Test Tarea 2.1: Teoría de Números, Aritmética Modular y Operaciones con Conjuntos¶
Este test consta de 30 preguntas teóricas y prácticas diseñadas con la misma estructura y plantilla global que el resto del curso. Cubre de forma exhaustiva los contenidos de la Tarea 2: resolución de sistemas de congruencias lineales mediante el Teorema Chino del Resto (TCR), coprimidad, inversos modulares, definición de conjuntos por extensión/comprensión, operaciones fundamentales (unión, intersección, diferencia, complemento, producto cartesiano), diagramas de Venn y demostración/verificación de propiedades algebraicas (distributividad y leyes de De Morgan).
Puntuación y Criterios de Examen
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Resultado del Examen
Soluciones explicadas: aprende pregunta por pregunta¶
1. Respuesta correcta: B — Concepto de Congruencia Linear
Dos números enteros $a$ y $b$ son **congruentes módulo $m$** (escrito $a \equiv b \pmod m$) si su diferencia $a - b$ es un múltiplo entero de $m$. \[ a \equiv b \pmod m \iff m \mid (a - b) \iff \exists k \in \mathbb{Z}, \, a - b = k \cdot m \] Esto equivale a que tanto $a$ como $b$ producen exactamente el mismo resto al ser divididos entre $m$.2. Respuesta correcta: C — Hipótesis del Teorema Chino del Resto
El **Teorema Chino del Resto** (TCR) garantiza la existencia y unicidad de la solución de un sistema de congruencias: \[ x \equiv a_i \pmod{m_i}, \quad i = 1, 2, \dots, k \] módulo $M = m_1 \cdot m_2 \cdot \dots \cdot m_k$ si y solo si los módulos son **coprimos dos a dos**: \[ \operatorname{mcd}(m_i, m_j) = 1 \quad \forall i \neq j \]3. Respuesta correcta: A — Módulo total M
En la construcción analítica del TCR, el espacio de soluciones módulo el cual la solución es única es el **producto directo de los módulos individuales**: \[ M = \prod_{i=1}^k m_i = m_1 \cdot m_2 \cdot \dots \cdot m_k \]4. Respuesta correcta: B — Construcción de M_i
Para cada congruencia $i$, la variable auxiliar $M_i$ se define dividiendo el módulo total $M$ entre el módulo individual $m_i$: \[ M_i = \frac{M}{m_i} = \prod_{j \neq i} m_j \] Por construcción, $M_i$ es divisible por todos los $m_j$ para $j \neq i$, pero es coprimo con $m_i$.5. Respuesta correcta: D — Inverso modular y_i
Dado que $\operatorname{mcd}(M_i, m_i) = 1$, por el Teorema de Bézout existe un único **inverso modular** $y_i \in \{0, 1, \dots, m_i - 1\}$ tal que: \[ M_i \cdot y_i \equiv 1 \pmod{m_i} \]6. Respuesta correcta: A — Reconstrucción de la solución simultánea
La solución general del sistema de congruencias viene dada por la combinación lineal modular: \[ x \equiv \sum_{i=1}^k a_i \cdot M_i \cdot y_i \pmod M \] Al evaluar $x$ módulo $m_j$, todos los términos con $i \neq j$ se anulan (pues $m_j \mid M_i$), quedando $a_j \cdot (M_j y_j) \equiv a_j \cdot 1 \equiv a_j \pmod{m_j}$.7. Respuesta correcta: C — Resolución paso a paso del sistema del TCR
Dado el sistema: 1) $x \equiv 2 \pmod 3$ 2) $x \equiv 3 \pmod 5$ 3) $x \equiv 2 \pmod 7$ **Paso 1: Módulo total $M$** \[ M = 3 \cdot 5 \cdot 7 = 105 \] **Paso 2: Módulos parciales $M_i$** - $M_1 = 105 / 3 = 35$ - $M_2 = 105 / 5 = 21$ - $M_3 = 105 / 7 = 15$ **Paso 3: Inversos modulares $y_i$** - $35 y_1 \equiv 1 \pmod 3 \implies 2 y_1 \equiv 1 \pmod 3 \implies y_1 = 2$ - $21 y_2 \equiv 1 \pmod 5 \implies 1 y_2 \equiv 1 \pmod 5 \implies y_2 = 1$ - $15 y_3 \equiv 1 \pmod 7 \implies 1 y_3 \equiv 1 \pmod 7 \implies y_3 = 1$ **Paso 4: Solución $x$** \[ x = (2 \cdot 35 \cdot 2) + (3 \cdot 21 \cdot 1) + (2 \cdot 15 \cdot 1) = 140 + 63 + 30 = 233 \] Reduciendo módulo $105$: $233 = 2 \cdot 105 + 23$. Por lo tanto, $x \equiv 23 \pmod{105}$. La menor solución entera positiva es **$23$**.8. Respuesta correcta: B — Condición para el inverso modular
Un entero $a$ posee inverso multiplicativo módulo $m$ si y solo si $a$ y $m$ son **primos entre sí** ($\operatorname{mcd}(a, m) = 1$). Si $\operatorname{mcd}(a, m) = d > 1$, la ecuación $a z \equiv 1 \pmod m$ no tiene solución.9. Respuesta correcta: A — Cálculo del inverso modular de 3 mod 7
