Matematica Discreta Lezione del giorno 26 novembre 2008 Rappresentazione di un numero naturale in base b>1.

Matematica Discreta

Lezione del giorno 26 novembre 2008

Rappresentazione di un numero naturale in base b>1.

È un’applicazione del teorema dell’algoritmo della divisione per i numeri interi.

Fissiamo un numero naturale a ed un naturale b>1 (detto “base”). Applicando l’algoritmo della divisione, operiamo una divisione, con a come dividendo e b come divisore, ottenendo l’esistenza di due interi q0 ed r0, entrambi ≥0, tali che a=bq0+r0, con r0<b. Se il quoziente q00 (cioè q0>0) operiamo un’altra divisione, prendendo q0 come dividendo e b come divisore: esistono allora due interi q1 ed r1, entrambi ≥0, tali che q0=bq1+r1, con r1<b. Ancora, se il quoziente q10 (cioè q1>0), operiamo una terza divisione, prendendo q1 come dividendo e b come divisore, trovando che esistono due interi q2 edr2, entrambi ≥0 tali che q1=b*q2+r2, con r2>b; se q20 (q2>0) si ripete ancora il procedimento. In pratica tale procedimento continua con una successiva divisione solo se il quoziente della precedente divisione è non nullo, e nella successiva divisione il dividendo coincide con il quoziente della divisione precedente, mentre il divisore rimane costantemente =b.

Il procedimento si arresta quando si perviene ad una divisione con quoziente nullo.

Dimostriamo che questo procedimento ha termine dopo un numero finito di divisioni.

Per assurdo supponiamo di operare infinite divisioni tutte con quoziente non nullo. Osserviamo che il quoziente di ogni divisione è minore del quoziente della divisione precedente: infatti, essendo b>1, si ha bq1>q1, ed essendo r1≥0, si ha q0=bq1+r1≥ bq1>q1, quindiq0>q1. Analogamente si dimostra che q2>q1, che q3>q2 etc.

Potremmo allora costruire l’insieme S che contiene tutti i quozienti q1, q2,….. delle divisioni effettuate: essendo per assurdo tali quozienti tutti non nulli, sarebbe un insieme di numeri interi >0, cioè di numeri naturali, e quindi, per l’Assioma del minimo, S conterrebbe un elemento minimo, diciamo qi .

Ma, come osservato sopra, si avrebbe qi>qi+1 , contraddizione perché in S esisterebbe un elemento qi+1 minore del minimo qi .

Possiamo quindi affermare che dopo un numero finito di divisioni, perverremo ad una divisione con quoziente qn=0.

Elenchiamo le divisioni effettuate (supponendo appunto che il quoziente qn di indice n sia nullo):

a=bq0+r0

q0=bq1+r1

q1=bq2+r2

q2=bq3+r3

…….

…….

…….

qn-2=bqn-1+rn-1

qn-1=bqn+rn (con qn=0, quindi con qn-1=rn ).

Operando delle sostituzioni successive si ottiene:

a=bq0+r0=b(bq1+r1)+r0=b²q1+br1+r0=b²(bq2+r2)+br1+r0=b³q2+b²r2+br1+r0=………=

=bⁿqn-1+b^n-1rn-1+…..+ b²r2+br1+r0=bⁿrn+ b^n-1rn-1+…..+ b²r2+br1+r0 .

La scrittura ottenuta:

a=rnbⁿ+rn-1b^n-1+…..+r2b²+r1b+r0

è detta rappresentazione di a in base b ed i numeri r0,r1,r2,…rn sono detti cifre della rappresentazione. Come si nota nel procedimento precedente, le cifre r0,r1,r2,…rn (essendo resti delle

divisioni per b) sono numeri interi ≥0 e <b, cioè i possibili valori delle cifre sono compresi fra i numeri interi 0,1,…,b-1 , dove b è la base fissata.

Il simbolo usato per la rappresentazione di a in base b é è a=(rnrn-1rn-2……r2r1r0)b . Esempio:

Scrivere il numero a=122 in base b=3.

I valori possibili delle cifre nella rappresentazione in base 3 sono 0,1,2. Procedendo con l’algoritmo precedente otteniamo:

1^a divisione: 122=340+2 dove 121=a, 3=b, 40= q0, 2=r0; 2^a divisione: 40=313+1 dove 40=q0, 3=b, 13=q1, 1=r1; 3^a divisione: 13=34+1 dove 13=q1, 3=b, 4=q2, 1=r2; 4^a divisione: 4=31+1 dove 4=q2, 3=b, 1=q3, 1=r3; 5^a divisione: 1=30+1 dove 1=q3, 3=b, 0=q4, 1=r4. Allora a=121=(11112)3 .

Il procedimento inverso si effettua opernado le moltiplicazioni delle singole cifre per le potenze della base (relative alla posizione della base stessa) e sommando i prodotti.

Esempio:

Calcoliamo l’usuale rappresentazione decimale (cioè in base 10) del seguente numero rappresentato in base 5: a=(10241)5.

