Teorema de Wilson

En matemáticas, particularmente en teoría de números y álgebra abstracta, el teorema de Wilson es una proposición clásica vinculada con la divisibilidad y la primalidad de números enteros. A continuación, se presenta su enunciado:

Si p es un número primo, entonces (p − 1)! ≡ -1 (mod p)


John Wilson


La proposición recíproca también es verdadera, por lo que puede afirmarse que un número n> 1 es primo si y sólo si (n− 1)! ≡ − 1 (mod n). Sin embargo, sólo la implicación de arriba es conocida como teorema de Wilson (o Congruencia de Wilson). Por tanto, el teorema, probado su recíproco, proporciona una condición necesaria y suficiente para que el número entero sea primo.[1]

Enunciado alternativo

Si es un número primo entonces es divisible por .[2]

HistoriaEditar

Fue atribuido a John Wilson por Edward Waring, quien en 1770 comentó acerca de que Wilson dejara anotado el hallazgo. No hay evidencia de que Wilson hubiese hallado la demostración, y ciertamente Waring no la halló. Fue Lagrange quien, en 1771 dio la primera demostración. Con toda propiedad, el teorema debe ser atribuido a Abu 'Ali al-Hasan ibn al-Haytham, llamado en Occidente Alhazen, quien lo formuló a comienzos del siglo XI.

EjemploEditar

La siguiente tabla muestra los valores de n desde 2 a 30, (n-1)!, Y el resto al (n-1)! se divide por n. (El resto cuando m se divide por n se escribe m mod n). El color de fondo es de color rosa para los valores primos de n, color verde claro para valores compuestos.

Tabla de resto módulo n
n>1     -1 mod n
2 1 1 1
3 2 2 2
4 6 2 3
5 24 4 4
6 120 0 5
7 720 6 6
8 5040 0 7
9 40320 0 8
10 362880 0 9
11 3628800 10 10
12 39916800 0 11
13 479001600 12 12
14 6227020800 0 13
15 87178291200 0 14
16 1307674368000 0 15
17 20922789888000 16 16
18 355687428096000 0 17
19 6402373705728000 18 18
20 121645100408832000 0 19
21 2432902008176640000 0 20
22 51090942171709440000 0 21
23 1124000727777607680000 22 22
24 25852016738884976640000 0 23
25 620448401733239439360000 0 24
26 15511210043330985984000000 0 25
27 403291461126605635584000000 0 26
28 10888869450418352160768000000 0 27
29 304888344611713860501504000000 28 28
30 8841761993739701954543616000000 0 29

DemostraciónEditar

Usando aritmética modularEditar

De derecha a izquierdaEditar

Por contradicción. Suponga que   y   no es primo. Dado que   no es primo, existe   tal que  , es decir,  . Además, no es difícil ver que  . Si escribimos   entonces, a partir de la hipótesis se concluye que  

Además, aprovechando el hecho de que   se deduce que   y luego   Vemos que   tiene inverso en módulo  , lo cual no puede ser cierto pues   Esta contradicción proviene de suponer que   no es primo.

De izquierda a derechaEditar

Sea   un número primo. Dado que   es primo, entonces para todo   se tiene que   y entonces cada   tiene un único inverso módulo   en el conjunto  .

Para ver que es único, supongamos   tales que   y  . Luego se tiene  , de donde  

De lo anterior se colige que   Además, del supuesto se tiene que   Sin embargo, para cada   se tiene que  , es decir,  , lo cual es una contradicción. Lo mismo ocurre si   Vemos entonces que  , lo que garantiza la unicidad.

Ahora, es claro que   son inversos de sí mismos en módulo  , y para todo otro elemento en   se tiene un inverso en módulo   diferente al de los demás (por la unicidad). Así, podemos agrupar cada elemento con su inverso, de modo que  

De aquí, multiplicando a ambos lados por   se concluye  , lo que finaliza la demostración.

Usando teoría de gruposEditar

Esta demostración usa el hecho de que si p es un número primo, entonces el conjunto de números G = (Z/pZ)× = {1, 2, ... p − 1} forma un grupo bajo la multiplicación. Esto significa que para cada elemento a de G, hay un único inverso multiplicativo b en G tal que ab ≡ 1 (mod p). Si ab (mod p), entonces a2 ≡ 1 (mod p), que se puede factorizar en a2 − 1 = (a + 1)(a − 1) ≡ 0 (mod p), y puesto que p es primo, entonces a ≡ 1 o −1 (mod p), por ejemplo a = 1 o a = p − 1.

