Test Tarea 2.2: Teoría de Números, Aritmética Modular y Operaciones con Conjuntos¶
Este segundo test consta de 30 preguntas teóricas y prácticas completamente nuevas y diferenciadas, diseñadas con la misma estructura y plantilla global que el resto del curso. Cubre en profundidad los contenidos de la Tarea 2: algoritmo extendido de Euclídes, inversos modulares, teoremas de la teoría de números (Fermat/Euler), resolución paso a paso del Teorema Chino del Resto (TCR), álgebra de conjuntos, propiedades de las operaciones (distributiva, asociativa, absorción), conjunto potencia, diferencia simétrica y representación en diagramas de Venn.
Puntuación y Criterios de Examen
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Resultado del Examen II
Soluciones explicadas: aprende pregunta por pregunta¶
1. Respuesta correcta: B — Congruencia como relación de equivalencia
La congruencia módulo $m$ satisface: 1. **Reflexiva:** $a \equiv a \pmod m$ porque $m \mid (a - a) = 0$. 2. **Simétrica:** Si $a \equiv b \pmod m$, entonces $b \equiv a \pmod m$. 3. **Transitiva:** Si $a \equiv b \pmod m$ y $b \equiv c \pmod m$, entonces $a \equiv c \pmod m$. Por tanto, particiona $\mathbb{Z}$ en $m$ clases de equivalencia distintas.2. Respuesta correcta: C — Identidad de Bézout
El **Teorema de Bézout** afirma que para dos enteros $a$ y $m$, existen coeficientes $x, y \in \mathbb{Z}$ tales que: \[ a \cdot x + m \cdot y = \operatorname{mcd}(a, m) \] Si $\operatorname{mcd}(a, m) = 1$, reduciendo la ecuación módulo $m$ obtenemos $a \cdot x \equiv 1 \pmod m$, lo que demuestra que $x$ es el **inverso modular** de $a$ en $\mathbb{Z}_m$.3. Respuesta correcta: A — Algoritmo Extendido de Euclídes
El **Algoritmo Extendido de Euclídes** realiza divisiones sucesivas para calcular $\operatorname{mcd}(a, m)$ y desanda los pasos expresando el mcd como combinación lineal $a x + m y = \operatorname{mcd}(a, m)$, obteniendo así el valor del inverso $x = a^{-1} \pmod m$.4. Respuesta correcta: D — Inverso modular de 5 mod 11
Buscamos $y \in \{0, 1, \dots, 10\}$ tal que $5 y \equiv 1 \pmod{11}$: - $5 \cdot 9 = 45 = 4 \cdot 11 + 1 \equiv 1 \pmod{11}$. Por consiguiente, $5^{-1} \equiv 9 \pmod{11}$.5. Respuesta correcta: B — Módulos no coprimos en el TCR
Si dos módulos $m_i$ y $m_j$ comparten un divisor común $d > 1$, la cantidad auxiliar $M_i = M / m_i$ también contendrá al factor $d$. En consecuencia, $\operatorname{mcd}(M_i, m_i) = d > 1$, impidiendo la existencia del inverso modular $y_i$ módulo $m_i$ y provocando el fallo del método analítico directo.6. Respuesta correcta: C — Resolución de sistema de 3 congruencias
Sistema: $x \equiv 1 \pmod 2$, $x \equiv 2 \pmod 3$, $x \equiv 3 \pmod 5$. 1. **Módulo total:** $M = 2 \cdot 3 \cdot 5 = 30$. 2. **Módulos parciales:** - $M_1 = 30 / 2 = 15$ - $M_2 = 30 / 3 = 10$ - $M_3 = 30 / 5 = 6$ 3. **Inversos modulares:** - $15 y_1 \equiv 1 \pmod 2 \implies 1 y_1 \equiv 1 \pmod 2 \implies y_1 = 1$. - $10 y_2 \equiv 1 \pmod 3 \implies 1 y_2 \equiv 1 \pmod 3 \implies y_2 = 1$. - $6 y_3 \equiv 1 \pmod 5 \implies 1 y_3 \equiv 1 \pmod 5 \implies y_3 = 1$. 4. **Construcción de $x$:** \[ x = (1 \cdot 15 \cdot 1) + (2 \cdot 10 \cdot 1) + (3 \cdot 6 \cdot 1) = 15 + 20 + 18 = 53 \] 5. **Reducción módulo 30:** $53 = 1 \cdot 30 + 23 \implies x \equiv 23 \pmod{30}$.7. Respuesta correcta: A — Estructura de la solución general del TCR
Por el TCR, la solución es única módulo $M$. Todas las soluciones enteras congruentes vienen dadas por la clase de equivalencia: \[ x \in [x_0] = \{x_0 + k \cdot M \mid k \in \mathbb{Z}\} \]8. Respuesta correcta: D — Función Totiente para números primos
