Differences
This shows you the differences between two versions of the page.
Both sides previous revisionPrevious revisionNext revision | Previous revision | ||
statnice:bakalar:b4b01dma [2025/05/30 22:59] – zapleka3 | statnice:bakalar:b4b01dma [2025/05/31 10:26] (current) – [Příklad 2 – násobný kořen] mistrjirka | ||
---|---|---|---|
Line 138: | Line 138: | ||
$$ | $$ | ||
+ | Jedno z možných řešení pro $(\alpha, | ||
- | Bezoutova identita je lineární diofantická rovnice. Říká že v $gcd(a,b); a,b\in \mathbb{N}$ lze zapsat jako lineární kombinaci těchto dvou čísel, jejíž koeficienty jsou celá čísla | + | ==== Hledání inverzního |
- | Neboli: | + | Chceme nalézt inverzní prvek $a^{-1} \in \mathbb{Z}_n$, |
- | $$gcd(a,b) = \alpha a + \beta b; a,b\in \mathbb{N}; | + | Postup: |
+ | * Použijeme rozšířený Eukleidův algoritmus na $a$ a $n$. | ||
+ | * Výsledkem bude rovnost $1 = A \cdot a + B \cdot n$. | ||
+ | * Z toho plyne $a \cdot A \equiv 1 \pmod{n}$, tedy $A$ je inverzní prvek k $a$ modulo $n$. | ||
+ | * Inverzní číslo existuje právě tehdy, když $\gcd(a,n) = 1$. | ||
- | Například: | + | Neboli: |
+ | * Najdeme $\gcd(a, n)$ ve tvaru $1 = A \cdot a + B \cdot n$ (rozšířený Eukleidův algoritmus). | ||
+ | * Pokud $\gcd(a,n) > 1$, inverzní prvek **neexistuje**. | ||
+ | * Pokud $\gcd(a,n) = 1$, pak $A$ je právě inverzní prvek $a^{-1} \mod n$, protože: | ||
- | Největší společný dělitel čísel 12 a 42 je 6. Bezoutova identita tedy je: | + | ==== Diofantické rovnice ==== |
- | $$\alpha \cdot 12 + \beta \cdot 42 = 6$$ | + | |
- | Jedno z možných řešení pro $(\alpha,\beta)=(-3,1)$. | + | Pojem **lineární diofantická rovnice** označujme libovolnou rovnici typu $ax + by = c$ s neznámými $x,y\in \mathbb{Z}$, kde $a,b,c \in \mathbb{Z}$ jsou konstanty. |
- | **Hledání inverzního | + | **Definice**: Diofantická rovnice je rovnice, jejímž cílem je najít **celočíselná** řešení. Např.: |
+ | $$ | ||
+ | ax + by = c | ||
+ | $$ | ||
- | Hledáme inverzní prvek $a\in\mathbb{Z}_n$ ($\mathbb{Z}_n$ znamená v celých číslech modulo $n$). | + | Řešení existuje tehdy a jen tehdy, když $c$ je dělitelná |
- | - Najdeme $gcd(a,n) = A\cdot a + B\cdot n$ (v podstatě ve formátu Bezoutovy identity, toto lze nalézt např. pomocí rozšířeného Euklidova algoritmu) | + | |
- | - Jestliže $gcd(a, | + | |
- | - Jestliže $gcd(a,n) = 1$, pak bezoutova identita | + | |
- | + | ||
- | + | ||
- | **Definice diofantické rovnice: | + | |
- | + | ||
- | Pojem **lineární diofantická rovnice** označujme libovolnou rovnici typu $ax + by = c$ s neznámými $x,y\in \mathbb{Z}$, | + | |
**Řešení diofantických rovnic:** | **Řešení diofantických rovnic:** | ||
Line 175: | Line 177: | ||
Uvažujme rovnici $ax+by=0$ pro $a,b \in \mathbb{Z}$. Množina všech jejích celočíslených řešení je $$\left\{ \left(k \frac{b}{\gcd(a, | Uvažujme rovnici $ax+by=0$ pro $a,b \in \mathbb{Z}$. Množina všech jejích celočíslených řešení je $$\left\{ \left(k \frac{b}{\gcd(a, | ||
