Soluzioni in Z_3

Salve sono uno studente e sto cercando di capire perchè le due funzioni polinomiali x2 e x3 + x2 - x nell'anello Z3 hanno lo stesso comportamento. Come è possibile se per x = 2 la prima assume il valore 4 e la seconda assume valore 10. Sul mio libro afferma il contrario. Sapete spiegarmi il perchè anche corredato da un esempio?

Andrea Ali
20 dicembre 2004
Caro Andrea,

l'anello Z3 è un insieme molto semplice, formato da soli tre numeri (0, 1 e 2), con due operazioni: l'addizione e la moltiplicazione.
Per capire come sono definite queste operazioni, devi immaginare che i tre numeri siano i resti dalla divisione per 3 (da qui il 3 nel nome Z3 dell'anello) di uno qualsiasi dei numeri naturali. Nella tabella qui sotto trovi alcuni numeri nella prima riga e i resti della loro divisione per 3 nella seconda


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2

come vedi, man mano che i numeri si susseguono, i resti si ripetono ciclicamente – tant'è che Z3 si chiama anche gruppo ciclico (di ordine 3).
Ciascuna delle colonne della tabella può essere riscritta in un modo "più matematico" con la seguente notazione

8 = 2 mod3
9 = 0 mod3
16 = 1 mod3

che si leggono "8 è uguale (o meglio congruo) a 2 modulo 3", "9 è uguale (o meglio congruo) a 0 modulo 3", "16 è uguale (o meglio congruo) a 1 modulo 3".

Puoi verificare che la congruenza modulo 3 è un'equivalenza, cioè è riflessiva (n = n mod3), simmetrica (se n = m mod3 allora m = n mod3) e transitiva (se n = m mod3 e m = p mod3 allora n = p mod3). Allo stesso modo, puoi verificare che i resti si "comportano bene" rispetto all'addizione e alla moltiplicazione (dei numeri naturali); e questo ci permette di definire l'addizione (+) e la moltiplicazione (x) in Z3 con le due seguenti tabelline pitagoriche

+ 0 1 2
0 0 1 2
1 1 2 0
2 2 0 1
x 0 1 2
0 0 0 0
1 0 1 2
2 0 2 1

Detto questo non è difficile definire i polinomi che ti interessano (x2 e x3 +x2 -x) per mezzo di un'ultima tabella (tieni conto che i valori da calcolare sono solo tre!)

x 0 1 2
x2 0 1 1
x3 +x2 -x 0 1 1

E da questa puoi ben vedere che le due funzioni sono la stessa.
Quello che non hai osservato è che i due valori che tu citi (4 e 10) in Z3 coincidono, perchè i numeri naturali 4 e 10 sono congruenti modulo 3 ed equivalgono entrambi a 1.

Potresti infine desiderare sapere perchè i due polinomi coincidono. Provo a risponderti un po' più generalmente.
Come forse sai, è possibile costruire il gruppo ciclico Zn non solo con n = 3 ma con ogni numero naturale. Ebbene, se tu prendi il caso particolare in cui n sia un numero primo p, in Zp si verifica il seguente fatto

xp – x è sempre congruente a 0, per ogni numero x di Zp.E da questo segue che ogni polinomio P(x) si può scrivere come P(x) + xp – x, senza che nulla cambi.
E questo è proprio quanto è successo a x2 nella tua domanda.
Daniele Gouthier ICS - Innovations in Communication of Science, SISSA, Trieste

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