Buscamos $y \in \{0, 1, \dots, 6\}$ tal que $3y \equiv 1 \pmod 7$: - $3 \cdot 1 = 3 \equiv 3 \pmod 7$ - $3 \cdot 2 = 6 \equiv 6 \pmod 7$ - $3 \cdot 3 = 9 \equiv 2 \pmod 7$ - $3 \cdot 4 = 12 \equiv 5 \pmod 7$ - $3 \cdot 5 = 15 = 2 \cdot 7 + 1 \equiv 1 \pmod 7$ El inverso modular es **$5$**.10. Respuesta correcta: C — Definición de conjuntos por Extensión
Un conjunto está especificado **por extensión** cuando se listan explícitamente todos sus elementos entre llaves, separados por comas. Ejemplo: $A = \{2, 3, 5, 7\}$.11. Respuesta correcta: D — Definición de conjuntos por Comprensión
Un conjunto está especificado **por comprensión** cuando se define mediante un predicado o propiedad lógica que deben satisfacer todos sus miembros. Ejemplo: $A = \{x \in \mathbb{N} \mid x \text{ es primo y } x < 10\}$.12. Respuesta correcta: B — Determinación por Extensión
Universo $U = \{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10\}$. - $A = \{x \in U \mid x \text{ es par y primo}\}$: El único número par que también es primo es el $2$. Luego $A = \{2\}$. - $B = \{x \in U \mid x^2 \le 16\}$: Los enteros positivos cuyos cuadrados son $\le 16$ son $1, 2, 3, 4$ ($1^2=1, 2^2=4, 3^2=9, 4^2=16$). Luego $B = \{1, 2, 3, 4\}$.13. Respuesta correcta: A — Unión de Conjuntos
La **unión** de $A$ y $B$ ($A \cup B$) agrupa a todos los elementos que pertenecen al menos a uno de los dos conjuntos: \[ A \cup B = \{x \in U \mid x \in A \lor x \in B\} \]14. Respuesta correcta: B — Intersección de Conjuntos
La **intersección** de $A$ y $B$ ($A \cap B$) reúne exclusivamente a los elementos comunes que pertenecen simultáneamente a ambos conjuntos: \[ A \cap B = \{x \in U \mid x \in A \land x \in B\} \]15. Respuesta correcta: C — Diferencia de Conjuntos
La **diferencia** entre $A$ y $B$ ($A \setminus B$ o $A - B$) es el conjunto de elementos que están en $A$ pero no están en $B$: \[ A \setminus B = \{x \in U \mid x \in A \land x \notin B\} \]16. Respuesta correcta: A — Complemento de un Conjunto
El **complemento** de $A$ ($A^c$) con respecto al universo $U$ es el conjunto formado por todos los elementos de $U$ que no pertenecen a $A$: \[ A^c = U \setminus A = \{x \in U \mid x \notin A\} \]17. Respuesta correcta: D — Cálculo de la Diferencia A \ B
Dados $A = \{2, 3, 5, 7\}$ y $B = \{2, 4, 6, 8, 10\}$: Para hallar $A \setminus B$, tomamos los elementos de $A$ y eliminamos aquellos que también están en $B$ ($2$ es el único elemento común): \[ A \setminus B = \{3, 5, 7\} \]18. Respuesta correcta: B — Propiedad Distributiva (∩ sobre ∪)
La intersección se distribuye respecto a la unión según la identidad: \[ A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C) \]19. Respuesta correcta: A — Propiedad Distributiva (∪ sobre ∩)
La unión se distribuye respecto a la intersección según la identidad: \[ A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C) \]20. Respuesta correcta: C — Primera Ley de De Morgan
La primera **Ley de De Morgan** establece que el complemento de la unión de dos conjuntos es igual a la intersección de sus complementos: \[ (A \cup B)^c = A^c \cap B^c \]21. Respuesta correcta: B — Producto Cartesiano
El **producto cartesiano** $A \times B$ es el conjunto de todos los pares ordenados $(a, b)$ tales que la primera componente $a$ pertenece a $A$ y la segunda componente $b$ pertenece a $B$: \[ A \times B = \{(a, b) \mid a \in A \land b \in B\} \]22. Respuesta correcta: D — Cardinalidad del Producto Cartesiano
La cardinalidad (número de elementos) del producto cartesiano $A \times B$ de dos conjuntos finitos es el producto de las cardinalidades individuales: \[ |A \times B| = |A| \cdot |B| = 3 \cdot 2 = 6 \]23. Respuesta correcta: A — No conmutatividad del Producto Cartesiano
Dos pares ordenados $(a, b)$ y $(c, d)$ son iguales si y solo si $a = c$ y $b = d$. Como en general $(a, b) \neq (b, a)$ cuando $a \neq b$, los conjuntos de pares $A \times B$ y $B \times A$ contienen elementos distintos. Por ende, **$A \times B \neq B \times A$**.24. Respuesta correcta: C — Regiones en Diagramas de Venn
