¿Cómo demostramos que si p es un número primo y p no es igual a 3, entonces p ^ 2 + 2 es divisible por 3?

Ahora podría responder esto usando aritmética modular, pero salgamos de las pistas que ya tienes.

Si [matemática] p = 3k [/ matemática], para [matemática] p> 3 [/ matemática], [matemática] p [/ matemática] no puede ser primo.

Si [math] p = 3k + 1 [/ math], tal que [math] p [/ math] es primo:

[matemáticas] (p ^ 2) +2 = ((3k + 1) ^ 2) + 2 = 9k ^ 2 + 6k + 3 [/ matemáticas]

[matemáticas] 9k ^ 2 = 3 (3k ^ 2) = 3 m [/ matemáticas]

[matemáticas] 6k = 3 (2k) = 3n [/ matemáticas]

Entonces:

[matemáticas] (p ^ 2) + 2 = 3m + 3n + 3 = 3 (m + n + 1) [/ matemáticas] que es divisible por 3

Si [math] p = 3k + 2 [/ math], de modo que [math] p [/ math] es primo:

[matemáticas] (p ^ 2) +2 = ((3k + 2) ^ 2) + 2 = 9k ^ 2 + 12k + 6 [/ matemáticas]

[matemáticas] 9k ^ 2 = 3 (3k ^ 2) = 3 m [/ matemáticas]

[matemáticas] 12k = 3 (6k) = 3n [/ matemáticas]

Entonces:

[matemáticas] (p ^ 2) + 2 = 3m + 3n + 6 = 3 (m + n + 2) [/ matemáticas] que es divisible por 3.

De hecho, esto es cierto para cualquier número que no sea divisible por 3, independientemente de la primalidad.

Sabemos que p es primo y no igual a tres. Por lo tanto, p no puede ser igual a 3k (o de lo contrario sería un número compuesto.

Ahora solo sustituye en nuestras dos pistas restantes.

(3k + 1) ^ 2 + 2 = 9k ^ 2 + 6k + 3 = 3 (3k ^ 2 + 2k + 1)

(3k + 2) ^ 2 + 2 = 9k ^ 2 + 12k + 6 = 3 (3k ^ 2 + 4k + 2)

Como 3 es un factor de cada una de estas expresiones, las expresiones son divisibles por tres. Dado que 3k + 1 y 3k + 2 son representaciones generales de cualquier número primo que no sea igual a 3, esto significa que p ^ 2 + 2 se dividirá entre 3 para todos los números primos no iguales a 3.

[matemática] p [/ matemática] es primo y no es igual a [matemática] 3 [/ matemática], eso significa que [matemática] p [/ matemática] no es divisible por [matemática] 3 [/ matemática]. Como [math] 1 [/ math] es el único módulo de residuo cuadrático [math] 3 [/ math] se obtiene el resultado

[matemáticas] p ^ 2 + 2 \ equiv 0 \! \! \ mod \! 3 [/ matemáticas].

Por supuesto, también se puede probar esto tomando los módulos restantes [matemática] 3 [/ matemática] para [matemática] (3k + 1) ^ 2 [/ matemática] y [matemática] (3k + 2) ^ 2 [/ matemática].

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