La **función $\phi(n)$ de Euler** cuenta cuántos enteros $1 \le k \le n$ son coprimos con $n$. Si $p$ es un número primo, todos los números enteros menores que $p$ ($1, 2, \dots, p-1$) son primos con él, por lo que $\phi(p) = p - 1$.9. Respuesta correcta: B — Pequeño Teorema de Fermat
Si $p$ es primo y $a$ no es divisible por $p$ ($\operatorname{mcd}(a, p) = 1$), el **Pequeño Teorema de Fermat** establece: \[ a^{p-1} \equiv 1 \pmod p \] Multiplicando por $a$ en ambos miembros se obtiene la forma equivalente $a^p \equiv a \pmod p$.10. Respuesta correcta: A — Cálculo del inverso modular con Fermat
Reescribiendo el Pequeño Teorema de Fermat: \[ a^{p-1} \equiv 1 \pmod p \implies a \cdot \left(a^{p-2}\right) \equiv 1 \pmod p \] Por definición de inverso modular, $a^{-1} \equiv a^{p-2} \pmod p$.11. Respuesta correcta: C — Axioma de Extensión
En lógica formal de conjuntos, dos conjuntos $A$ y $B$ son iguales ($A = B$) si y solo si poseen exactamente los mismos elementos: \[ A = B \iff (\forall x, x \in A \iff x \in B) \iff A \subseteq B \land B \subseteq A \]12. Respuesta correcta: B — Cardinalidad del conjunto potencia
El conjunto potencia $\mathcal{P}(A)$ es el conjunto formado por todos los subconjuntos posibles de $A$. Para un conjunto con $|A| = n$ elementos: \[ |\mathcal{P}(A)| = 2^n \] Si $n = 3$, $|\mathcal{P}(A)| = 2^3 = 8$ subconjuntos.13. Respuesta correcta: A — Construcción de P(S)
Para $S = \{1, 2\}$ ($n = 2$ elementos, luego $2^2 = 4$ subconjuntos): - Subconjunto de 0 elementos: $\emptyset$ - Subconjuntos de 1 elemento: $\{1\}, \{2\}$ - Subconjunto de 2 elementos: $\{1, 2\}$ Luego $\mathcal{P}(S) = \{\emptyset, \{1\}, \{2\}, \{1, 2\}\}$.14. Respuesta correcta: D — Cálculo del complemento de la unión
Dados $U = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$, $A = \{1, 2, 3\}$, $B = \{3, 4, 5\}$: 1. $A \cup B = \{1, 2, 3, 4, 5\}$. 2. $(A \cup B)^c = U \setminus (A \cup B) = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} \setminus \{1, 2, 3, 4, 5\} = \{6\}$.15. Respuesta correcta: B — Ley de Absorción
Las **Leyes de Absorción** simplifican expresiones donde se combinan la unión y la intersección con un mismo conjunto: \[ A \cup (A \cap B) = A \quad \text{y} \quad A \cap (A \cup B) = A \]16. Respuesta correcta: C — Segunda Ley de De Morgan
La segunda **Ley de De Morgan** establece que el complemento de la intersección es la unión de los complementos: \[ (A \cap B)^c = A^c \cup B^c \]17. Respuesta correcta: A — Ley de Involución
La ley de involución establece que el complemento del complemento de un conjunto $A$ recupera exactamente el conjunto $A$ original: \[ (A^c)^c = A \]18. Respuesta correcta: D — Expresión de la diferencia mediante complemento
La diferencia de conjuntos $A \setminus B$ se define de forma equivalente como la intersección de $A$ con el complemento de $B$: \[ A \setminus B = A \cap B^c \]19. Respuesta correcta: B — Listado de A × B
Para $A = \{a, b\}$ y $B = \{1, 2\}$: Tomando cada elemento de $A$ como primera componente y cada elemento de $B$ como segunda componente: \[ A \times B = \{(a, 1), (a, 2), (b, 1), (b, 2)\} \]20. Respuesta correcta: A — Producto cartesiano con conjunto vacío
Por definición, $A \times \emptyset = \{(a, b) \mid a \in A \land b \in \emptyset\}$. Como no existe ningún elemento $b \in \emptyset$, no se puede formar ningún par ordenado. Por lo tanto, $A \times \emptyset = \emptyset$.21. Respuesta correcta: C — Asociatividad de la diferencia simétrica
La diferencia simétrica posee la propiedad de **asociatividad**: \[ (A \Delta B) \Delta C = A \Delta (B \Delta C) \] Esta propiedad permite definir diferencias simétricas múltiples sin necesidad de paréntesis.22. Respuesta correcta: B — Diferencia simétrica A Δ A
