Cómo encontrar identidades similares a [matemáticas] (5 + i) ^ 4 = 2 (1 + i) (239 + i) [/ matemáticas]

[matemáticas] (a + i) [/ matemáticas]

[matemáticas] (a + i) (b + i) = (ab-1) + (a + b) i [/ matemáticas]

[matemáticas] (a + i) (b + i) (c + i) = [c (ab-1) – (a + b)] + (c (a + b) + ab-1) i [/ matemáticas ]

[matemáticas] = (abc- (a + b + c)) + ((ab + bc + ca) -1) i [/ matemáticas]

Queremos una forma general para

[matemáticas] \ prod_ {n = 1} ^ {m} (a_n + i) [/ matemáticas]

El patrón es fácil de detectar. El siguiente debería ser

[matemáticas] (abcd- (ab + ac + ad + bc + bd + cd) +1) + ((abc + abd + acd + bcd) – (a + b + c + d)) i [/ math]

En general, si consideramos que [math] \ {a_i \} [/ math] es un conjunto múltiple y [math] \ mathbb {O, E} [/ math], para ser submultisets,

[matemáticas] \ displaystyle \ prod_ {n = 1} ^ {2m + 1} (a_n + i) = \ sum_ {k \ in \ mathbb {N}} (- 1) ^ {k} \ sum_ {| \ mathbb {O} \ subset \ {a_i \} | = 2k-1} {\ prod \ mathbb {O}} + i \ sum_ {j \ in \ mathbb {N} \ cup {0}} (- 1) ^ { j} \ sum_ {| \ mathbb {E} \ subset \ {a_i \} | = 2j} {\ prod \ mathbb {E}} [/ math]

[matemáticas] \ displaystyle \ prod_ {n = 1} ^ {2m} (a_n + i) = – \ sum_ {j \ in \ mathbb {N} \ cup {0}} (-1) ^ {j} \ sum_ {| \ mathbb {E} \ subset \ {a_i \} | = 2j} {\ prod \ mathbb {E}} + i \ sum_ {k \ in \ mathbb {N}} (- 1) ^ {k} \ sum_ {| \ mathbb {O} \ subset \ {a_i \} | = 2k-1} {\ prod \ mathbb {O}} [/ math]

Voy a definir

[matemáticas] \ displaystyle \ WeiOdd (A) = \ sum_ {k \ in \ mathbb {N}} (- 1) ^ {k} \ sum_ {| \ mathbb {O} \ subconjunto A | = 2k-1} { \ prod \ mathbb {O}} [/ math]

[matemáticas] \ displaystyle \ WeiEven (A) = \ sum_ {j \ in \ mathbb {N} \ cup {0}} (- 1) ^ {j} \ sum_ {| \ mathbb {E} \ subconjunto A | = 2j} {\ prod \ mathbb {E}} [/ math]

Defina el vector Wei de un conjunto múltiple de enteros positivo como [math] (\ WeiEven, \ WeiOdd) [/ math]. Un par de multisets enteros positivos corresponde a una solución si y solo si uno tiene un vector Wei que, en cuanto a componentes, divide el vector Wei del otro. Esto proporciona cuatro formas posibles en que dos multisets pueden dar una solución. Si la constante que se extrae de la factorización tiene una parte exponencial compleja que es la raíz de la unidad, podemos elevar ambos lados de la ecuación a una potencia entera para recuperar una solución adecuada. En nuestro caso, las constantes siempre serán múltiplos enteros de [math] \ {\ pm1, \ pm i \} [/ math], por lo que en el peor de los casos tendremos que elevar ambos lados a [math] 4 [/ math] th poder.