- | **Algoritmus řešení diofantických rovnic**: | + | |
+ | ==== Algoritmus řešení diofantických rovnic | ||
**Algoritmus** pro nalezení všech celočíselných řešení rovnice $ax+by=c$. | **Algoritmus** pro nalezení všech celočíselných řešení rovnice $ax+by=c$. | ||
Line 185: | Line 188: | ||
- Sečtením partikulárního a obecného homogenního řešení získáme množinu všech celočíselných řešení $$x = x_p + kb', y = y_p - ka' \text{ pro } k \in \mathbb{Z}$$ Případně lze prohodit $-$ pro získání $$x = x_p - kb', y = y_p + ka' \text{ pro } k \in \mathbb{Z}$$ | - Sečtením partikulárního a obecného homogenního řešení získáme množinu všech celočíselných řešení $$x = x_p + kb', y = y_p - ka' \text{ pro } k \in \mathbb{Z}$$ Případně lze prohodit $-$ pro získání $$x = x_p - kb', y = y_p + ka' \text{ pro } k \in \mathbb{Z}$$ | ||
+ | Pro řešení difonatických rovnic musíme najít 2 části řešení, homogenní a partikulární část. Partikulární část řešení najde jedno specifické řešení diofantické rovnice, ale abychom našli všechny řešení tak musíme vyřešit homogenní část ta nám umožní najít všechny řešení. | ||
+ | |||
+ | ==== Bonus: Malá Fermatova věta ==== | ||
- | Slovy autora: "Pro řešení difonatických rovnic musíme najít 2 části řešení, homogenní a partikulární část. Partikulární část řešení najde jedno specifické řešení diofantické rovnice, ale abychom našli | + | Malá Fermatova |
+ | * Pro každé prvočíslo $p$ a každé celé číslo $a$ platí: | ||
+ | $$ | ||
+ | a^p \equiv a \pmod{p} | ||
+ | $$ | ||
+ | * Pokud $a \not\equiv 0 \pmod{p}$, pak: | ||
+ | $$ | ||
+ | a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p} | ||
+ | $$ | ||
+ | Z toho plyne, že inverzní prvek lze vypočítat jako: | ||
+ | $$ | ||
+ | a^{-1} \equiv a^{p-2} \pmod{p} | ||
+ | $$ | ||
===== 4. Euklidův algoritmus ===== | ===== 4. Euklidův algoritmus ===== | ||
– jak funguje, teoreticky (přechod ke zbytku po dělení) i prakticky, jak se pozná kdy končí. Jak funguje jeho rozšířená verze, která umí poskytnout Bezoutovu identitu (prakticky). | – jak funguje, teoreticky (přechod ke zbytku po dělení) i prakticky, jak se pozná kdy končí. Jak funguje jeho rozšířená verze, která umí poskytnout Bezoutovu identitu (prakticky). | ||
Line 194: | Line 212: | ||
Ve své základní verzi slouží k hledání GCD (Největšího společného dělitele). | Ve své základní verzi slouží k hledání GCD (Největšího společného dělitele). | ||
- | Hledáme částečné zbytky po dělení, | + | Postupně počítáme |
Níže je uveden příklad pro čísla $408$ a $108$: | Níže je uveden příklad pro čísla $408$ a $108$: | ||
Line 219: | Line 237: | ||
\end{document} | \end{document} | ||
</ | </ | ||
+ | |||
+ | Díky postupnému zmenšování čísel má algoritmus logaritmickou časovou složitost, což z něj dělá velmi efektivní metodu i pro velká čísla. | ||
==== Rozšířený Euklidův algoritmus ==== | ==== Rozšířený Euklidův algoritmus ==== | ||
Line 227: | Line 247: | ||