Aplicando la definición $A \Delta A = (A \setminus A) \cup (A \setminus A)$: Como $A \setminus A = \emptyset$, tenemos $\emptyset \cup \emptyset = \emptyset$.23. Respuesta correcta: D — Elemento neutro de la diferencia simétrica
Aplicando la definición $A \Delta \emptyset = (A \setminus \emptyset) \cup (\emptyset \setminus A)$: Como $A \setminus \emptyset = A$ y $\emptyset \setminus A = \emptyset$, tenemos $A \cup \emptyset = A$. Por lo tanto, $\emptyset$ es el **elemento neutro** de la diferencia simétrica.24. Respuesta correcta: A — Cálculo de |A ∩ B| mediante Inclusión-Exclusión
Sustituyendo en la fórmula $|A \cup B| = |A| + |B| - |A \cap B|$: \[ 30 = 20 + 15 - |A \cap B| \implies 30 = 35 - |A \cap B| \implies |A \cap B| = 35 - 30 = 5 \]25. Respuesta correcta: C — Cardinalidad de la diferencia exclusive
La cardinalidad de la diferencia $A \setminus B$ es el número de elementos de $A$ quitando los elementos comunes: \[ |A \setminus B| = |A| - |A \cap B| = 20 - 5 = 15 \]26. Respuesta correcta: B — Región exclusiva en diagramas de Venn
La expresión $A \setminus (B \cup C)$ resta de $A$ todos los elementos que están en $B$ o en $C$, dejando aislada la región gráfica formada únicamente por los elementos **exclusivos de $A$**.27. Respuesta correcta: D — Leyes de Idempotencia
Las **Leyes de Idempotencia** indican que operar un conjunto consigo mismo mediante la unión o la intersección no modifica el conjunto: \[ A \cup A = A \quad \text{y} \quad A \cap A = A \]28. Respuesta correcta: A — Doble inclusión para probar la igualdad
En teoría de conjuntos, la forma matemática estándar de probar que dos conjuntos son iguales ($X = Y$) consiste en demostrar la **doble inclusión**: 1. Proveer que $X \subseteq Y$ (si $x \in X \implies x \in Y$). 2. Proveer que $Y \subseteq X$ (si $y \in Y \implies y \in X$).29. Respuesta correcta: C — Ponderación del Criterio 3 de la Tarea 2
En la rúbrica oficial de la Tarea 2, el **Criterio 3** (Representación gráfica en el diagrama de Venn) tiene asignado un peso del **10%** de la calificación global.30. Respuesta correcta: B — Extensión máxima permitida
Las pautas de elaboración fijan una extensión máxima de **5 páginas** en formato Calibri 12, interlineado 1,5. Cumplir este límite y la claridad formal de presentación equivale al 20% de la nota (Criterio 5).Chuleta final: fórmulas y leyes avanzadas para la Tarea 2¶
1. Álgebra de Conjuntos (Leyes fundamentales)¶
- Leyes de De Morgan:
- \((A \cup B)^c = A^c \cap B^c\)
- \((A \cap B)^c = A^c \cup B^c\)
- Leyes de Absorción:
- \(A \cup (A \cap B) = A\)
- \(A \cap (A \cup B) = A\)
- Leyes Distributivas:
- \(A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)\)
- \(A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)\)
- Involución y Complemento:
- \((A^c)^c = A\)
- \(A \setminus B = A \cap B^c\)
- \(A \Delta B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)\)
2. Conjunto Potencia y Producto Cartesiano¶
- Conjunto Potencia \(\mathcal{P}(A)\): \(|\mathcal{P}(A)| = 2^{|A|}\).
- Producto Cartesiano \(A \times B\): \(|A \times B| = |A| \cdot |B|\). \(A \times \emptyset = \emptyset\).
3. Aritmética Modular y Teoremas Clave¶
- Inverso Modular con Fermat: Si \(p\) es primo y \(\operatorname{mcd}(a, p) = 1\), \(a^{-1} \equiv a^{p-2} \pmod p\).
- Algoritmo de Bézout: \(a \cdot x + m \cdot y = 1 \implies x = a^{-1} \pmod m\).
- Teorema Chino del Resto:
- \(M = \prod m_i\)
- \(M_i = M / m_i\)
- \(M_i \cdot y_i \equiv 1 \pmod{m_i}\)
- \(x \equiv \sum a_i M_i y_i \pmod M\)