Módulo

Operación computacional

En informática , la operación módulo devuelve el resto o resto con signo de una división , después de dividir un número por otro, llamado módulo de la operación.

Dados dos números positivos a y n , a módulo n (a menudo abreviado como a mod n ) es el resto de la división euclidiana de a por n , donde a es el dividendo y n es el divisor . ^[1]

Por ejemplo, la expresión "5 mod 2" evalúa a 1, porque 5 dividido por 2 tiene un cociente de 2 y un resto de 1, mientras que "9 mod 3" evaluaría a 0, porque 9 dividido por 3 tiene un cociente de 3 y un resto de 0.

Aunque normalmente se realiza con a y n , ambos enteros , muchos sistemas informáticos ahora permiten otros tipos de operandos numéricos. El rango de valores para una operación de módulo entero de n es de 0 a n − 1 ( un módulo 1 siempre es 0; un módulo 0 no está definido, ya que es una división por cero ).

Cuando exactamente uno de a o n es negativo, la definición básica no funciona y los lenguajes de programación difieren en cómo se definen estos valores.

Variantes de la definición

En matemáticas , el resultado de la operación módulo es una clase de equivalencia , y cualquier miembro de la clase puede elegirse como representante ; sin embargo, el representante habitual es el residuo positivo más pequeño , el entero no negativo más pequeño que pertenece a esa clase (es decir, el resto de la división euclidiana ). ^[2] Sin embargo, son posibles otras convenciones. Las computadoras y las calculadoras tienen varias formas de almacenar y representar números; por lo tanto, su definición de la operación módulo depende del lenguaje de programación o del hardware subyacente .

En casi todos los sistemas informáticos, el cociente q y el resto r de a dividido por n satisfacen las siguientes condiciones:

Esto todavía deja una ambigüedad de signo si el resto no es cero: hay dos opciones posibles para el resto, una negativa y la otra positiva; esa elección determina cuál de los dos cocientes consecutivos debe usarse para satisfacer la ecuación (1). En teoría de números, siempre se elige el resto positivo, pero en informática, los lenguajes de programación eligen dependiendo del lenguaje y de los signos de a o n . ^[a] Pascal estándar y ALGOL 68 , por ejemplo, dan un resto positivo (o 0) incluso para divisores negativos, y algunos lenguajes de programación, como C90, lo dejan a la implementación cuando cualquiera de n o a es negativo (ver la tabla en § En lenguajes de programación para más detalles). a módulo 0 no está definido en la mayoría de los sistemas, aunque algunos lo definen como a .

• 

   Cociente ( q ) y resto ( r ) en función del dividendo ( a ), utilizando división truncada

  Muchas implementaciones utilizan la división truncada , para la cual el cociente se define mediante

  ${\displaystyle q=\operatorname {trunc} \left({\frac {a}{n}}\right)}$

  donde es la función de la parte integral ( redondeo hacia cero ), es decir, el truncamiento a cero de dígitos significativos. Por lo tanto, según la ecuación ( 1 ), el resto tiene el mismo signo que el dividendo a, por lo que puede tomar 2| n | − 1 valores: ${\displaystyle \operatorname {trunc} }$

  ${\displaystyle r=a-n\operatorname {trunc} \left({\frac {a}{n}}\right)}$

• 

  Cociente y resto utilizando división por pisos

  Donald Knuth ^[3] promueve la división por pisos , para la cual el cociente se define por

  ${\displaystyle q=\left\lfloor {\frac {a}{n}}\right\rfloor }$

  donde es la función suelo ( redondeo hacia abajo ). Por lo tanto, según la ecuación ( 1 ), el resto tiene el mismo signo que el divisor n : ${\displaystyle \lfloor \,\rfloor }$

  ${\displaystyle r=a-n\left\lfloor {\frac {a}{n}}\right\rfloor }$

• 

  Cociente y resto mediante división euclidiana

  Raymond T. Boute ^[4] promueve la división euclidiana , para la cual el cociente se define por

