TU Wien:Algebra und Diskrete Mathematik VU (diverse)/Übungen 2025W/Beispiel 444

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Man bestimme mit Hilfe der Lösungsformel für quadratische Gleichungen alle Lösungen von 3‾x2+2‾x+6‾=0‾ über dem Körper ℤ7.

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Es existiert ein Programm-Entwurf (als Text) zur Suche der Restklassen-Elemente.
Große Lösungsformel
Große Lösungsformel
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ax2+bx+c=0⟹x1,2=−b±b2−4ac2a.

Restklassen

Restklassen modulo m:

a‾={a+km|k∈ℤ}m

Restklassenring
Restklassenring
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Allgemein gilt:

Eine Restklassenring Rm bildet einen Körper, wenn m prim (ansonsten existiert i.A. kein multiplikatives Inverses).

Lösung von Baccus

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Der naive Versuch, eine Lösung auf ℤ zu finden, schlägt fehl: Der Wert der Diskriminante D=b2−4ac=22−4⋅3⋅6=−68<0 besagt, daß keine Lösung (in M <ℂ) existiert.

Nachdem wir aber auf dem Restklassenkörper ℤ/7ℤ operieren, kommen zwei Lösungsmöglichkeiten in Betracht:

  • wir verallgemeinern die gegebenen Werte aus ℤ7 auf ℤ, lösen das Problem in ℤ und spezialisieren das Ergebnis wieder auf ℤ7.
  • wir lösen das Problem vollständig in ℤ7, wobei wir aber für die Zwischenergebnisse immer wieder passende Restklassenwerte finden müssen.

Auf dem Restklassenring ℤ/7ℤ können wir die Diskriminante in den Bereich ≥0 zwingen, indem wir andere Werte aus den jeweiligen Restklassen der Angabewerte (aus ℤ7) zur Lösung in ℤ verwenden.

Z.B. (Werte mit o.g. Java-Programm; gefunden):

a=3,b=2+1m|m=7=9ℤ,c=6:

Diskriminante D=b2−4ac=2‾2−4⋅3‾⋅6‾=z.B.92−4⋅3⋅6=9≥0√ Lösung existiert (in ℝ); falls die Gleichung ganzzahlig aufgeht (was sie mit den gewählten Zahlenwerten auch tut), ist die Lösung auch in ℤ.

ax2+bx+c=3‾x2+2‾x+6‾=z.B.3x2+9x+6=0⟹

x1,2=−9±92−4⋅3⋅62⋅3⇒

x1=−9+36=−1=z.B.(−1+k⋅m)m=7∈ℙ:primk=1∈ℤ=6∈6‾ℤ7

x2=−9−36=−2=⋯∈5‾ℤ7

Lösung auf Z7:

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Die Diskriminante D=b2−4ac=2‾2−4⋅3‾⋅6‾=2‾2−4⋅3‾⋅6‾=−68 ist negativ, aber in ∈2‾ℤ7.

Also erweitern wir D z.B. mit 11m|m=7: −68+11m|m=7⏟=9∈2‾⏟3∈3‾ =3∈3‾.

Dann ist x1,2=−2‾⏞∈5‾±D⏞∈3‾2⋅3‾⏟∈6‾⟹

x1=5‾+3‾(+z.B4m|m=7)6‾=6‾,

x2=5‾−3‾(+z.B2m|m=7)6‾=5‾.

Kontrolle der Ergebnisse auf Z7:

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(Fleißaufgabe):

  • x1=z.B.6∈6‾:3‾x12+2‾x1+6‾=?0‾⇒3⋅6⋅6⏟108∈3‾+2⋅6⏟12∈5‾+6⏟∈6‾=3‾+5‾+6‾⏟14∈0‾=0‾√
  • x2=z.B.−2∈5‾:3‾x22+2‾x2+6‾=?0‾⇒3⋅−2⋅−2⏟12∈5‾+2⋅−2⏟−4∈3‾+6⏟∈6‾=5‾+3‾+6‾⏟14∈0‾=0‾√
  • x=z.B.12∈5‾:3‾x2+2‾x+6‾=?0‾⇒3⋅12⋅12⏟432∈5‾+2⋅12⏟24∈3‾+6⏟∈6‾=5‾+3‾+6‾⏟14∈0‾=0‾√
  • x=z.B.⋯

Baccus 01:12, 14. Jan 2007 (CET)

(Danke Hapi, Navyseal)

Lösung von Hapi

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Da man mit mit Restklassen rechen kann, sollte man für b = 2 mod 7 wie folgt einsetzen: b = 9

Das ergibt dann nach der Formel (die Restklassen darf ich ja in 7-er Schritten erweitern!)

x1,2=−9‾±9‾2−4∗3∗6‾2∗3‾=−9‾±81‾−72‾6‾=−9‾±9‾6‾ = −9‾±36‾  = -2 bzw. -1.

Das Einsetzen der Werte ergibt folgende Gleichungen mit Restklassen:

3‾*(-1)² + 2‾∗(−1)+6‾=3‾−(7)−2‾∗1+6‾=0‾ bzw 3‾*(-2)² + 2‾∗(−2)−6‾=12‾−(2∗7)−4‾+6‾=0‾

denn -2*7 und -1*7 sind zulässige Erweiterungen bei Modulo 7.

Hapi


Urbanek hat noch eine andere Lösungsvarieante gebracht:

x1,2=−2‾±2‾2−4∗3∗6‾2∗3‾=−2‾±4‾−2‾6‾=−2‾±2‾6‾=(−2‾±2‾)∗6‾′=(−2‾±2‾)∗6‾=(−2‾±3‾)∗6‾=

Ergebnis 1 : 1‾∗6‾=6‾

Ergebnis 2 : −5‾∗6‾=−30‾=5‾

Er hat statt durch Restklasse 6 dividiert mit dem Inversen davon multipliziert, was zufälligerwiese wieder 6 ist. Außerdem hat er nach jedem Rechenschritt die jeweilige Restklasse mod 7 verwendet, z.b. statt 72 nur 2, etc.

Hapi

Lösung von zool

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Das die Inverse Restklasse von -6 wieder 6 ist kann ich mir nicht vorstellen. Das inverse einer Restklasse wird wie folgt errechnet:

a*b+m*k=1

In diesen Fall ist b=-6 und m = 7, schaut dann so aus:

1*(-6)+7*1=1

daraus folgt die Inverse Restklasse von -6 ist 1! Bis dorthin passt die Rechnung aber.

=(−2‾±2‾)∗1‾′=(−2‾±2‾)∗1‾=(−2‾±3‾)∗1‾=

Ergebnis 1 : 1‾∗1‾=1‾

Ergebnis 2 : −5‾∗1‾=−5‾=3‾

Inverse Restklasse von -5:

3*(-5)+7*2=1 => 3

--Zool 13:57, 1. Feb. 2009 (UTC)

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