Každý řádek se skládá z $r_i$ | $x_i$ | $y_i$, kde $r_i = x_i\cdot a + y_i\cdot b$. Pro výpočet řádku $i+1$ hledáme $a = \textbf{floor}(r_{i-1} / r_i)$ poté nový řádek je $r_{i+1}$ | $x_i\cdot (-a) + x_{i-1}$ | $y_i\cdot (-a) + y_{i-1}$ | Každý řádek se skládá z $r_i$ | $x_i$ | $y_i$, kde $r_i = x_i\cdot a + y_i\cdot b$. Pro výpočet řádku $i+1$ hledáme $a = \textbf{floor}(r_{i-1} / r_i)$ poté nový řádek je $r_{i+1}$ | $x_i\cdot (-a) + x_{i-1}$ | $y_i\cdot (-a) + y_{i-1}$ | ||
+ | |||
+ | Každý řádek obsahuje tři hodnoty $r_i \;|\; x_i \;|\; y_i$, kde: | ||
+ | * $r_i$ je aktuální zbytek, | ||
+ | * $x_i$ a $y_i$ jsou koeficienty, | ||
< | < | ||
Line 284: | Line 308: | ||
</ | </ | ||
- | ===== 5. Binární relace ===== | + | Rozšířený Euklidův algoritmus vždy vrací koeficienty $\alpha, \beta \in \mathbb{Z}$, |
- | definice a její ilustrace na jednoduchých příkladech. Čtyři základní vlastnosti (reflexivita, | + | |
- | | + | ===== 5. Binární relace ===== |
- | | + | – definice a ilustrace na jednoduchých příkladech. Čtyři základní vlastnosti (reflexivita, |
- | | + | |
- | | + | ==== Definice ==== |
+ | |||
+ | Nechť $A, B$ jsou množiny. **Binární relace** $R$ z $A$ do $B$ je libovolná podmnožina kartézského součinu: | ||
+ | $$ | ||
+ | R \subseteq A \times B | ||
+ | $$ | ||
+ | |||
+ | Jestliže $(a, b) \in R$, zapisujeme $a \mathcal{R} b$ a říkáme, že **prvek $a$ je v relaci s $b$** vzhledem k relaci $\mathcal{R}$. | ||
+ | Pokud $(a, b) \notin R$, pak $a$ **není v relaci** s $b$. | ||
+ | |||
+ | Pokud je relace na jedné množině ($A = B$), říkáme, že je **na množině $A$**. | ||
+ | |||
+ | ==== Čtyři základní vlastnosti ==== | ||
+ | |||
+ | Relace $\mathcal{R}$ na množině $A$ může mít tyto čtyři základní vlastnosti: | ||
+ | |||
+ | | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | |||
+ | ==== Ekvivalence ==== | ||
+ | |||
+ | Relace $\mathcal{R}$ na množině $A$ je **ekvivalence**, | ||
+ | |||
+ | Taková relace přirozeně rozdělí množinu $A$ na **třídy ekvivalence** – tedy podmnožiny, | ||
+ | |||
+ | **Definice třídy ekvivalence**: | ||
+ | Pro $a \in A$ definujeme: | ||
+ | $$ | ||
+ | [a]_{\mathcal{R}} = \{ b \in A \mid a \mathcal{R} b \} | ||
+ | $$ | ||
+ | |||
+ | Každý prvek $a$ náleží právě jedné třídě, množina všech tříd tvoří rozklad $A$. | ||
+ | |||
+ | ==== Částečné uspořádání ==== | ||
+ | |||
+ | Relace $\mathcal{R}$ na množině $A$ je **částečné uspořádání**, | ||
+ | |||
+ | Takovou relaci značíme často symbolem $\preceq$ nebo $\leq$ (např. „dělitelnost“). Dvojice $(A, \mathcal{R})$ se pak nazývá **částečně uspořádaná množina**. | ||
+ | |||
+ | ==== Hasseův diagram ==== | ||
+ | |||
+ | **Hasseův diagram** je grafické znázornění částečně uspořádané množiny. | ||
+ | |||
+ | * Vrcholy představují prvky množiny $A$. | ||
+ | * Hrana mezi $a$ a $b$ značí relaci $a \mathcal{R} b$, kde $a < b$ a neexistuje $c$, pro které by $a < c < b$. | ||
