Cél mező

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 7-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 5 szerkesztést igényelnek .

A véges mező , vagy az általános algebrában a Galois-mező  olyan mező , amely véges számú elemből áll ; ezt a számot a mező sorrendjének nevezzük .

A végső mezőt általában vagy jelölik (az angol Galois field rövidítése), és Galois- mezőnek nevezik , ahol  a mezőelemek száma [1] . Az izomorfizmusig egy véges mezőt teljesen meghatároz a sorrendje, amely mindig valamilyen prímszám hatványa , azaz ahol  egy prímszám és  bármely természetes szám . Ebben az esetben ennek a mezőnek a jellemzője   lesz [2] .  

A véges mező fogalmát a számelmélet [3] , a csoportelmélet [3] , az algebrai geometria [3] , a kriptográfia [4] használják .

Definíció és tulajdonságok

A véges mező egy véges halmaz , amelyen tetszőleges műveletek vannak meghatározva, amelyeket összeadásnak , szorzásnak , kivonásnak és osztásnak neveznek (kivéve a 0-val való osztást) a mező axiómáinak megfelelően [5] .

Egy véges mező multiplikatív csoportja ciklikus . Vagyis a mező minden nullától eltérő eleme egy csoportot alkot a szorzás művelete szempontjából (ezt a csoportot a mező szorzócsoportjának nevezzük, és -vel jelöljük ). Ez a csoport ciklikus , azaz van egy generáló eleme , és az összes többi elemet úgy kapjuk meg, hogy a generátort [5] teljesítményre emeljük . Vagyis létezik  olyan generáló elem, amelyre bármely , a következőt írhatjuk:

.

A generáló elemet a mező primitív elemének is nevezik , a mező primitív elemeket tartalmaz , ahol  az Euler-függvény . [6]

A mezőnek számos egyéb tulajdonsága is van:

Egy mező prímszámú elemmel

Bármilyen prímrendű mezőt reprezentálhatunk maradékgyűrűvel (azaz bármely elemmező izomorf egy maradékgyűrűvel ). A véges mező legismertebb példája a maradék osztályok mezője modulo a prímszám , jelölése [10] . Ez a mező a következőképpen ábrázolható. Prímszám esetén a mezőelemek számok lesznek . Az összeadás és szorzás a számok összeadása és szorzása az eredmény modulo redukálásával [11] . Az alábbiakban példákat mutatunk be két és három elemű mezőkre .

A maradék gyűrűkkel való kapcsolat

A véges mezőket és a maradékgyűrűket nem szabad összetéveszteni . Csak ha a kitevő prímszám , akkor a maradékgyűrű mező. [12]

n  > 1 esetén a maradékgyűrű nem mező. Példa.

A mezőben bármely elemre igaz . A gyűrűben számolva csak két esetben kapunk 0-t, amikor . Ennek a gyűrűnek nulla osztója van : .

Véges mezők jellemzése

Minden véges mező jellemzője egy prímszám. Legyen  véges mező. Ekkor elemekből áll, ahol  a mező karakterisztikája , a természetes szám  pedig a mező fokszáma az egyszerű részmezőhöz képest [2] .

A véges mezők létezéséről és egyediségéről szóló tétel szerint minden prímszámhoz és természetes számhoz létezik véges elemmező , és bármely véges elemmeze izomorf egy polinom mező feletti felbontási mezőjével . Ez a tétel lehetővé teszi, hogy egy adott rendű, jól definiált mezőről (vagyis az elemek Galois mezőjéről ) beszéljünk [13] .

Épület

Az n > 1 mezõ megszerkeszthetõ hányadosgyûrûként , ahol  egy n fokú irreducibilis polinom a mezõ felett . Így ahhoz, hogy egy mezőt elemekből hozzunk létre, elegendő egy olyan fokszámú polinomot találni, amely a mező felett irreducibilis (ilyen polinom mindig létezik). A mező elemei a kisebb fokú polinomok maradékosztályai a polinom által generált főideál modulo együtthatóival .

