Teoría de números y aritmética modular: problemas de práctica con soluciones paso a paso

También llamado: aritmética modular

Problemas gratis de Teoría de números y aritmética modular con diagramas, pistas y soluciones completas. Valores nuevos cada vez, en tres niveles: mcd y restos, inversos y congruencias, potencias modulares y RSA.

Problema de práctica gratisFácil
012345678910mod 11

Halla 942 mod 11, el resto r con 0 ≤ r < 11.

a = 942n = 11

Respuesta exacta: un número entero, sin redondear.

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Qué practicas

  1. Fácilmcd y restos
  2. Mediainversos y congruencias
  3. Difícilpotencias modulares y RSA

Cómo resolver problemas de Teoría de números y aritmética modular

  1. Reduce primero cada número módulo n; los restos están entre 0 y n − 1.
  2. Para un mcd, divide repetidamente con el algoritmo de Euclides; el último resto distinto de cero es el mcd.
  3. Para un inverso, aplica el algoritmo extendido y quédate con el coeficiente de a; suma n si es negativo.
  4. Resuelve a·x ≡ b multiplicando por a⁻¹; combina dos congruencias escribiendo x = r₁ + m₁k.
  5. Para las potencias, escribe el exponente en binario y eleva al cuadrado repetidamente; en RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) con φ(n) = (p − 1)(q − 1).

Errores frecuentes

  • Dar un resto negativo para un número negativo.
  • Detener el algoritmo de Euclides en el primer resto.
  • Dejar el inverso negativo en lugar de sumarle n.
  • Tomar el exponente RSA d módulo n en lugar de módulo φ(n).
  • Reducir el exponente módulo p en lugar de módulo p − 1 con el teorema de Fermat.

Fórmulas clave

División con resto
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclides
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Mínimo común múltiplo
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inversa
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Congruencia lineal
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Función φ de Euler
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Fermat
aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p)
RSA
n = pq, φ = (p − 1)(q − 1), d = e⁻¹ mod φ, c = mᵉ mod n, m = cᵈ mod n

Aprende Teoría de números y aritmética modular desde cero

1Restos y congruencias

Al dividir a entre n se obtiene un cociente q y un resto r: a = q·n + r con 0 ≤ r < n. El resto se escribe a mod n. Para un número negativo, q también es negativo: −3 = −1·7 + 4, así que −3 mod 7 = 4.

Dos números son congruentes módulo n, a ≡ b (mod n), cuando dejan el mismo resto, es decir, cuando n divide a a − b.

0123456mod 7−3 ≡ 411 ≡ 4

Los restos se pueden reducir en cada paso, lo que mantiene los números pequeños:

(a + b) mod n = ((a mod n) + (b mod n)) mod n, y lo mismo para a·b

Por ejemplo, 47·58 mod 9: 47 ≡ 2 y 58 ≡ 4, así que 47·58 ≡ 8 (mod 9).

Autoevaluación ¿Cuánto es −17 mod 5?
  1. 2
  2. 3
  3. −2
  4. −3

Respuesta: 3. −17 = −4·5 + 3, así que el resto es 3. La respuesta 2 es 17 mod 5; un resto nunca es negativo.

2Algoritmo de Euclides

El máximo común divisor mcd(a, b) es el mayor número que divide a ambos. El algoritmo de Euclides usa mcd(a, b) = mcd(b, a mod b):

  1. Divide: a = q·b + r.
  2. Sustituye (a, b) por (b, r).
  3. Repite hasta que el resto sea 0. El último resto distinto de cero es el mcd.
252 = 2·105 + 42, 105 = 2·42 + 21, 42 = 2·21 + 0 → gcd = 21

El mínimo común múltiplo se deduce de él: mcm(a, b) = a·b / mcd(a, b).

Autoevaluación ¿Cuánto es mcd(84, 36)?
  1. 12
  2. 252
  3. 4
  4. 6

Respuesta: 12. 84 = 2·36 + 12 y 36 = 3·12 + 0, así que el mcd es 12. 252 es el mínimo común múltiplo, 84·36/12.

3Inversos y el algoritmo extendido

El inverso de a módulo n es el número x con a·x ≡ 1 (mod n). Existe exactamente cuando mcd(a, n) = 1.

El algoritmo de Euclides extendido aplica Euclides a (n, a) y guarda un coeficiente t para cada resto, de modo que cada resto r ≡ t·a (mod n). Empieza con t = 0 para n y t = 1 para a; cada nuevo t es el t de dos filas más arriba menos q veces el t de una fila más arriba. Cuando aparece el resto 1, su t es el inverso.