En otras palabras, 1 y p − 1 son cada uno su propio inverso, pero para cualquier otro elemento de G hay un inverso, también en G, así que si tomamos todos los elementos de G por parejas y los multiplicamos todos ellos juntos, el producto será igual a −1 (módulo p). Por ejemplo, si p = 11, tenemos que:

 

Las propiedades conmutativas y asociativas son usadas en el procedimiento de arriba. Todos los elementos en el producto anterior serán de la forma g g −1 ≡ 1 (mod p) excepto 1 (p − 1), que están al principio del producto.

Si p = 2, el resultado es trivial e inmediato.

Para demostrar el inverso del teorema (ver siguiente sección), supóngase que la congruencia se cumple para un número compuesto n, nótese entonces que n tiene un divisor propio d con 1 < d < n. Claramente, d divide a (n − 1)! pero por la congruencia, d también divide a (n − 1)! + 1, así que d divide a 1, con lo que se llega a una contradicción.

Usando polinomiosEditar

Sea p un número primo. Consideremos el polinomio

 

Recordemos que si f(x) es un polinomio no nulo de grado d sobre un cuerpo F, entonces f(x) tiene un máximo de d raíces en F, y recordemos que el conjunto de todos los restos módulo un primo, con las operaciones de suma y multiplicación, es un cuerpo. Ahora, siendo g(x)

 

Puesto que los coeficientes de mayor orden se cancelan, f(x) es un polinomio de grado p − 2 como mucho. Por tanto, si tomamos restos módulo p, f(x) tendrá a lo sumo p − 2 raíces módulo p. Sin embargo, a la vista de la definición de f(x), del pequeño teorema de Fermat se sigue que cada elemento 1, 2, ..., p − 1 es una raíz de f(x) (por lo que, a fortiori, es una raíz de f(x) módulo p). Esto es imposible a menos que f(x) sea idénticamente cero módulo p, esto es, a menos que cada coeficiente de f(x) sea divisible por p.

Dado que el término constante de f(x) es justamente (p − 1)! + 1,

InversoEditar

El inverso del teorema de Wilson dice que para cualquier número compuesto n > 5,

n divide a (n − 1)!.

Se deja el caso n = 4, para el cual 3! no es divisible por 4 (es únicamente divisible por 2).

En efecto, si q es un factor primo de n, de tal manera que n = qa, los números

1, 2, ..., n − 1

incluyendo a − 1 múltiplos de q. Por lo tanto, las potencias de q que dividen al factorial son al menos n/q − 1; y las potencias que dividen a n son a lo máximo

log n/log q.

La inecuación

log n/log qn/q − 1

se cumple en general, excepto para el caso q = 2 y n = 4.

Test de primalidadEditar

El teorema de Wilson no se utiliza como test de primalidad en la práctica, ya que para calcular (n − 1)! modulo n para un número n grande es costoso (computacionalmente hablando), y se conocen tests más sencillos y rápidos.

Usando el teorema del Wilson, se tiene que para cada número primo p:

 
 

donde p = 2n + 1. Esto se convierte en

 

Así, la primalidad del número se determina mediante los residuos cuadráticos de p. Esto se puede usar de hecho para probar parte de otro famoso resultado: −1 es un cuadrado (residuo cuadrático) mod p si p ≡ 1 (mod 4). Para la suposición, p = 4k + 1 para algún entero k. Entonces, tomando n = 2k y sustituyendo, se concluye que:

 

El teorema de Wilson ha sido utilizado para generar fórmulas para los primos, pero es demasiado lento como para tener valor práctico.

GeneralizaciónEditar

El teorema de Wilson se puede generalizar, como mostró Carl Friedrich Gauss en su libro Disquisitiones Arithmeticae:


 

donde p es un número primo impar, y k pertenece a los números naturales, es decir,  . El teorema se generaliza más por el hecho de que en cualquier grupo abeliano finito, ya sea el producto de todos los elementos es la identidad, o precisamente hay un elemento a de orden 2. En este último caso, el producto de todos los elementos es igual a.

ReferenciasEditar

  1. Burton W. Jones Teoría de los números Editorial F. Trillas Ciudad de México (1969)
  2. Se ha ha adecuado el enunciado que da Iván Vinográdov en su «Fundamentos de la teoría de los números»

Véase tambiénEditar

Literatura consultadaEditar

  • Reid, Constance (2006). From Zero to Infinity: What Makes Numbers Interesting. Massachusetts (USA): AK Peters. ISBN 1568812736.