó lacunoso, in quanto x3 ≡ 0

(mod 4) per x=2, ovvero per certi valori (appunto i divisori dello zero) ‘col- lassa’ il grado, contravvenendo alla stessa definizione di funzione polinomiale che assicura che la funzione ha grado n se il coefficente n-esimo `e diverso

dallo zero. In un campo Zp con p primo questo non succede mai perché vale

il Teorema di Fermat, per cui xp−1 ≡ 1 (mod p), con x intero qualsiasi, e la

congruenza xp−1 ≡ 0 (mod p) `e verificata soltanto nel caso in cui x=0.

Quindi considerato ci`o, poiché tutte le funzioni f: Zp → Zp sono polinomiali,

se le pensiamo come le funzioni biiettive del gruppo simmetrico, troviamo che questo insieme coincide con Sp. Ora, poiché vale

Teorema 4.0.11.

Sia A un insieme con n elementi, n>0. Allora S(A) ha n! elementi. Ovvero le biiezioni da un insieme finito A di ordine n in s`e stesso sono n!, quindi possiamo affermare che l’insieme dei polinomi biiettivi in Zp ha p!

elementi. A questo punto vogliamo individuare tali polinomi. Con questo intento possiamo restringere la nostra attenzione, senza perdere di generalitá, ai polinomi di grado ≤ p − 1 in quanto per il Teorema di Fermat vale

xp ≡ x ⇒ xp+1 ≡ x2 ⇒ xp+2 ≡ x3 ⇒ ...x2p−2≡ xp−1 (4.4)

cio`e ogni esponente maggiore di p si comporta nello stesso modo di un espo- nente piú piccolo, compreso tra 0 e p-1.

Iniziamo dal campo Z2, tenendo conto di (4.4) possiamo osservare che ci

sono i polinomi di primo grado della forma f(x)= ax+b e questi soltanto.

Tali polinomi formano un sottogruppo di Sp di ordine p(p-1). L’ordine del

sottogruppo di un gruppo finito, per il Teorema di Lagrange, deve dividere l’ordine del gruppo e p(p-1) `e dato dal numero delle disposizioni semplici di n elementi in k modi diversi, Dn,k = (n−k)!n! . Osserviamo infatti che gli ele-

menti di Z2 sono 0,1 e le possibili disposizioni o ‘collocazioni’ per questi due

elementi sono due, un elemento come coefficiente della x e un elemento come

termine noto, quindi 2!

(2−2)!, ricordando che 0!=1. Quindi in Z2 i polinomi

biiettivi sono solo due ( ricordiamo che ∀ˆa ∈ Z t.c a ≡ ˆa (mod m) vale ˆ

a∈ [a]m), ed entrambi di primo grado.

Vediamo in Z3. Ci saranno sempre i polinomi di primo grado, che rappresen-

tano sempre un sottogruppo di Sp di ordine p(p-1) ma ovviamente saranno

di piú per la precisione 3!

(3−2)! ovvero 6, dati dalle seguenti espressioni (tutte

le possibili disposizioni semplici degli elementi di Z3)

x, 2x, x+ 1, x+ 2, 2x + 1, 2x + 2

Ricordando che l’insieme dei polinomi biiettivi in un campo Zpcoincide con il

gruppo simmetrico Sp e che, per quanto osservato precedentemente, l’ordine

di Sp e`p!, concludiamo che tanto in Z2 quanto in Z3 i polinomi biiettivi sono

tutti e solo quelli di primo grado perché in entrambi i casi p!= p(p-1). Vediamo che ‘qualcosa‘ cambia in Z5 visto che 5!6= 5(5-1), ovvero il numero

dei polinomi di primo grado, che per la formula vista sopra `e 20, non satura

il numero dei polinomi biiettivi in Z5 che `e 5! ovvero 120. Comprendiamo

quindi che in Z5 ci sono anche polinomi biiettivi di grado > 1, vediamo in

dettaglio. In generale un polinomio di grado due del tipo ax2 + bx + c (a6=

0) `e biiettivo ⇔ ax2 + bx lo `e. Ora vediamo che ax2 + bx = x(ax+b) ha

due radici: [0]5 e -ba che (tenendo conto del fatto che in un campo tutti gli

elementi tranne lo zero sono invertibili) sará [˜b]5 · [a−1]5 dove ˜b ≡ -b (mod

5)). Dunque, volendo richiedere la biiettivitá, possiamo ammettere solo il caso in cui b = [0]5. Ma in questo caso, pur ottenendo il polinomio ax2, non

in particolare iniettivo, perché a · [12]

5 = a · [42]5 = a). Dunque i polinomi di

secondo grado non sono biiettivi. Che dire di quelli di terzo grado?

