Fermat converso (en general, espurio)

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Demostrar que si $p, q$ son dos primos distintos para los cuales $a^p\equiv a \pmod{q}$ y $a^q\equiv{a} \pmod{p}$, entonces $a^{pq} \equiv a \pmod{pq}$. }

Demostrar, con este resultado, el siguiente contraejemplo para la conversa del pequeño teorema de Fermat: $2^{340} \equiv 1 \pmod{341}$ --¡pero 341 es compuesto!




Imagen de j_ariel

Tenemos ... (1) ...

Tenemos

$a^p \equiv a \pmod{q}$ ... (1)

$a^q \equiv a \pmod{p}$ ... (2)

sabemos que p y q son primos, asi que por el PTF vemos que

$a^q \equiv a \pmod{q}$ ... (3)

$a^p \equiv a \pmod{p}$ ... (4)

por (1) y (3) tenemos

$(a^p)^q=a^{pq}\equiv a \pmod{q}$ ... (5)

y por (2) y (4) tenemos

$(a^q)^p=a^{pq}\equiv a \pmod{p}$ ... (6)

por (5) y (6) vemos que

$q | a^{pq}- a$

$p | a^{pq}- a$

pero p y q son primos, lo cual implica que

$pq | a^{pq}- a$

que es equivalente a

$a^{pq} \equiv a \pmod{pq}$.

Para el contraejemplo, ponemos a p=11 y q=31, y se ve facilmente que

$2^{341} \equiv 2 \pmod{341}$

podemos utilizar la operacion de "eliminacion" en congruencias por ser 2 y 341 primos relativos, asi que

$2^{340} \equiv 1 \pmod{341}$

lo cual demuestra que el PTF no siempre es verdadero al reves.