Un Diagrama de Venn de $n$ conjuntos representados en posición general divide al plano universal en $2^n$ regiones disjuntas. Para $n = 3$, el número de regiones es $2^3 = 8$ (7 regiones interiores más la región exterior a todos los conjuntos).25. Respuesta correcta: B — Región de la Intersección Triple
En la representación gráfica de tres conjuntos $A, B, C$, la región donde se solapan simultáneamente los tres círculos representa la **intersección triple** $A \cap B \cap C$ (los elementos compartidos por $A$, por $B$ y por $C$).26. Respuesta correcta: A — Principio de Inclusión-Exclusión para 2 conjuntos
Al sumar las cardinalidades $|A| + |B|$, los elementos pertenecientes a la intersección $A \cap B$ son contados dos veces. Para corregir este exceso, se debe restar su cardinalidad: \[ |A \cup B| = |A| + |B| - |A \cap B| \]27. Respuesta correcta: D — Conjuntos Disjuntos
Dos conjuntos $A$ y $B$ son **disjuntos** si no tienen ningún elemento en común, es decir, su intersección es el conjunto vacío $A \cap B = \emptyset$. En consecuencia, $|A \cap B| = 0$ y $|A \cup B| = |A| + |B|$.28. Respuesta correcta: B — Explicación del Principio de Inclusión-Exclusión (3 conjuntos)
La fórmula para 3 conjuntos es: \[ |A \cup B \cup C| = |A| + |B| + |C| - (|A \cap B| + |A \cap C| + |B \cap C|) + |A \cap B \cap C| \] Al restar las tres intersecciones dobles, los elementos pertenecientes a la intersección triple $A \cap B \cap C$ fueron sumados 3 veces inicialmente y restados 3 veces a continuación, quedando excluidos del cómputo. Por ello, es necesario **sumar $|A \cap B \cap C|$ una vez** para incluirlos correctamente.29. Respuesta correcta: A — Diferencia Simétrica
La **diferencia simétrica** de $A$ y $B$ ($A \Delta B$) reúne a los elementos que pertenecen a $A$ o a $B$, pero no a ambos a la vez (unión exclusiva): \[ A \Delta B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A) = (A \cup B) \setminus (A \cap B) \]30. Respuesta correcta: C — Ponderación del Criterio 1 en la Tarea 2
En la rúbrica oficial asignada para la Tarea 2, el **Criterio 1** (Aplicación correcta del Teorema Chino del Resto) tiene un peso del **40%** de la nota total, siendo el apartado de mayor valor académico de la actividad.Chuleta final: conceptos clave para el examen de la Tarea 2¶
1. Aritmética Modular y Teorema Chino del Resto (TCR)¶
- Congruencia: \(a \equiv b \pmod m \iff m \mid (a - b)\).
- Inverso Modular: Existe \(z\) tal que \(a \cdot z \equiv 1 \pmod m \iff \operatorname{mcd}(a, m) = 1\).
- Algoritmo del TCR (\(k\) ecuaciones):
- \(M = m_1 \cdot m_2 \cdot \dots \cdot m_k\) (con \(\operatorname{mcd}(m_i, m_j) = 1\)).
- \(M_i = \frac{M}{m_i}\).
- Hallar \(y_i\) tal que \(M_i \cdot y_i \equiv 1 \pmod{m_i}\).
- Solución: \(x \equiv \sum_{i=1}^k (a_i \cdot M_i \cdot y_i) \pmod M\).
2. Operaciones con Conjuntos¶
| Operación | Definición Formal |
|---|---|
| Unión (\(A \cup B\)) | \(\{x \in U \mid x \in A \lor x \in B\}\) |
| Intersección (\(A \cap B\)) | \(\{x \in U \mid x \in A \land x \in B\}\) |
| Diferencia (\(A \setminus B\)) | \(\{x \in U \mid x \in A \land x \notin B\}\) |
| Complemento (\(A^c\)) | \(\{x \in U \mid x \notin A\} = U \setminus A\) |
| Diferencia Simétrica (\(A \Delta B\)) | \((A \setminus B) \cup (B \setminus A) = (A \cup B) \setminus (A \cap B)\) |
| Producto Cartesiano (\(A \times B\)) | \(\{(a, b) \mid a \in A \land b \in B\}\). Cardinalidad: \(\|A \times B\| = \|A\| \cdot \|B\|\). |
3. Propiedades Leyes Algebraicas de Conjuntos¶
- Distributivas:
- \(A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)\)
- \(A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)\)
- Leyes de De Morgan:
- \((A \cup B)^c = A^c \cap B^c\)
- \((A \cap B)^c = A^c \cup B^c\)
- Inclusión-Exclusión:
- \(\|A \cup B\| = \|A\| + \|B\| - \|A \cap B\|\)
- \(\|A \cup B \cup C\| = \|A\| + \|B\| + \|C\| - (\|A \cap B\| + \|A \cap C\| + \|B \cap C\|) + \|A \cap B \cap C\|\)