  ${\displaystyle q=\operatorname {sgn}(n)\left\lfloor {\frac {a}{\left|n\right|}}\right\rfloor ={\begin{cases}\left\lfloor {\frac {a}{n}}\right\rfloor &{\text{if }}n>0\\\left\lceil {\frac {a}{n}}\right\rceil &{\text{if }}n<0\\\end{cases}}}$

  donde sgn es la función de signo , es la función de suelo ( redondeando hacia abajo ) y es la función de techo ( redondeando hacia arriba ). Por lo tanto, según la ecuación ( 1 ), el resto no es negativo : ${\displaystyle \lfloor \,\rfloor }$ ${\displaystyle \lceil \,\rceil }$

  ${\displaystyle r=a-|n|\left\lfloor {\frac {a}{\left|n\right|}}\right\rfloor }$

• 

  Cociente y resto utilizando división redondeada

  Common Lisp e IEEE 754 utilizan la división redondeada , para la cual el cociente se define por

  ${\displaystyle q=\operatorname {round} \left({\frac {a}{n}}\right)}$

  donde round es la función round ( redondear la mitad a par ). Por lo tanto, según la ecuación ( 1 ), el resto se encuentra entre y , y su signo depende de qué lado del cero se encuentre dentro de estos límites: ${\displaystyle -{\frac {n}{2}}}$ ${\displaystyle {\frac {n}{2}}}$

  ${\displaystyle r=a-n\operatorname {round} \left({\frac {a}{n}}\right)}$

• 

  Cociente y resto utilizando división de techo

  Common Lisp también utiliza la división de techo , para la cual el cociente se define por

  ${\displaystyle q=\left\lceil {\frac {a}{n}}\right\rceil }$

  donde ⌈⌉ es la función techo ( redondeando hacia arriba ). Por lo tanto, según la ecuación ( 1 ), el resto tiene el signo opuesto al del divisor :

  ${\displaystyle r=a-n\left\lceil {\frac {a}{n}}\right\rceil }$

Si tanto el dividendo como el divisor son positivos, entonces las definiciones truncadas, con límite inferior y euclidianas coinciden. Si el dividendo es positivo y el divisor es negativo, entonces las definiciones truncadas y euclidianas coinciden. Si el dividendo es negativo y el divisor es positivo, entonces las definiciones con límite inferior y euclidianas coinciden. Si tanto el dividendo como el divisor son negativos, entonces las definiciones truncadas y con límite inferior coinciden.

Como lo describe Leijen,

Boute sostiene que la división euclidiana es superior a las demás en términos de regularidad y propiedades matemáticas útiles, aunque la división por pisos, promovida por Knuth, también es una buena definición. A pesar de su uso generalizado, se demuestra que la división truncada es inferior a las demás definiciones.

—  Daan Leijen, División y módulo para científicos informáticos ^[5]

Sin embargo, la división truncada satisface la identidad . ^[6] ${\displaystyle ({-a})/b={-(a/b)}=a/({-b})}$

Notación

Algunas calculadoras tienen un botón de función mod() y muchos lenguajes de programación tienen una función similar, expresada como mod( a , n ) , por ejemplo. Algunas también admiten expresiones que utilizan "%", "mod" o "Mod" como operador de módulo o resto , como a % no a mod n.

Para entornos que carecen de una función similar, se puede utilizar cualquiera de las tres definiciones anteriores.

Errores comunes

Cuando el resultado de una operación módulo tiene el signo del dividendo (definición truncada), puede dar lugar a errores sorprendentes.

Por ejemplo, para probar si un número entero es impar , uno podría inclinarse a probar si el resto por 2 es igual a 1:

bool is_odd ( int n ) { devolver n % 2 == 1 ; }         

Pero en un lenguaje donde el módulo tiene el signo del dividendo, eso es incorrecto, porque cuando n (el dividendo) es negativo e impar, n mod 2 devuelve −1, y la función devuelve falso.

