Enuncia y demuestra el Teorema Fundamental de la Aritmética

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Respuesta dada por: roberjuarez
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Hola, aquí va la respuesta

  Teorema fundamental de la Aritmética(TFA)

"Sea n un entero no nulo y distinto de 1 y -1. Entonces existen primos positivos P₁, P₂,.., Pₖ tales que"

      n= P₁×P₂×...×Pₖ

Esta factorizacion es única

Debemos usar los siguientes lemas:

  • Si P es primo y P║a×b (a,b ∈ Z) entonces P║a o P║b

  • Si P es primo y P divide a un producto de enteros  n₁, n₂,...,nⱼ  entonces P║nₖ para algún k

Recordemos la definición de divisibilidad:

a║b   ⇔   ∃ m ∈ Z tal que    b = m×a

Si demostramos que

  • Todo numero se puede descomponer en factores primos

  • Toda descomposición en primos es única

Ya tendremos el Teorema

Todo numero se puede descomponer en factores primos

Sea n ∈ Z⁺ un numero compuesto  

Por el lema 2, va  a existir un primo P₁ tal que:

P₁║ n

P₁ es el primo mas pequeño que divide a n

Ahora si  P₁║n  por definición de Divisibilidad:

∃n₁ ∈ Z :   n= P₁×n₁     n₁ < n

Supongamos que n₁ no es primo ( si lo fuera ya acabaría la demostración) entonces:

∃ n₂ ∈ Z : n₁= P₂× n₂  con     n₂ < n₁

Tendríamos:

n= P₁×P₂×n₂          n₂ < n₁ < n

Si n₂ no fuera primo, ni n₃, n₄, etc y seguimos realizando este proceso obtendríamos:

n= P₁×P₂×P₃×P₄×...×Pₖ ×nₖ

0 < nₖ  <... < n₄ < n₃ < n₂ < n₁ < n

Osea tenemos una sucesión de enteros positivos. Esta sucesión no puede ser infinita ya que n₄, n₃,... son enteros menores que n y mayores de 0

Por tanto hemos llegado a que nₖ es primo

n= P₁×P₂ ×...×Pₖ      Q.E.D

   Toda descomposición en factores primos es única

Como ya demostramos que todo numero tiene una descomposición en factores primos, llamemos "n" a el menor de estos números:

Supongamos que existen primos P y Q tales que:

n= P₁×P₂×...×Pᵣ     ∧      n= q₁×q₂×...×qₛ

P₁ < P₂ <... < Pᵣ       ∧  q₁ < q₂ <... < qₛ

Sabemos que ningún  Pᵢ es igual a algún  qⱼ,  vamos a demostrarlo por el absurdo

Supongamos que ∃ Pᵢ, qⱼ   tal que:    Pᵢ= qⱼ

Como son iguales, podemos cancelar Pᵢ y qⱼ, lo que obtendríamos es un n₁ que no contiene a Pᵢ, qⱼ

Es decir:

n₁=  P₁×P₂×...×Pᵣ= q₁×q₂×...×qₛ

n₁ < n ya que le falta Pᵢ, qⱼ.  Esto quiere decir que n₁ tiene 2 factorizaciones distintas. Lo cual es Absurdo ya que dijimos que "n" era el menor de los números que tenia mas de una factorizacion

Esto implica que  Pᵢ ≠qⱼ

Ahora, sabemos que:

P₁×q₁ < n    ⇒  0 < n - P₁×q₁

Sabemos ademas que:

n - P₁×q₁ < n

Entonces:         0 < n - P₁×q₁ < n

Vamos a llamar "m" a n - P₁×q₁, tenemos:

0 < m < n

Como m < n, nos dice que m no va a tener factorizaciones distintas

A su vez, sabemos:

P₁║n           ∧     q₁ ║ n

Si m= n - P₁×q₁   esto implica que P₁  divide a n y a P₁×q₁ por tanto

P₁ ║m

Y q₁ divide a n y  P₁×q₁, entonces

q₁║m

Por el Lema 2

P₁×q₁║ m

Si en m= n - P₁×q₁, despejamos "n" obtendríamos:

n= m + P₁×q₁

⇒P₁×q₁ ║ n

Sabemos que  n= P₁×q₁  ,  despejando q₁, nos queda:

q₁= n / p ₁     ⇒    q₁║ n / p₁

Si  n= P₁×P₂×...×Pᵣ

Reemplazando:

q₁║P₁×P₂×...×Pᵣ  / P₁

Simplificando:

q₁║P₂×P₃×...× Pᵣ

Como P₂×P₃×...× Pᵣ < n  hay una factorizacion única, ya que dijimos que "n" era el menor

Ademas:      q₁ ≠ Pᵢ,  para i= 2...r

Esto implica que  q₁∦ P₂× P₃ ×...×  Pᵣ,  pero esto es Absurdo ya que hemos supuesto que había números con mas de una factorizacion distinta de primos

Por lo tanto la descomposición de factores primos es única

Y queda demostrado el teorema

Saludoss

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