Lyhyt MathCheck-ohje (uuteen välilehteen)
Tässä tehtävässä valmistaudutaan modulaarisen aritmetiikan opiskeluun tutkimalla, miten luvun viimeinen numero käyttäytyy laskutoimituksissa. Samalla aloitetaan tutustuminen ilmiöihin, joissa on alkuosa ja toistuva jakso.
Laske seuraavat yhteenlaskut vaikka laskimella.
Huomaathan, että jokaisen tuloksen viimeinen numero on 3?
Laske seuraavat kertolaskut vaikka laskimella.
Huomaathan, että jokaisen tuloksen viimeinen numero on 8?
Kahden kokonaisluvun yhteen-, vähennys ja kertolaskun tuloksen viimeinen numero riippuu vain kummankin luvun viimeisestä numerosta. Yhteen-, vähennys- ja kertolaskun tuloksen kaksi viimeistä numeroa riippuvat vain laskettavien kahdesta viimeisestä numerosta, kolme vain kolmesta ja niin edelleen. Mikä tahansa määrä yhteen-, vähennys ja kertolaskun tuloksen viimeisiä numeroita riippuu vain samasta määrästä alkuperäisten lukujen viimeisiä numeroita.
Viimeinen numero voi saada vain 10 erilaista arvoa 0, 1, …, 9. Kaksi viimeistä numeroa voivat yhteensä saada vain 100 erilaista arvoa 00, 01, …, 09, 10, 11, …, 99. (Jos luvussa on vain yksi numero, siihen ajatellaan lisättäväksi etunolla. Esimerkiksi luvun 7 kaksi viimeistä numeroa ovat 07.) Kolme viimeistä numeroa voivat yhteensä saada vain 1000 erilaista arvoa, ja niin edelleen.
Jos otetaan mikä tahansa kokonaisluku lähtökohdaksi ja aletaan toistaa mitä tahansa laskutoimitusta, joka on muodostettu vain yhteen-, vähennys- ja kertolaskuista, niin viimeistään 100 toiston jälkeen kaksi viimeistä numeroa ovat samat kuin joskus aikaisemmin. Tämä johtuu siitä, että muutoin arvot loppuvat kesken. Sen jälkeen kaksi viimeistä numeroa alkaa toistaa samaa jaksoa. Siis ensin on alkuosa, jonka pituus on vähintään 0, ja sitten on jakso, jonka pituus on vähintään 1. Jos valitaan mahdollisimman lyhyet alkuosa ja jakso, niin niiden yhteispituus on enintään 100.
Varmistetaanpa, että ymmärsit, miten lukujono 0, 82, 492, 2542, 12792, 64042, … saatiin. Jos ymmärsit, niin seuraavista osatehtävistä selviät kopioimalla yltä ja pudottamalla vastauslaatikkoon.
Edellä puhuttiin mahdollisimman lyhyistä alkuosasta ja jaksosta. Myös 00, 82, 92, 42, 92 on esimerkin alkuosa ja 42, 92, 42, 92 on jakso. Usein on yhdentekevää mitä alkuosaa ja jaksoa käytetään, kunhan ne on valittu siten, että jakso alkaa oikeasta kohdasta suhteessa alkuosaan. Jos esimerkiksi alkuosa on 00, 82, 92, niin jakso 42, 92, 42, 92 alkaa oikeasta kohdasta, mutta 92, 42, 92, 42 ei ala. Jakson valinnalla on merkitystä esimerkiksi silloin kun luvataan, että lyhyin jakso on korkeintaan jonkin pituinen.
Tämä kuva näyttää jokaiselle numerolle, mihin numeroon siitä päädytään laskemalla `2n+3` ja ottamalla tuloksen viimeinen numero. Huomaamme, että jos aloitetaan numerosta 2 tai 7, niin lopulta päädytään toistamaan jaksoa 7, ja jos aloitetaan mistä tahansa muusta numerosta, niin lopulta päädytään toistamaan jaksoa 3, 9, 1, 5. Tässä kuvassa lyhyimpien alkuosan ja jakson yhteispituus on enintään 5. Lyhyimpien jaksojen pituudet ovat 1 ja 4, ja lyhyimpien alkuosien pituudet ovat 0 ja 1.
Alkuosa ja jakso kannattaa opiskella hyvin, koska ne esiintyvät monessa paikassa tietojenkäsittelytieteessä ja matematiikassa. Esimerkiksi jos kokonaisluku jaetaan nollasta poikkeavalla kokonaisluvulla ja tulos esitetään desimaalilukuna, niin siinä on alkuosa ja jakso. Esimerksi `3/28``=``0.10color(red)(714285)714285...` ja `7/10``=``0.7color(red)(0)0...`
Jaksoja hyödyntämällä voi vähällä vaivalla laskea monen sellaisenkin laskun lopputuloksen viimeisen numeron, jotka tavalliseen tapaan laskettuna olisivat kovin työläitä. Tässäkään tärkeää ei ole oppia juuri tämä laskutoimitus, vaan oppia alkuosan ja jakson käyttöä yleisesti.