Una alternativa correcta es probar que el resto no es 0 (porque el resto 0 es el mismo independientemente de los signos):

bool is_odd ( int n ) { devuelve n % 2 != 0 ; }         

Problemas de rendimiento

Las operaciones de módulo se pueden implementar de manera que cada vez se calcule una división con un resto. Para casos especiales, en algunos equipos existen alternativas más rápidas. Por ejemplo, el módulo de potencias de 2 se puede expresar alternativamente como una operación AND bit a bit (suponiendo que x es un entero positivo o utilizando una definición que no trunque):

x % 2n == x & (2n - 1)

Ejemplos:

x % 2 == x & 1

x % 4 == x & 3

x % 8 == x & 7

En dispositivos y software que implementan operaciones bit a bit de manera más eficiente que el módulo, estas formas alternativas pueden dar como resultado cálculos más rápidos. ^[7]

Las optimizaciones del compilador pueden reconocer expresiones de la forma expression % constantdonde constantes una potencia de dos e implementarlas automáticamente como expression & (constant-1), lo que permite al programador escribir código más claro sin comprometer el rendimiento. Esta optimización simple no es posible para lenguajes en los que el resultado de la operación módulo tiene el signo del dividendo (incluido C ), a menos que el dividendo sea de un tipo entero sin signo . Esto se debe a que, si el dividendo es negativo, el módulo será negativo, mientras que expression & (constant-1)siempre será positivo. Para estos lenguajes, se debe utilizar la equivalencia, expresada mediante operaciones OR, NOT y AND bit a bit.x % 2n == x < 0 ? x | ~(2n - 1) : x & (2n - 1)

También existen optimizaciones para operaciones generales de módulo constante calculando primero la división utilizando la optimización del divisor constante .

Propiedades (identidades)

Algunas operaciones de módulo se pueden factorizar o expandir de forma similar a otras operaciones matemáticas. Esto puede resultar útil en pruebas criptográficas , como el intercambio de claves Diffie-Hellman . Las propiedades que implican multiplicación, división y exponenciación generalmente requieren que a y n sean números enteros.

• Identidad:
  • ( a mod n ) mod n = a mod n .
  • n ^x mod n = 0 para todos los valores enteros positivos de x .
  • Si p es un número primo que no es divisor de b , entonces ab ^{p −1} mod p = a mod p , debido al pequeño teorema de Fermat .
• Inverso:
  • [(− a mod n ) + ( a mod n )] mod n = 0 .
  • b ⁻¹ mod n denota el inverso multiplicativo modular , que se define si y solo si b y n son primos entre sí , lo que es el caso cuando se define el lado izquierdo: [( b ⁻¹ mod n )( b mod n )] mod n = 1 .
• Distributivo:
  • ( a + b ) módulo n = [( a módulo n ) + ( b módulo n )] módulo n .
  • ab mod n = [( a mod n )( b mod n )] mod n .
• División (definición): ⁠a/bmod n = [( a mod n )( b ⁻¹ mod n )] mod n , cuando el lado derecho está definido (es decir, cuando b y n son coprimos ) , y no está definido en caso contrario.
• Multiplicación inversa: [( ab mod n )( b ⁻¹ mod n )] mod n = a mod n .

En lenguajes de programación

Además, muchos sistemas informáticos proporcionan una divmodfunción que produce el cociente y el resto al mismo tiempo. Algunos ejemplos son la instrucción de la arquitectura x86IDIV , la función del lenguaje de programación C div()y la función de Pythondivmod() .

Generalizaciones

Módulo con desplazamiento

A veces resulta útil que el resultado de un módulo n no se encuentre entre 0 y n − 1 , sino entre algún número d y d + n − 1 . En ese caso, d se denomina desplazamiento y d = 1 es particularmente común.

No parece haber una notación estándar para esta operación, así que usemos tentativamente a mod _d n . Tenemos entonces la siguiente definición: ^[60] x = a mod _d n solo en caso de que d ≤ x ≤ d + n − 1 y x mod n = a mod n . Claramente, la operación módulo usual corresponde al desplazamiento cero: a mod n = a mod ₀ n .