Aquí hay dos soluciones encontradas por este método:

[matemáticas] (100 + i) (46 + i) (37 + i) = 10001 (17 + i) [/ matemáticas]

[matemáticas] (47 + i) (43 + i) (31 + i) = 4810 (13 + i) [/ matemáticas]

Aquí está el código implementado en MATLAB para calcular las funciones Wei:

función [S] = WeiOdd (A)

N = longitud (A);

t = 2 ^ (N-1); c = 0;

S = 0; k = 1; u = -1;
mientras tc> 0

K = 2 * k-1; k = k + 1;
Ind = nchoosek ([1: N], K);
l = longitud (Ind (1: final, 1)); c = c + l;

SP = 0;
para i = 1: l
P = 1;
X = A (Ind (i, 1: final));
para j = 1: K
P = P * X (j);
fin
SP = SP + P;
fin

S = S + u * SP;
u = -u;
fin
fin

———————————————————————————————————-

función [S] = WeiEven (A)

N = longitud (A);

t = 2 ^ (N-1) -1; c = 0;

S = 0; k = 1; u = 1;
mientras tc> 0

K = 2 * k; k = k + 1;
Ind = nchoosek ([1: N], K);
l = longitud (Ind (1: final, 1)); c = c + l;

SP = 0;
para i = 1: l
P = 1;
X = A (Ind (i, 1: final));
para j = 1: K
P = P * X (j);
fin
SP = SP + P;
fin

S = S + u * SP;
u = -u;
fin
S = S + u;
fin

Para el caso especial donde el coeficiente real es [matemática] 1 [/ matemática], queremos [matemática] \ WeiOdd = \ pm \ WeiEven> 0 [/ matemática]

Conner Davis da una muy buena respuesta sobre la explicación matemática detrás de estas identidades. Deberías leerlo si aún no lo has hecho.

Simplemente te señalaré un paquete Python [1] que te ayudará con el cálculo.

Esta herramienta es Sympy [2] (que significa python simbólico). Para instalarlo, ejecute:

pip install sympy

Aquí se explica cómo hacerlo para expandir y factorizar [math] (5 + i) ^ {5} [/ math]:

de importación simétrica I # I es el número complejo con I ** 2 = -1
z = 5 + I
print ((z ** 4) .expand (). factor ())
# 4 * (119 + 120 * I)

Luego, puede calcular [matemáticas] (a + b * i) (c + d * i) [/ matemáticas] y resolver [matemáticas] 119 + 120i = (a + b * i) (c + d * i) [ / math] así:

desde Sympy Import Symbol, resolver
a = Símbolo (‘a’, real = Verdadero)
b = Símbolo (‘b’, real = Verdadero)
c = Símbolo (‘c’, real = Verdadero)
d = Símbolo (‘d’, real = Verdadero)
z = (a + b * I) * (c + d * I)
eq = z.expand () – 119-120 * I
print (resolver (eq))
# [{a: (119 * c + 120 * d) / (c ** 2 + d ** 2), b: (120 * c – 119 * d) / (c ** 2 + d ** 2) }]

Una posible solución se obtiene seleccionando [matemática] c = 1 [/ matemática] y [matemática] d = 1 [/ matemática] que da el resultado esperado. Otra solución es elegir [matemáticas] c = 2 [/ matemáticas] y [matemáticas] d = 0 [/ matemáticas].

Este es solo un ejemplo para comenzar.

Combina esta herramienta con tu conocimiento entero gaussiano [3] recién adquirido y listo.

¡Espero que esto ayude!

Notas al pie

[1] Bienvenido a Python.org

[2] SymPy

[3] Entero gaussiano – Wikipedia

Depende en gran medida de lo que quiere decir con “similar”.

Parece que estás viendo los enteros gaussianos, números complejos cuyas partes reales e imaginarias son ambos enteros. Los enteros gaussianos forman un anillo. Eso significa que tienen una estructura muy agradable. La propiedad más importante que tienen (con respecto a su pregunta) es que están cerrados bajo multiplicación. Eso significa que el producto de dos enteros gaussianos es un entero gaussiano.

prueba:

[matemáticas] (a + b * i) * (c + d * i) = (ac-bd) + (ad + bc) * i [/ matemáticas]

[math] a, b, c, d [/ math] son ​​enteros, por lo que [math] ac-bd, ad + bc [/ math] también son enteros.

Por lo tanto, puede tomar cualquier número de enteros gaussianos y multiplicarlos para obtener otro entero gaussiano. Solo escríbelo y obtendrás otra identidad.

Si está buscando específicamente identidades con [matemáticas] m (1 + i) [/ matemáticas] en el lado derecho como [matemáticas] (2) [/ matemáticas] y [matemáticas] (3) [/ matemáticas], entonces desea [math] ac-bd = ad + bc = m [/ math] para algún número entero [math] m [/ math].