Egy elem egy polinom gyöke , és a mezőt ez az elem generálja a mező felett , ezért a mezőről a mezőre való átmenetet egy irreducibilis polinom gyökének a mezővel való összekapcsolásának nevezzük . [14] [15]

Példák

Két elemből álló mező

A mező két elemből áll, de az elemek megválasztásától és a rajtuk végzett összeadási és szorzási műveletek meghatározásától függően különböző módon adható meg: [16]

+ 0 egy
0 0 egy
egy egy 0
× 0 egy
0 0 0
egy 0 egy
Közönséges aritmetikával Ez a logika alapozza meg a számítógépek bináris rendszerét, (mező ) (számítógépek).
+ F T
F F T
T T F
× F T
F F F
T F T

Ezek a mezők izomorfok egymással, vagyis valójában két különböző módja ugyanazon mező megadásának.

Három elemből álló mező

Mező . Az összeadás és szorzás a számok összeadása és szorzása modulo 3. A műveleti táblázatok a következők:

+ 0 egy 2
0 0 egy 2
egy egy 2 0
2 2 0 egy
× 0 egy 2
0 0 0 0
egy 0 egy 2
2 0 2 egy

A 3-mal való osztás maradékai három elemből keletkeznek (ahol azért , mert a 3-mal való osztás maradékai ).

A 4 mezővel való osztás maradéka nem jön létre, mert a 2. elemnek nincs inverze.

Négy elemből álló mező

A mező ábrázolható halmazként (ahol  a polinom gyöke a mező felett , azaz ). A műveleti táblázatok így néznek ki: [17]

+ 0 egy
0 0 egy
egy egy 0
0 egy
egy 0
× 0 egy
0 0 0 0 0
egy 0 egy
0 egy
0 egy

Kilenc elemből álló mező

A mező felépítéséhez elegendő egy 2-es fokú normalizált polinomot találni , amely irreducibilis a felett . Ezek a polinomok a következők:

Mert , van egy kívánt mező (ha helyette másik polinomot veszünk, akkor egy új mezőt kapunk, amely izomorf a régivel). Az alábbi táblázatokban a szimbólum egy polinom ekvivalenciaosztályát jelöli a faktorgyűrűben , amely kielégíti az egyenletet .

Az összeadási táblázatot a következő arány alapján határozzuk meg :

+ 0 egy 2
0 0 egy 2
egy egy 2 0
2 2 0 egy
0 egy 2
egy 2 0
2 0 egy
0 egy 2
egy 2 0
2 0 egy

A szorzótáblát a következő arányból határozzuk meg :

× 0 egy 2
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
egy 0 egy 2
2 0 2 egy
0 2 egy
0 egy 2
0 egy 2
0 egy 2
0 2 egy
0 2 egy

Az elem 8-as rendű és primitív. Az elem nem primitív, mert (más szóval a polinom nem primitív ) [17] .

16 elemből álló multiplikatív mezőcsoport

Ha egy mezőt egy irreducibilis polinom segítségével szerkesztünk meg , a bővítési elemeket a polinom együtthatóinak halmazai adják meg, amely a maradékot eredményezi, ha elosztjuk -val, és a hatványok növekvő sorrendjében írjuk le. A multiplikatív csoportot az elem generálja , amelyet (0, 1, 0, 0) [18] -ként írunk fel .

Polinom Fokozat
egy (1, 0, 0, 0)
(0, 1, 0, 0)
(0, 0, 1, 0)
(0, 0, 0, 1)
(1, 1, 0, 0)
(0, 1, 1, 0)
(0, 0, 1, 1)
(1, 1, 0, 1)
(1, 0, 1, 0)
(0, 1, 0, 1)
(1, 1, 1, 0)
(0, 1, 1, 1)
(1, 1, 1, 1)
(1, 0, 1, 1)
(1, 0, 0, 1)
(1, 0, 0, 0)

Tanulmánytörténet

A véges mezők elméletének kezdetei a 17. és 18. századra nyúlnak vissza . A témán olyan tudósok dolgoztak , mint Pierre Fermat , Leonard Euler , Joseph Louis Lagrange és Adrien Marie Legendre , akik a véges főrendű mezők elméletének megalapozóinak tekinthetők. Nagyobb érdeklődésre tart számot azonban a véges mezők általános elmélete, amely Gauss és Galois munkáiból származik [19] . Egy ideig ezt az elméletet csak az algebra és a számelmélet használták, de később új érintkezési pontokat találtak az algebrai geometriával , a kombinatorikával és a kódoláselmélettel [3] .