+ | * Prvek $a$ je v diagramu **níž** než $b$, pokud $a \mathcal{R} b$. | ||
+ | |||
+ | **Další pojmy v uspořádání**: | ||
+ | |||
+ | * **Největší prvek** – prvek, ke kterému vede cesta z každého jiného prvku (nemusí existovat). | ||
+ | * **Maximum** – prvek, nad kterým už není žádný jiný. | ||
+ | * **Nejmenší prvek** – prvek, ze kterého vede cesta ke všem ostatním (nemusí existovat). | ||
+ | * **Minimum** – prvek, pod kterým už není žádný jiný. | ||
+ | |||
+ | **Linearizace částečného uspořádání**: | ||
+ | Z Hasseova diagramu vytvoříme posloupnost prvků (např. zleva doprava, po úrovních), | ||
===== 6. Indukce ===== | ===== 6. Indukce ===== | ||
Line 296: | Line 377: | ||
==== Slabý princip matematické indukce ==== | ==== Slabý princip matematické indukce ==== | ||
- | Nechť $n_0 \in \mathbb{Z}$, | + | Nechť $n_0 \in \mathbb{Z}$, |
- | Předpokládejme, | + | Předpokládejme, |
- | * $V(n_0)$, | + | * $V(n_0)$ |
- | * $\forall n \geq n_0:\; V(n)\Rightarrow V(n+1)$. | + | * $\forall n \geq n_0: \; V(n) \Rightarrow V(n+1)$ |
- | Potom $V(n)$ platí pro všechna $n \geq n_0$. | + | |
- | ==== Příklad (slabá indukce) ==== | + | Pak $V(n)$ platí pro všechna $n \geq n_0$. |
- | Dokážeme, že $\;2^n \ge n+1\;$ pro každé $n\in\mathbb{N}_0$. | + | |
- | * **Základ: | + | ==== Příklad (slabá indukce) ==== |
- | * **Indukční krok:** Předpokládejme | + | |
- | $2^{n+1}=2\cdot2^n \ge 2(n+1)\ge(n+1)+1$, protože $n+1\ge1$. | + | Dokážeme, že $2^n \ge n+1$ pro každé $n \in \mathbb{N}_0$. |
+ | |||
+ | * **Základ: | ||
+ | * **Indukční krok:** Předpokládáme | ||
+ | $$ | ||
+ | | ||
+ | | ||
+ | protože $n+1 \ge 1$ | ||
==== Silný princip matematické indukce ==== | ==== Silný princip matematické indukce ==== | ||
- | **Krátké vysvětlení: | + | **Vysvětlení: |
- | U silné | + | Na rozdíl od slabé |
Je to, jako bys stavěl schody a u každého nového stupínku směl využít celou „platformu“ před sebou, nejen poslední schod. | Je to, jako bys stavěl schody a u každého nového stupínku směl využít celou „platformu“ před sebou, nejen poslední schod. | ||
Line 321: | Line 408: | ||
==== Příklad (silná indukce) ==== | ==== Příklad (silná indukce) ==== | ||
- | Každé celé číslo $n\ge2$ lze rozepsat jako součin prvočísel. | ||
+ | Dokážeme, že každé celé číslo $n \ge 2$ lze zapsat jako součin prvočísel. | ||
+ | |||
+ | * **Základ: | ||
+ | * **Indukční krok:** Předpokládáme, | ||
+ | * Uvažujme $n+1$: | ||
+ | - Pokud je $n+1$ prvočíslo, | ||
+ | - Pokud je složené, existují $a, b$ taková, že $n+1 = a \cdot b$ a $2 \le a,b \le n$. | ||
+ | - Podle indukčního předpokladu lze $a$ i $b$ rozložit na součin prvočísel. | ||
+ | - Součinem těchto rozkladů získáme rozklad i pro $n+1$. | ||
**Krátký slovní popis: | **Krátký slovní popis: | ||
Line 328: | Line 423: | ||