Con el inverso, una congruencia a·x ≡ b (mod n) se resuelve con x ≡ a⁻¹·b. Cuando d = mcd(a, n) es mayor que 1, hay d soluciones si d divide a b, y ninguna en caso contrario.

Dos congruencias con módulos coprimos, x ≡ r₁ (mod m₁) y x ≡ r₂ (mod m₂), tienen exactamente una solución módulo m₁·m₂ (el teorema chino del resto). Escribe x = r₁ + m₁k y despeja k.

Ejemplo resuelto

Halla el inverso de 7 módulo 40.

1

Euclides sobre (40, 7)

40 = 5·7 + 5, 7 = 1·5 + 2, 5 = 2·2 + 1
2

Sigue el coeficiente t

t(40) = 0, t(7) = 1.

t(5) = 0 − 5·1 = −5, t(2) = 1 − 1·(−5) = 6, t(1) = −5 − 2·6 = −17
3

Hazlo positivo

1 ≡ −17·7 (mod 40), y −17 + 40 = 23.

4

Comprobación

7·23 = 161 = 4·40 + 1
Respuesta

El inverso es 7⁻¹ ≡ 23 (mod 40).

4Potencias modulares y RSA

El cuadrado repetido calcula aᵏ mod n con rapidez: escribe k en binario, halla a, a², a⁴, a⁸, … mod n elevando al cuadrado y reduciendo, y multiplica las potencias cuyo bit es 1.

El pequeño teorema de Fermat: para un primo p que no divide a a, aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p). Por tanto, el exponente se puede reducir módulo p − 1.

RSA construye una clave a partir de dos primos p y q:

  1. n = p·q y φ(n) = (p − 1)(q − 1).
  2. Elige e con mcd(e, φ(n)) = 1; (n, e) es la clave pública.
  3. Calcula d = e⁻¹ mod φ(n): la clave privada.
  4. Cifra c = mᵉ mod n; descifra m = cᵈ mod n.

La φ(n) de Euler cuenta los números de 1 a n que son coprimos con n: φ(p) = p − 1 para un primo, φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹, y φ es multiplicativa para factores coprimos.

Autoevaluación Una clave RSA usa p = 5, q = 11 y e = 3. ¿Cuánto es d?
  1. 13
  2. 27
  3. 37
  4. 3

Respuesta: 27. φ(n) = 4·10 = 40, y 3·27 = 81 = 2·40 + 1, así que d = 27. El inverso de 3 módulo n = 55 sería 37, pero d se toma módulo φ(n).

5Errores frecuentes

  • Dar un resto negativo para un número negativo: −17 mod 5 es 3, no −2.
  • Detener Euclides en el primer resto en lugar de en el último distinto de cero.
  • Olvidar sumar n a un coeficiente negativo del algoritmo extendido.
  • Calcular el exponente RSA d módulo n en lugar de módulo φ(n).
  • Reducir un exponente módulo p en lugar de módulo p − 1 con el teorema de Fermat.

6Cómo son las preguntas de examen

  • Fácil: mcd y restos. Ejecutas el algoritmo de Euclides para un mcd o un mcm, hallas restos de números negativos y reduces sumas y productos módulo n.
  • Medio: inversos y congruencias. Hallas inversos modulares con el algoritmo extendido, resuelves congruencias lineales, combinas dos congruencias con el teorema chino del resto y calculas la φ(n) de Euler.
  • Difícil: potencias modulares y RSA. Usas el cuadrado repetido y el teorema de Fermat, resuelves congruencias con varias soluciones y hallas exponentes privados RSA, textos cifrados y mensajes descifrados.

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Ejemplos resueltos

Ejemplo 1Fácil

Halla (914·953) mod 11 sin multiplicar los números grandes: reduce primero.

n = 11

Calcula (914·953) mod 11

Mostrar pistas
  1. (x·y) mod n = ((x mod n)·(y mod n)) mod n, y lo mismo vale para las sumas.
  2. 914 mod 11 = 1, 953 mod 11 = 7.
  3. Reduce módulo 11 el producto de los restos.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Divisibilidad y restos: a mod n es el resto r con 0 ≤ r < n y a = q·n + r, también cuando a es negativo. El algoritmo de Euclides halla mcd(a, b) repitiendo a = q·b + r y sustituyendo (a, b) por (b, r); el último resto distinto de cero es el mcd. Entonces mcm(a, b) = a·b/mcd(a, b). Los restos se pueden reducir en cada paso: (a + b) mod n y (a·b) mod n solo dependen de a mod n y de b mod n.