Consideriamo il polinomio ax3+ bx2+ cx + d (a6= 0) di terzo grado, anche in

questo caso osserviamo che ax3+ bx2+ cx + d `e biiettivo ⇔ ax3+ bx2+ cx

lo `e ⇔ x(x2+ b ax+ c a) lo `e. Ora posto b′ = ba; c′

= ca (a6= 0) consideriamo il polinomio x(x2+ b′

x+ c′

) che si annulla sicuramente in x=0, ora per la biiettivitá, x=0 deve essere l’unica radice, pertanto devono verificarsi uno dei due seguenti casi: o il polinomio x2 + b′

x+ c′

si annulla anch’esso in x=0 (e questo si verifica se e solo se c′

= [0]5) oppure il suo discriminante (b′)2 − 4c′ = (b′)2 + c′ (mod 5) non

deve essere un quadrato in Z5, ovvero il polinomio x2+ b ′

x+ c′

deve essere irriducibile in Z5. Vediamo che, posto ∆ = (b

)2 + c

, non `e un quadrato

in Z5 quando ∆= 2, oppure ∆= 3, ovvero quando c

= 2 − (b′

)2 caso (1);

oppure c′

= 3 − (b′

)2 caso (2). Si distinguono i seguenti: caso (1) c

= 2,1 e 3 per (b′

)2 = 0,1 e 4 rispettivamente (a meno di congruenze); caso (2) c

= 3,2 e 4 per (b′

)2 = 0,1 e 2 rispettivamente (a meno di congruenze). Vediamo

la seguente tabella che indica i valori (di b′

e c′

) che devono comparire nel polinomio x2+ b

x+ c′

affinché la condizione di biiettivitá sia soddisfatta

b′ c′ 0 2 1 1 2 3 3 3 4 1 oppure b′ c′ 0 3 1 2 2 4 3 4 4 2 Ci sono quindi le seguenti possibilitá

x(x2+ 2) x(x2 + x + 1) x(x2+ 2x + 3) x(x2+ 3x + 3) x(x2+ 4x + 1)

Ora per verifica diretta (ponendo x=0,1,2,3,4 (mod 5)) proviamo l’iniettivi

tá dei suddetti polinomi ad esempio prendendo il primo polinomio x(x2+2)

verifichiamo x x(x2+ 2) 0 0 1 3 2 2 3 3 4 2

Osserviamo che il polinomio assume lo stesso valore, 3, in corrispondenza di x=1, 3. Questo ci basta per scartarlo dalla lista dei polinomi biiettivi. Proce- dendo con tale verifica su tutti gli altri polinomi riscontriamo che risultano iniettivi i seguenti

x(x2+ 2x + 3) x(x2+ 3x + 3) x(x2+ x + 2) x(x2+ 2x + 4) (4.5)

Ora ricordando che avevamo posto b′

= ab; c′

= ac (a6= 0) e che il polinomio di partenza era ax3+ bx2+ cx + d, quindi moltiplicando tutti i polinomi della

lista (4.5) per a e sommando loro d (al variare di a e d in Z5) otteniamo

ben 20 diversi polinomi per ciascuno di essi, tale numero `e dato sempre da Dn,k = (n−k)!n! dove n= 5 ovvero tutti i possibili valori di a tra gli elementi del

campo, k=2 inteso come quantitá di modi attraverso i quali assegnare tali valori, uno per b′

e uno per c′

, quindi in totale avremo 80 polinomi biiettivi di terzo grado. Resta fuori il caso in cui b′

= c′

= 0 in corrispondenza dei quali valori troviamo il polinomio x(x2) che ha radice tripla x=0. Ora, al

variare di a e d in Z5 troveremo 20 polinomi del tipo ax3+ d, che vanno a

sommarsi agli 80 precedentemente individuati. Ora ricordando i 20 polino- mi lineari che avevamo riconosciuti come polinomi biiettivi, in apertura del

discorso, in totale avremo in Z5 ben 120 polinomi biiettivi, che `e il numero

che ci aspettavamo di trovare visto che l’insieme dei polinomi biiettivi di Z5

coincide con S5. Con questo riscontriamo anche che nessun altro polinomio

di grado ≤ 4 puó quindi essere biiettivo in Z5.

Diamo una tabella riassuntiva delle funzioni polinomiali di ordine piccolo sull’anello Zm per 1 ≤ m ≤ 10. Nella seconda riga c’`e il numero di elementi

dell’anello delle funzioni polinomiali. Nella terza riga l’ordine del gruppo Gm

di quelle biiettive e nella quarta il tipo di gruppo.

m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |PAn| 1 4 27 64 3125 108 7 7 1024 19683 12500 |Gm| 1 2 6 8 120 12 720 128 1296 240 Gm id S2 S3 D4 S5 D6 S7 2-Syl ? S2× S5 Legenda:

• Sme`il gruppo simmetrico su m elementi. Se m `e primo, allora Gm ∼= Sm

• Dm e`il gruppo delle simmetrie dell’ m-agono regolare.

• Per m = 8, poiché 8! = 27· 32 · 5 · 7, il gruppo G

8, di ordine 128 = 27, `e

uno dei 2-sottogruppi di Sylow di S8, e la sua struttura `e ben nota.

• Per m=9, G9 ha ordine 1296 = 24 · 34 e poiché 9!= 27· 34· 5 · 7, allora G9

contiene almeno uno dei 3-sottogruppi di Sylow di S9, ma la sua struttura `e

da determinare.

• Un teorema afferma che se n= m· q, con m e q coprimi, allora Gn∼=Gm×Gq.

Ne consegue che, per esempio, G6 ∼= G3×G2 ∼= S3×S2 ∼= D6. Analogamente,

G10 ∼= G2 × G5 ∼= S2× S5, d’ordine 2 · 120 = 240. Pertanto, la tabella per

l’ordine Gm si puó agevolmente ampliare, con l’esclusione delle potenze dei

Nel documento Polinomi biiettivi (pagine 32-37)

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