La operación de módulo con desplazamiento está relacionada con la función de piso de la siguiente manera:

${\displaystyle a\operatorname {mod} _{d}n=a-n\left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor .}$

Para ver esto, sea . Primero demostramos que x mod n = a mod n . En general, es cierto que ( a + bn ) mod n = a mod n para todos los enteros b ; por lo tanto, esto también es cierto en el caso particular cuando ; pero eso significa que , que es lo que queríamos demostrar. Queda por demostrar que d ≤ x ≤ d + n − 1 . Sean k y r los enteros tales que a − d = kn + r con 0 ≤ r ≤ n − 1 (ver división euclidiana ). Luego , por lo tanto . Ahora tome 0 ≤ r ≤ n − 1 y agregue d a ambos lados, obteniendo d ≤ d + r ≤ d + n − 1 . Pero hemos visto que x = d + r , así que hemos terminado. ${\textstyle x=a-n\left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor }$ ${\textstyle b=-\!\left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor }$ ${\textstyle x{\bmod {n}}=\left(a-n\left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor \right)\!{\bmod {n}}=a{\bmod {n}}}$ ${\textstyle \left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor =k}$ ${\textstyle x=a-n\left\lfloor {\frac {a-d}{n}}\right\rfloor =a-nk=d+r}$

El módulo con desplazamiento a mod _d n se implementa en Mathematica como Mod[a, n, d] . ^[60]

Implementación de otras definiciones de módulo mediante truncamiento

A pesar de la elegancia matemática de la división por pisos de Knuth y de la división euclidiana, en general es mucho más común encontrar un módulo basado en una división truncada en los lenguajes de programación. Leijen proporciona los siguientes algoritmos para calcular las dos divisiones dada una división entera truncada: ^[5]

/* Divmod euclidiano y con piso, en el estilo de ldiv() de C */ typedef struct { /* Esta estructura es parte de C stdlib.h, pero se reproduce aquí para mayor claridad */ long int quot ; long int rem ; } ldiv_t ;          /* División euclidiana */ inline ldiv_t ldivE ( long numer , long denom ) { /* Los lenguajes C99 y C++11 definen ambos como truncados. */ long q = numer / denom ; long r = numer % denom ; if ( r < 0 ) { if ( denom > 0 ) { q = q - 1 ; r = r + denom ; } else { q = q + 1 ; r = r - denom ; } } return ( ldiv_t ){. quot = q , .rem = r } ; }                                                             /* División por piso */ inline ldiv_t ldivF ( long numer , long denom ) { long q = numer / denom ; long r = numer % denom ; if (( r > 0 && denom < 0 ) || ( r < 0 && denom > 0 )) { q = q - 1 ; r = r + denom ; } return ( ldiv_t ){. quot = q , .rem = r } ; }                                                     

En ambos casos, el resto se puede calcular independientemente del cociente, pero no al revés. En este caso, las operaciones se combinan para ahorrar espacio en la pantalla, ya que las ramas lógicas son las mismas.

Véase también

• Módulo (desambiguación) : muchos usos de la palabra módulo , todos los cuales surgieron a partir de la introducción de la aritmética modular por parte de Carl F. Gauss en 1801.
• Módulo (matemáticas) , uso general del término en matemáticas
• Exponenciación modular
• Giro (ángulo)

Notas

1. Matemáticamente, estas dos opciones son sólo dos del número infinito de opciones disponibles para la desigualdad satisfecha por un resto .
2. El orden de los argumentos se invierte, es decir, α|ωcalcula , el resto al dividir por . ${\displaystyle \omega {\bmod {\alpha }}}$ωα
3. C99 y C++11 definen el comportamiento de %que se debe truncar. ^[9] Los estándares anteriores dejan el comportamiento definido por la implementación. ^[10]
4. El divisor debe ser positivo, de lo contrario no está definido.
5. Como lo analiza Boute, las definiciones de ISO Pascal de divy modno obedecen la identidad de división de D = d · ( D / d ) + D  % d , y por lo tanto están fundamentalmente rotas.
6. Perl suele utilizar un operador de módulo aritmético que es independiente de la máquina. Para ver ejemplos y excepciones, consulte la documentación de Perl sobre operadores multiplicativos. ^[45]

Referencias

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2. Caldwell, Chris. "residuo". Glosario de Prime . Consultado el 27 de agosto de 2020 .
3. Knuth, Donald. E. (1972). El arte de la programación informática . Addison-Wesley.
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Enlaces externos

• Diferentes tipos de división de números enteros
• Modulorama, animación de una representación cíclica de las tablas de multiplicar (explicación en francés)