Galois közreműködése

1830-ban a tizennyolc éves Evariste Galois publikált egy tanulmányt [20] , amely megalapozta a véges mezők általános elméletét. Ebben a cikkben Galois (a permutációs csoportok és algebrai egyenletek elméletével kapcsolatos kutatásaival kapcsolatban [21] ) bevezet egy képzeletbeli összehasonlító gyöket , ahol egy tetszőleges fokú irreducibilis modulo p polinom . Ezt követően az általános kifejezést tekintjük , ahol  néhány modulo p egész szám van . Ha minden lehetséges értéket hozzárendel ezekhez a számokhoz, a kifejezés értékeket vesz fel . Továbbá Galois megmutatja, hogy ezek az értékek egy mezőt alkotnak, és ennek a mezőnek a multiplikatív csoportja ciklikus. Így ez a munka az első kő a véges mezők általános elméletének megalapozásában. Elődeivel ellentétben, akik csak a mezőket vették figyelembe, Galois már a mezőket tekinti , amelyeket az ő tiszteletére Galois-mezőknek kezdtek el nevezni [22] .

Az első ilyen irányú munkát Gauss írta 1797 körül, de életében ez a tanulmány soha nem jelent meg. Valószínűleg ezt a tanulmányt figyelmen kívül hagyta írásainak szerkesztője, így ez a mű csak posztumusz kiadásban, 1863-ban jelent meg [23] .

Továbbfejlesztés

1893- ban Eliakim Moore matematikus bebizonyított egy tételt a véges mezők osztályozásáról, kijelentve, hogy bármely véges mező Galois-mező , azaz bármely elemmező izomorf a modulo együtthatójú polinomok maradékosztályainak mezőjével, egy irreducibilis polinom . végzettségű [24] . Az első kísérlet a véges terek elméletének axiomatikus megközelítésére ugyanebbe az évbe nyúlik vissza, amelyet Heinrich Weber végzett el , aki a matematika különböző ágaiban felmerült fogalmakat, köztük a véges mező fogalmát igyekezett munkájában egyesíteni. [25] . Továbbá 1905 -ben Joseph Wedderburn bebizonyítja Wedderburn kis tételét , miszerint bármely véges test kommutatív, azaz mező. A mező modern axiomatikus definíciója (speciális esetként véges mezőkkel) Ernst Steinitznek köszönhető, és 1910-ben megjelent cikkében [26] ismerteti .

Alkalmazások

Diofantin egyenletek

A diofantin egyenlet egy egész együtthatós egyenlet, amelyben a változók is egész számokat vesznek fel. Az ilyen egyenletek vitájának nagy hullámát Fermat váltotta ki , aki megfogalmazta tételeit. Fermat kis tétele kimondja, hogy ha  egy prímszám, amely nem osztója egy másik számnak , akkor . A véges mezők elméletében ez a tétel a Lagrange-tétel következménye , amelyet az elem által generált multiplikatív részcsoportra alkalmazunk , mivel a teljes multiplikatív mezőcsoport elemekből áll [5] .

Fermat észreveszi, hogy csak azok a prímszámok bonthatók két négyzet összegére, amelyek 4-gyel osztva 1 maradékot adnak.

1640. december 25-én Marin Mersenne - nek írt levelében Fermat a [27] egyenlet megoldását javasolja .