[matemática] ac-bd = ad + bc [/ matemática]

Elige tres y resuelve el cuarto.

Si solo está multiplicando dos enteros gaussianos, solo necesita hacer esto una vez. Si desea multiplicar [matemática] n [/ matemática] de ellos, puede hacerlo [matemática] n-1 [/ matemática] veces.

EDITAR: Si está específicamente interesado en el caso en que la parte imaginaria es [matemática] 1 [/ matemática], simplemente configure [matemática] b = 1, d = 1 [/ matemática].

[math] ad + bc = ac-bd [/ math], entonces

[matemáticas] a + c = ac-1 [/ matemáticas]

[matemáticas] a (c-1) = c + 1 [/ matemáticas]

[matemáticas] a = \ frac {c + 1} {c-1} [/ matemáticas]

Ambos deben ser enteros, entonces [matemática] c = 2, a = 3 [/ matemática] o [matemática] c = 0, a = -1 [/ matemática] o [matemática] c = -1, a = 0 [ / matemáticas] o [matemáticas] c = 3, a = 2 [/ matemáticas].

Eso significa las únicas soluciones para

[matemáticas] (a + i) (c + i) = m (1 + i) [/ matemáticas] son

[matemáticas] (i) (- 1 + i) = – 1 (1 + i) [/ matemáticas] y [matemáticas] (2 + i) (3 + i) = 5 (1 + i) [/ matemáticas]

Eso es muy bonito.

Si quieres cosas como [matemáticas] (1) [/ matemáticas], entonces:

[matemáticas] (t + i) ^ n = h (a + i) (c + i) [/ matemáticas]

[matemáticas] (t + i) ^ n = h ((ac-1) + (a + c) i) [/ matemáticas]

[matemáticas] (t + i) ^ n = \ sum_ {k = 0} ^ n {{n} \ elegir {k}} t ^ {nk} i ^ k [/ matemáticas]

Luego puede dividir esos términos en real e imaginario (imaginario si [math] k [/ math] es impar, real si [math] k [/ math] es par) y tratar de encontrar valores enteros que funcionen.

Lo que podría ser más interesante que lo que quiera decir con “similar a” es que el Anillo de enteros gaussianos, [math] \ mathbb Z [i] [/ math], al igual que el Anillo de enteros regulares, [math] \ mathbb Z [/ math], tiene una factorización esencialmente única en elementos primos. [matemáticas] 2 [/ matemáticas] y [matemáticas] 5 [/ matemáticas], sin embargo, no son números primos gaussianos ya que:

  • [matemáticas] 2 = (1 + i) (1-i) = i (1-i) ^ 2 = -i (1 + i) ^ 2 [/ matemáticas]; y
  • [matemáticas] 5 = (2 + i) (2-i) [/ matemáticas]

El “misterio” de sus expresiones se resuelve mediante la factorización prima. Por ejemplo:

[matemáticas] \ quad (5 + i) = (1 + i) (3-2i) [/ matemáticas]

Por lo tanto, [matemáticas] (5 + i) ^ 4 = (1 + i) ^ 4 (3-2i) ^ 4 [/ matemáticas] y esto se puede descomponer en factores por pares en [matemáticas] (4 + 1) \ veces ( 4 + 1) = 25 [/ matemáticas] formas distintas. Se pueden hacer tres factores distintos de muchas más maneras, que incluyen:

[matemáticas] \ quad -i (1 + i) ^ 2 \ veces (1 + i) \ veces i (1 + i) (3-2i) ^ 4 = 2 (1 + i) (239 + i) [/ matemáticas]

Todo parece más complicado de lo que realmente es. Debe comprender que un entero gaussiano [math] a + ib [/ math] es un primo gaussiano si y solo si:

  • [matemática] a [/ matemática] o [matemática] b [/ matemática] es cero y el otro es un primo regular de la forma [matemática] 4n + 3 [/ matemática]; o
  • [matemática] a ^ 2 + b ^ 2 [/ matemática] (la norma del número complejo) es un primo regular.

Expanda la forma factorizada que desee y luego vuelva a factorizar en términos de las constantes que desee, por lo que siempre son iguales.