Ideaan kiinni pääsemiseksi laskemme ensin seuraavan: jos nyt kello on tasan 15, niin paljonko kello on miljoonan eli 1000000 tunnin kuluttua? Täysi vuorokausi on 24 tuntia. Miljoonaan menee jokin määrä `q` täysiä vuorokausia ja lisäksi jokin määrä `r` tunteja, missä `r` tekee vähemmän kuin vuorokauden:
`1000000 = 24 q + r`, missä `0 <= r < 24`
Jos laskimessasi on modulo-operaatio, luvun `r` saa sillä laskemalla `r``=``1000000 mod 24`. Muussa tapauksessa sen saa seuraavasti:
Miljoona tuntia eteenpäin on siis jokin määrä täysiä vuorokausia sekä 16 tuntia eteenpäin. Täysiä vuorokausia ei tarvitse ottaa huomioon, joten riittää lisätä tutkittavaan kellonaikaan 16, joten laskemme 15+16 = 31. Se ylittää 24 eli vie seuraavan vuorokauden puolelle, joten vähennämme 24 saaden 31−24 = 7. Kello 15:stä miljoonan tunnin päästä kello on siis tasan 7.
Tämän olisi voinut laskea näinkin: `(15+1000000) mod 24``=``7`. Laskimme hieman monimutkaisemmin siksi, että se tapa toimii silloinkin, kun yksinkertainen tapa johtaisi niin isoihin lukuihin, että laskin ei niistä selviä. Tästä esimerkiksi laskemme luvun 20172017 viimeisen numeron.
Edellä totesimme, että jos laskemme 20170, 20171, 20172, … niin viimeinen numero alkaa melko pian toistua. Teemme taulukkoa viimeisen numeron selvittämiseksi, kunnes viimeinen numero toistuu. Kunkin rivin oikeassa reunassa on vasemmassa reunassa mainitun luvun viimeinen numero. Se saadaan edellisen rivin viimeisestä numerosta kertomalla se kantaluvun eli 2017 viimeisellä numerolla eli 7, ja ottamalla tuloksesta viimeinen numero. Kertolaskun tulos näytetään rivin keskellä.
luku | edellinen kertaa 7 | viimeinen numero |
---|---|---|
20170 | 1 | |
20171 |  7 | 7 |
20172 | 49 | 9 |
20173 | 63 | 3 |
20174 | 21 | 1 |
Lyhyimmän jakson pituus on siis 4. Koska 20174 tuottaa saman viimeisen numeron kuin 20170, niin 20175 tuottaa saman viimeisen numeron kuin 20171, 20176 tuottaa saman viimeisen numeron kuin 20172 ja niin edelleen. Siksi 20178, 201712, ja niin edelleen tuottavat saman viimeisen numeron kuin 20174. Eksponentista 2017 tulee jokin määrä jaksoja ja niiden lisäksi `2017 mod 4``=``1` kertolaskua. Luvun 20172017 viimeinen numero on siis sama kuin luvun 20171 viimeinen numero.
Viedään tämä lasku loppuun ja harjoitellaan kaksi muuta esimerkkiä! Anna seuraavien lukujen viimeinen numero.
Näissä tapauksissa ensimmäisen rivin viimeinen numero alkoi toistua. Näin ei käy aina. Jos näin ei käy, niin täytyy huolehtia, että lopputuloksen viimeinen numero katsotaan sellaisella eksponentilla, jossa toisto on varmasti alkanut. Esimerkiksi lukujen 20120, 20121, … viimeinen numero on 1, 2, 4, 8, 6, 2, …. Lyhyimmän jakson pituus on siis 4. Huomaamme, että `2012 mod 4``=``0`. Kuitenkaan luvun 20122012 viimeinen numero ei ole luvun 20120 viimeinen numero eli 1, koska toisto ei ole vielä alkanut eksponentin 0 kohdalla. Eksponenttia pitää kasvattaa nelosella niin monta kertaa, että toisto alkaa. Yksi kerta riittää, joten luvun 20122012 viimeinen numero on sama kuin luvun 20124 viimeinen numero eli 6.
Anna seuraavien lukujen viimeinen numero.
Olemme laskeneet jo yli puolet 2010-luvun tehtävistä. Ei kai me jätetä hommaa kesken, eiköhän lasketa loputkin? Nyt kerää energiaa yli-inhimilliseen ponnistukseen! Laske seuraavien lukujen viimeiset numerot:
Jakolaskun lopputuloksen viimeinen numero voi riippua muustakin kuin jakajan ja jaettavan viimeisestä numerosta. Aivan kohta tehtäväsi on antaa tästä kaksi esimerkkiä. Sitä ennen kuitenkin varmistamme, että tiedät, mitä tarkoittaa, että kokonaislukujen jakolasku menee tasan. Se tarkoittaa, että lopputuloskin on kokonaisluku.
Käytimme tässä tehtävässä viimeistä numeroa siksi, että se on havainnollinen. Saamamme taulukko pätee kuitenkin moduloaritmetiikassa yleisesti. Esimerkiksi luku `(nm) mod M` riippuu vain luvuista `n mod M` ja `m mod M`. Viimeisen numeron tapaus saadaan tästä valitsemalla `M=10`.