Tiempo de generalizar problemas al año 2019

Problema 42

Fotografía de Andre Benz, disponible en Unsplash.

Problema 42: Encuentra los tres últimos dígitos del número

$$ N=3\times7\times11\times15\times\cdots\times2019. $$


Como estamos interesados en encontrar los tres últimos dígitos del producto de números dado, un posible enfoque de cara a la resolución de este ejercicio es encontrar el valor de la congruencia de dicho producto módulo $1000$, esto es, resolver $x\equiv N\pmod{1000}$. Ahora bien, como $1000 = 2^3 \cdot 5^3 = 8\cdot 125$ y $mcd(8,125)=1$ sabemos, por el Teorema chino del resto, que la anterior ecuación de congruencia lineal es equivalente al siguiente sistema de ecuaciones de congruencias lineales,

$$ \begin{aligned} x&\equiv N\pmod{8},\\ x&\equiv N\pmod{125}. \end{aligned} $$

Sin embargo, dado que en el producto $N$ aparecen, por ejemplo, los números $15 = 3\cdot5$, $35 = 5\cdot7$ y $55 = 5\cdot11$, resulta que encontraríamos $5^3$ en dicho producto, provocando que $N\equiv 0\pmod{125}$, esto es, $N$ es múltiplo de $125$. Por otro lado,

$$ \begin{aligned} 3&\equiv 3\pmod{8},\\ 7&\equiv (-1)\pmod{8},\\ 11&\equiv 3\pmod{8},\\ 15&\equiv (-1)\pmod{8}, \end{aligned} $$

por tanto

$$ \begin{aligned} (3\cdot7\cdot11\cdot15)&\equiv (3\cdot(-1)\cdot3\cdot(-1))\pmod{8}\\ &\equiv 9\pmod{8}\equiv 1\pmod{8}. \end{aligned} $$

Al ser los términos del producto $N$ de la forma $3+4t$, con $t$ número entero mayor o igual que cero, la anterior situación se reproduce cada cuatro términos del mencionado producto. Así, como $3+4t=2019$ implica que $t=504$ y empezamos la sucesión en $t=0$, $N$ está compuesto por $505$ términos, de forma que podemos conseguir $126$ grupos de $4$ elementos, quedando sin agrupar el último término, $2019$, que sabemos cumple $2019\equiv 3\pmod{8}$, por lo que

$$ N\equiv (1^{126} \cdot3)\pmod{8}\equiv 3\pmod{8}. $$

Recapitulando, buscamos un múltiplo de $125$ que sea congruente con $3$ módulo $8$, es decir, hemos de resolver la ecuación, $125x\equiv 3\pmod{8}$. No obstante,

$$ \begin{aligned} 125x\equiv 3\pmod{8}&\Leftrightarrow 5x\equiv 3\pmod{8}\\ &\Leftrightarrow 15x\equiv 9\pmod{8}\\ &\Leftrightarrow (-x)\equiv 1\pmod{8}\\ &\Leftrightarrow x\equiv 7\pmod{8}, \end{aligned} $$

esto es, $125\cdot7=875$ son las tres últimas cifras de $N$.

De manera más clásica, una vez hallado el valor de las anteriores dos congruencias, el sistema de ecuaciones de congruencias lineales propuesto es equivalente a

$$ \begin{aligned} x&\equiv 3\pmod{8},\\ x&\equiv 0\pmod{125}. \end{aligned} $$

Por la estructura que presenta el anterior sistema y dado que $m_1=8$ y $m_2=125$ son primos entre sí, sabemos, por el Teorema chino del resto, que dicho sistema admite solución módulo $M=8\cdot125 = 1000$. Procedamos entonces al cálculo de las soluciones utilizando el método habitual. Así,

$$ \begin{aligned} M_1 &= \dfrac{M}{m_1} = \dfrac{1000}{8} = 125,\\ M_2 &= \dfrac{M}{m_2} = \dfrac{1000}{125} = 4, \end{aligned} $$

y, a continuación, resolvemos las siguientes ecuaciones de congruencia lineales:

$$ \begin{aligned} 125x\equiv 1\pmod{8}&\Leftrightarrow 5x\equiv 1\pmod{8}\\ &\Leftrightarrow 25x\equiv 5\pmod{8}\\ &\Leftrightarrow x\equiv 5\pmod{8},\\ 4x\equiv 1\pmod{125}&\Leftrightarrow 376x\equiv 94\pmod{125}\\ &\Leftrightarrow x\equiv 94\pmod{125}. \end{aligned} $$

Agrupando ahora toda la información adecuadamente,

$$ \begin{aligned} x&\equiv 3\pmod{8},& 125x&\equiv 1\pmod{8},& x&\equiv 5\pmod{8},\\ x&\equiv 0\pmod{125},& 4x&\equiv 1\pmod{125},& x&\equiv 94\pmod{125}, \end{aligned} $$

entonces la solución es

$$ \begin{aligned} x &\equiv (3\cdot125\cdot5 + 0\cdot4\cdot94)\pmod{1000}\\ &\equiv 1875\pmod{1000}\\ &\equiv 875\pmod{1000}, \end{aligned} $$

esto es, $875$ son los tres últimos dígitos de $N$.

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Alexis Sáez
Profesor de matemáticas

Cazador de problemas matemáticos en parajes opositores.

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