Je-li $n+1$ složené, rozdělíme ho na dva menší činitele $a,b$ (to lze díky tomu že víme, že čísla která nejsou prvočíslo jsou dělitelná ne jen sama sebou a 1) a pro oba už známe rozklad (protože čísla jsou menší než $n$ a pro ty už jsme si to dokázali) → jejich součinem dostaneme | Je-li $n+1$ složené, rozdělíme ho na dva menší činitele $a,b$ (to lze díky tomu že víme, že čísla která nejsou prvočíslo jsou dělitelná ne jen sama sebou a 1) a pro oba už známe rozklad (protože čísla jsou menší než $n$ a pro ty už jsme si to dokázali) → jejich součinem dostaneme | ||
rozklad i pro $n+1$. | rozklad i pro $n+1$. | ||
- | |||
- | - **Základ: | ||
- | - **Indukční krok:** Předpokládej základní tvrzení pro všechna $k$ s $2\le k\le n$. | ||
- | - Pro $n+1$: | ||
- | - je-li $n+1$ prvočíslo, | ||
- | - jinak existují $a,b$ taková, že $n+1=ab$ a $2\le a,b\le n$. Podle indukčního předpokladu lze $a$ i $b$ rozložit na součin prvočísel, | ||
- | |||
===== 7. Rekurentní rovnice ===== | ===== 7. Rekurentní rovnice ===== | ||
+ | |||
– základní vlastnosti homogenních lineárních rekurentních rovnic (jejich množina řešení tvoří vektorový prostor dimenze rovné řádu rovnice, takže řešení lze generovat pomocí vhodné báze), jak najít vhodnou bázi (pomocí kořenů charakteristického polynomu). | – základní vlastnosti homogenních lineárních rekurentních rovnic (jejich množina řešení tvoří vektorový prostor dimenze rovné řádu rovnice, takže řešení lze generovat pomocí vhodné báze), jak najít vhodnou bázi (pomocí kořenů charakteristického polynomu). | ||
- | **Definice: | + | **Definice: |
- | $F(a_n, a_{n-1}, a_{n-2}, \dots, a_0) = 0$, kde $F$ je nějaká funkce. Např. podstata problému | + | |
- | $H_n - 2 \cdot H_{n-1} - 1 = 0$. | + | Rekurentní |
+ | $$ | ||
+ | F(a_n, a_{n-1}, a_{n-2}, \dots, a_0) = 0 | ||
+ | $$ | ||
+ | kde $F$ je nějaká funkce. | ||
+ | |||
+ | Například problém | ||
+ | $$ | ||
+ | H_n = 2 \cdot H_{n-1} + 1 | ||
+ | \quad\text{tedy}\quad | ||
+ | H_n - 2H_{n-1} - 1 = 0 | ||
+ | $$ | ||
====Lineární rekurentní rovnice==== | ====Lineární rekurentní rovnice==== | ||
- | popřípadě **lineární rekurzivní rovnice** řádu $k \in \mathbb{N}_0$ je libovolná rovnice ve tvaru | ||
- | $a_{n+k} + c_{k-1}(n)a_{n+k-1} + \dots + c_2(n)a_{n+2} | + | Lineární rekurentní rovnice (nebo také lineární rekurzivní rovnice) **řádu $k$** je rovnice tvaru: |
+ | $$ | ||
+ | a_{n+k} + c_{k-1}(n)a_{n+k-1} + \dots + c_1(n)a_{n+1} + c_0(n)a_n = b_n | ||
+ | \quad \text{pro všechna | ||
+ | $$ | ||
- | kde $n_0 \in \mathbb{Z}$, $c_i(n)$ | + | * $k$ je řád rovnice – největší indexový posun v levé straně. |
- | Jestliže $b_n = 0$ pro všechna $n \geq n_0$, pak se příslušná rovnice nazývá homogenní. | + | * Koeficienty |
+ | * $b_n$ je tzv. pravá strana rovnice | ||
- | | + | Rovnice se nazývá **homogenní**, pokud platí $b_n = 0$ pro všechna $n \geq n_0$. |
- | * Jak najít vhodnou bázi – pomocí kořenů charakteristického polynomu. | + | * Množina všech řešení homogenní rovnice tvoří **vektorový prostor** dimenze $k$. |
+ | * Řešení lze vyjádřit | ||
====Řešení==== | ====Řešení==== | ||