Julius Dedekind ezt az egyenletet egy véges mezőben tanulmányozta , ahol felveszi a formáját . Ha , akkor a megoldás triviális. Ellenkező esetben mindkét részt eloszthatja a következővel, és egy csere bevezetésével megkaphatja a forma egyenletét . -val szorozva egyenletet kapunk . Feltételezve , hogy a generátor egy 4-es rendű multiplikatív részcsoport, akkor p -n megkaphatjuk a szükséges és elégséges feltételeket, amelyek mellett az egyenletnek megoldása van. A Fermat-Euler-tétel további bizonyítása , amelyet Dedekind végzett, nem használja a véges mező fogalmát, és megtalálható a megfelelő cikkben [28] .

A korrekciós kódok elmélete

A korrekciós kódok elméletének megalkotásának évének 1948 - at tekintik , amelyben Claude Shannon cikke jelent meg, amelyben bemutatja, hogy az információ bármilyen csatornán történő továbbításában a hibák megléte többek között attól függ, az átviteli sebesség és a csatornakapacitás aránya. Az átviteli sebességnek nagyobbnak kell lennie, mint a sávszélesség. Shannon bizonyítékokat szolgáltatott, de azokat érvénytelennek nyilvánították [29] .

Konstruktív megközelítést javasolt Richard Hamming , ezzel megadva a vektort a témával foglalkozó sok későbbi cikk fejlődéséhez. Munkájában Hamming egy egyszerű kódot épített fel , amely bizonyos módon kijavítja a hibákat. Hamming csak a [30] mező felett vette figyelembe a korrekciós kódokat . Golay 1949-ben hamarosan hasonló kódokat szerkesztett tetszőleges véges mezőkre [31] . A legnagyobb hozzájárulás azonban ehhez az elmélethez Hammingé [30] .

Kriptográfia

A kriptográfiában a véges mezőket alkalmazták a legszélesebb körben. Diffie és Helman publikus kulcsú kriptográfiáról szóló cikke, amely kulcscsere protokollt javasolt [4] , alapműnek számít . Ebben a munkában egy bizonyos típusú véges mezőket használtam. Később a véges mezők használatán alapuló kriptográfiai protokollok és kriptorendszerek széles választéka jelent meg. Ezek közé tartozik az ElGamal séma , az Advanced Encryption Standard [32] , a Schnorr séma , a Chaum algoritmus (vak aláírás) , az XTR kriptorendszerés sokan mások. Az elliptikus görbe algoritmusok , amelyek a modern kriptográfia egyik kulcsfontosságú vizsgálati tárgyát képezik, szintén véges mezőket használnak [33] .

Ezenkívül a titkosítás minősége gyakran attól függ, hogy képesek-e gyorsan előállítani nagy prímszámokat. Ennek megfelelően a feladat egy szám prímtényezőkre bontására szolgáló algoritmus felépítése (egy adott szám egyszerűségének meghatározása). Michael Rabin publikált egy tanulmányt, amelyben a multiplikatív mezőcsoport tulajdonságain alapuló primalitástesztet javasol [34] .