(10241)5=15⁴+05³+25²+45¹+15⁰=625+0+50+20+1=696.

Particolari basi sono la base b=10 (decimale), che è quella usata comunemente (forse in relazione al numero di dita delle mani) e la base b=2 (binaria), le cui cifre sono 0 ed 1 e che si utilizza nei computers in quanto si può trovare una corrispondenza con gli stati dei circuiti elettronici (per es.

alta o bassa tensione).

Divisori e multipli fra i numeri naturali

Dati 2 numeri naturali a,b diremo che a è divisore di b (o che b è multiplo di a) se esiste un numero naturale c tale che b=ac: in tale caso scriveremo il simbolo ab. Per esempio 28 perché esiste il numero naturale 4 tale che 24=8.

Osservazioni:

- Se ab allora certamente ab; infatti esisterà un naturale c tale che ac=b, ed essendo c1 si avrà aac=b.

- Se esiste un intero relativo c tale che b=ac, allora (essendo a,b>0) anche c>0 dunque c è un numero naturale e si conclude egualmente che ab

Il prossimo Teorema indica un algoritmo per verificare se ab:

Teorema. Siano dati 2 numeri naturali a,b. Allora si ha:

ab  dividendo b per a (con l’algoritmo della divisione) si ottiene resto 0 Dimostrazione:

Dimostriamo la doppia implicazione:

: Per ipotesi esiste un numero naturale c tale che b=ac. Dividiamo b per a ottenendo 2 numeri interi q,r≥0 (quoziente e resto) tali che b=aq+r, con r<a; si ha anche:

b=aq+r=ac+0

e per l’unicità del resto nella divisione di b per a si ottiene q=c, ed r=0 (tesi).

: Per ipotesi se dividiamo b per a otteniamo resto 0, quindi b=aq+r con r=0, ossia b=aq, con q (quoziente) interoe si conclude che ab (tesi) .

Massimo comune divisore

Dati 2 naturali a,b, si chiama massimo comune divisore di a e b un numero naturale d tale che:

1) da, db (quindi d è divisore comune di a,b) 2) d è multiplo di tutti i divisori comuni di a,b

(ovviamente dalla proprietà 2) e da un’osservazione precedente segue che d è anche il più grande dei divisori comuni di a e b).

Esempio: se a=24, b=18, i divisori comuni di a,b sono 1,2,3,6 e d=6 è multiplo di tutti i divisori comuni, quindi 6=mcd(24,18).

Dati i naturali a,b definiamo combinazione lineare di a,b a coefficienti interi relativi un qualunque numero intero relativo della forma ax+by dove i numeri x,y (detti appunto coefficienti) variano fra i numeri interi relativi.

Per esempio se a=4, b=6, esempi di combinazioni lineari di 4 e 6 a coefficienti interi relativi sono i seguenti numeri:

4∙5+6∙(-2)=8 ; 4∙(-7)+6∙2= -16, 4∙(-3)+6∙2=0 .

Teorema di esistenza del massimo comune divisore. Dati comunque i naturali a,b esiste sempre il loro massimo comune divisore.

Dimostrazione: Costruiamo l’insieme S di tutte le possibili combinazioni lineari di a,b a coefficienti interi relativi che siano positive:

S = { z / z=ax+by, con x,y ; z>0}

L’insieme S é non vuoto perché contiene per esempio almeno l’elemento a=a∙1+b∙0, e l’elemento b=a∙0+b∙1 .

Per l’Assioma del minimo esiste in S un elemento minimo d: in particolare d è un intero >0 e d è combinazione lineare di a,b della forma d=ax+by per opportuni valori x,y. Dimostriamo che d è il massimo comune divisore di a,b che cercavamo, verificando che d soddisfa le proprietà 1), e 2) della definizione di massimo comune divisore di a,b.

1) Dimostriamo che da e che db.

Per l’Algoritmo della divisione fra numeri naturali, possiamo dividere a per d ottenendo a=dq+r, con q, r interi 0, ed r<d. Per il Teorema precedente, per dimostrare che da, basta dimostrare che il resto r è =0. Se per assurdo fosse r>0 sarebbe r=a-dq=a-(ax+by)q=a(1-xq)+b(-yq) e si otterrebbe che anche r è combinazione lineare (positiva)di a,b, cioè rS, con r<s ed s minimo in S, contraddizione.

In modo molto simile si dimostra che db.

2) Dimostriamo che d è multiplo di qualunque divisore comune s di a,b: ma se s è divisore comune di a,b esisteranno due numeri naturali c,v tali che a=sc, b=sv, da cui si ricava d=ax+by=scx+svy=s(cx+vy) ossia d è multiplo di s, come si voleva dimostrare.

Poiché d soddisfa le proprietà 1) e 2) della definizione di massimo comune divisore, si conclude che d è il massimo comune divisore.di a,b e si ottiene la tesi.