- | Nechť je dána **lineární rekurentní rovnice** | + | Nechť je dána lineární rekurentní rovnice: |
+ | $$ | ||
+ | a_{n+k} + c_{k-1}(n)a_{n+k-1} + \dots + c_1(n)a_{n+1} + c_0(n)a_n = b_n | ||
+ | $$ | ||
- | $a_{n+k} + c_{k-1}(n)a_{n+k-1} + \dots + c_1(n)a_{n+1} + c_0(n)a_n = b_n$ pro všechna $n \geq n_0$. | + | **Řešením** rozumíme |
- | + | ||
- | Jako její řešení označíme libovolnou | + | |
====Charakteristická rovnice==== | ====Charakteristická rovnice==== | ||
**Definice: | **Definice: | ||
- | Nechť | + | $$ |
+ | a_{n+k} + c_{k-1}a_{n+k-1} + \dots + c_0a_n = b_n | ||
+ | $$ | ||
+ | |||
+ | Pokud je $b_n = 0$ pro všechna $n$, rovnice se nazývá **homogenní** a můžeme k ní přiřadit **charakteristický polynom**: | ||
+ | $$ | ||
+ | p(\lambda) = \lambda^k + c_{k-1}\lambda^{k-1} + \dots + c_1\lambda + c_0 | ||
+ | $$ | ||
+ | |||
+ | Řešením rovnice $p(\lambda) = 0$ (tzv. **charakteristická rovnice**) jsou tzv. **charakteristická čísla** (nebo také **kořeny** či „vlastní čísla“). | ||
+ | |||
+ | * Každé charakteristické číslo $\lambda$ generuje **jednu základní posloupnost** $a_n=\lambda^n$. Mluvíme-li o „vektorovém prostoru“, | ||
+ | * Pokud má polynom $p$ více různých kořenů $\lambda_1, | ||
+ | $$ | ||
+ | a_n = \alpha_1\lambda_1^n+\dots+\alpha_m\lambda_m^n | ||
+ | $$ | ||
+ | * je také řešením, takže celý prostor řešení má dimenzi $m$. | ||
+ | * Má-li některý kořen násobnost $r>1$, přidávají se do báze i členy $n\lambda^n, | ||
+ | |||
+ | Pomocí těchto tvarů sestavíme obecné řešení homogenní | ||
+ | |||
+ | ====Příklad 1 – dva různé kořeny==== | ||
+ | |||
+ | Homogenní rovnice druhého řádu | ||
+ | $$ | ||
+ | a_{n+2}-3a_{n+1}+2a_n=0 | ||
+ | $$ | ||
+ | má charakteristický polynom $p(\lambda)=\lambda^2-3\lambda+2$ | ||
+ | a kořeny $\lambda_1=1, | ||
+ | |||
+ | * Základní řešení: $u_n = 1^n = 1$, $v_n = 2^n$. | ||
+ | * Obecné řešení: $$a_n = \alpha\cdot1 + \beta\cdot2^n.$$ | ||
+ | * Prostor všech řešení je tedy 2-rozměrný a jeho (jednou z možných) bází je $\{\, | ||
+ | |||
+ | ====Příklad 2 – násobný kořen==== | ||
+ | |||
+ | Rovnice | ||
+ | $$ | ||
+ | a_{n+2}-2a_{n+1}+a_n=0 | ||
+ | $$ | ||
+ | má charakteristický polynom $p(\lambda)=(\lambda-1)^2$, | ||
- | $a_{n+k} + c_{k-1}a_{n+k-1} + \dots + c_1a_{n+1} + c_0a_n | + | * Základní řešení: |
+ | * Obecné řešení: $$a_n = \alpha + \beta n.$$ | ||
+ | * Znovu dostáváme 2-rozměrný prostor řešení, tentokrát s bází $\{\,1,\,n\}$. | ||
- | Její charakteristický polynom (characteristic polynomial) je definován jako polynom | ||
- | $p(\lambda) = \lambda^k + c_{k-1}\lambda^{k-1} + \dots + c_1\lambda + c_0$. | ||
- | Kořeny charakteristického polynomu se nazývají charakteristická čísla, popřípadě vlastní čísla dané rovnice (characteristic numbers/ | ||
- | K získání charakteristických čísel potřebujeme vyřešit rovnici | ||
- | $p(\lambda) = \lambda^k + c_{k-1}\lambda^{k-1} + \dots + c_1\lambda + c_0 = 0$, které se také říká charakteristická rovnice. |