Reduce cada número

914 ≡ 1, 953 ≡ 7 (mod 11)

Combina

1·7 = 7 ≡ 7 (mod 11)

Respuesta

(914·953) mod 11 = 7
Ejemplo 2Media

Halla la función φ de Euler φ(637), el número de enteros de 1 a 637 que son coprimos con 637.

n = 637 = 72·13

Calcula φ(637)

Mostrar pistas
  1. Factoriza n en primos: 637 = 72·13.
  2. φ es multiplicativa para factores coprimos, y φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹.
  3. φ(n) = n·∏(1 − 1/p).
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Inversos y congruencias: a tiene inverso módulo n exactamente cuando mcd(a, n) = 1. El algoritmo de Euclides extendido escribe 1 = s·n + t·a, y entonces a⁻¹ ≡ t (mod n). Una congruencia a·x ≡ b (mod n) con mcd(a, n) = 1 tiene la solución x ≡ a⁻¹·b. Dos congruencias x ≡ r₁ (mod m₁) y x ≡ r₂ (mod m₂) con módulos coprimos tienen una solución módulo m₁·m₂ (teorema chino del resto). La φ(n) de Euler cuenta los números de 1 a n que son coprimos con n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Factores primos

637 = 72·13

Función φ

φ(637) = φ(49)·φ(13) = 42·12 = 504

Respuesta

φ(637) = 504
Ejemplo 3Difícil
mc = me​ mod n225m = cd​ mod n?(n, e) = (481, 23)d

Una clave RSA usa p = 13, q = 37 y e = 23. Descifra el texto cifrado c = 225: halla el mensaje m.

p = 13q = 37e = 23c = 225

Calcula m

Mostrar pistas
  1. n = 481, φ(n) = 432.
  2. d = e⁻¹ mod φ(n) = 263.
  3. m = cd mod n = 225263 mod 481: usa el cuadrado repetido.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Potencias modulares y RSA: calcula aᵏ mod n por cuadrado repetido: escribe k en binario, eleva al cuadrado, reduce después de cada paso y multiplica las potencias cuyo bit es 1. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) para un primo p que no divide a a, así que el exponente se puede reducir módulo p − 1. RSA: elige los primos p y q, n = p·q y φ(n) = (p − 1)(q − 1); el exponente público e es coprimo con φ(n), y el exponente privado es d = e⁻¹ mod φ(n). Cifra con c = mᵉ mod n y descifra con m = cᵈ mod n.

Exponente privado

n = 481, φ(n) = 432
d = 23−1 mod 432 = 263

Descifra por cuadrado repetido

263 = 256 + 4 + 2 + 1
2251 ≡ 225 (mod 481)
2252 ≡ 120 (mod 481)
2254 ≡ 451 (mod 481)
2258 ≡ 419 (mod 481)
22516 ≡ 477 (mod 481)
22532 ≡ 16 (mod 481)
22564 ≡ 256 (mod 481)
225128 ≡ 120 (mod 481)
225256 ≡ 451 (mod 481)
225263 ≡ 225·120·451·451 ≡ 361 (mod 481)

Mensaje

m = 361
comprobación: 36123 mod 481 = 225

Respuesta

m = 361

Preguntas y respuestas

Teoría de números y aritmética modular: ¿qué es?

Al dividir a entre n se obtiene un cociente q y un resto r: a = q·n + r con 0 ≤ r < n. El resto se escribe a mod n. Para un número negativo, q también es negativo: −3 = −1·7 + 4, así que −3 mod 7 = 4.

Dos números son congruentes módulo n, a ≡ b (mod n), cuando dejan el mismo resto, es decir, cuando n divide a a − b.

Teoría de números y aritmética modular: ¿cómo se resuelven los ejercicios paso a paso?
  1. Reduce primero cada número módulo n; los restos están entre 0 y n − 1.
  2. Para un mcd, divide repetidamente con el algoritmo de Euclides; el último resto distinto de cero es el mcd.
  3. Para un inverso, aplica el algoritmo extendido y quédate con el coeficiente de a; suma n si es negativo.
  4. Resuelve a·x ≡ b multiplicando por a⁻¹; combina dos congruencias escribiendo x = r₁ + m₁k.
  5. Para las potencias, escribe el exponente en binario y eleva al cuadrado repetidamente; en RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) con φ(n) = (p − 1)(q − 1).
Teoría de números y aritmética modular: ¿cuáles son los errores más comunes?
  • Dar un resto negativo para un número negativo.
  • Detener el algoritmo de Euclides en el primer resto.
  • Dejar el inverso negativo en lugar de sumarle n.
  • Tomar el exponente RSA d módulo n en lugar de módulo φ(n).
  • Reducir el exponente módulo p en lugar de módulo p − 1 con el teorema de Fermat.
Teoría de números y aritmética modular: ¿qué se practica?
  • Fácil: mcd y restos
  • Media: inversos y congruencias
  • Difícil: potencias modulares y RSA

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