Vegyes

1960-ban R. K. Bowes és D. K. Roy-Chowdhury publikált egy tanulmányt, amelyben véges mezőkön vizsgálták a polinomok családjait. A. Hockwingham általánosította elméletüket, ami a BCH kód megalkotásához vezetett , melynek speciális esete a jól ismert Reed-Solomon kód , amelynek igen széles körű alkalmazása van. RAM -vezérlőkben való íráshoz és olvasáshoz, adatok archiválásához, merevlemezre ( ECC ) való íráshoz, CD/DVD lemezekre írásakor használják. Figyelemre méltó, hogy ha jelentős mennyiségű információ sérül, vagy ha a lemezes adathordozó több szektora megsérül, a Reed-Solomon kód lehetővé teszi az elveszett információk többségének helyreállítását. A BCH kódot egyes NASA -szondák (például a Voyager ) kommunikációs rendszerében is használják [35] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 Lidl, Niederreiter, 1988 , p. 68.
  2. 1 2 3 Lidl, Niederreiter 1988 , p. 66.
  3. 1 2 3 4 Lidl, Niederreiter, 1988 , p. 5.
  4. 1 2 Diffie, Hellman, 1976 .
  5. 1 2 3 Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vyaly. Diszkrét elemzés. A magasabb algebra alapjai. - M. : MZ Press, 2007. - S. 151. - 224 p.
  6. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 69-70.
  7. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 71.
  8. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 119.
  9. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 121.
  10. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 65.
  11. Egorov A. A. Modulo-összehasonlítások és maradékszámítás  // Kvant . - 1970. - 5. sz . - S. 28-33 .
  12. Vinberg, 2011 , p. 32.
  13. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 67-68.
  14. Vinberg, 2011 , p. 409.
  15. Lidl, Niederreiter 1988 , p. 51, 66.
  16. Gabidulin E. M., Kshevetsky A. S., Kolybelnikov A. I., Vladimirov S. M. Információbiztonság. oktatóanyag. 2015. november 22-i verzió . - S. 249.
  17. 1 2 Mullen, Gary L.; Panario, Daniel. Véges mezők kézikönyve. - CRC Press, 2013. - ISBN 978-1-4398-7378-6 .
  18. Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vyaly. Diszkrét elemzés. A magasabb algebra alapjai. - M. : MZ Press, 2007. - S. 152. - 224 p.
  19. Lidl, Niederreiter 1988 , p. tíz.
  20. Evariste Galois (1830), Sur la théorie des nombres  (francia) . Bulletin des sciences mathématiques de M. Ferussac 13, p. 428-435 (1830).
  21. Bourbaki N. Esszék a matematika történetéről / ford. fr. I. G. Bashmakova, szerk. K. A. Rybnikova. - M. : IL, 1963. - S. 102.
  22. Israel Kleiner. Az absztrakt algebra története  . - Birkhäuser, 2007. -  70. o . — 168 p. — ISBN 978-0-8176-4684-4 .
  23. G. Frei. A kiadatlan nyolcadik rész: Úton a véges  mező feletti mezők működéséhez . - Goldstein Schappacher Schwermer, 2007. - P. 159-198.
  24. Moore, Eliakim Hastings. Egyszerű csoportok kettős végtelen rendszere  (angol)  // Chicago Congr. papírokat. - 1896. - P. 208-242. Az eredetiből archiválva : 2015. november 19.
  25. H. Weber, "Die allgemeinen Grundlagen der Galois'schen Gleichungstheorie", Mathematische Annalen, vol. 43, 1893, p. 521-549.
  26. Ernst Steinitz, "Algebraische Theorie der Körper", Journal für die reine und angewandte Mathematik, vol. 137, 1910, p. 167-309 (ISSN 0075-4102).
  27. Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vyaly. Diszkrét elemzés. A magasabb algebra alapjai. - M. : MZ Press, 2007. - S. 38. - 224 p.
  28. R. Dedekind , Supplement XI des Leçons en théorie des nombres de Dirichlet, 1894.
  29. Shannon, K. A kommunikáció matematikai elmélete // Művek az információelméletről és a kibernetikáról. - M . : Külföldi Irodalmi Kiadó, 1963. - S. 243-332.
  30. ↑ 1 2 Hamming, K. Kódok hibafelismeréssel és -javítással. - M . : Külföldi Irodalmi Kiadó, 1956. - S. 7-23.
  31. Golay MJE Megjegyzések a digitális kódolásról  // Proceedings IRE. 1949. V. 37., 657. o.
  32. O. S. Zenzin, M. A. Ivanov. A kriptográfiai biztonsági szabvány az AES. Mezők vége . - KUDITS-Obraz, 2002. - S.  41 -78. — 176 p. — ISBN 5-93378-046-4 .
  33. Anatolij Bolotov, Szergej Gashkov, Alekszandr Frolov, Anatolij Csaszovskik. Elemi bevezetés az elliptikus kriptográfiába. Algebrai és algoritmikus alapok. - KomKniga, 2006. - S. 390 - 398. - 527 p. — ISBN 5-484-00443-8 .
  34. M. Rabin , Probabilistic Algorithm for Testing Primality, J. Th. szám. 12, 128-138 (1980).
  35. Bose RC, Ray-Chaudhuri DK Hibajavító bináris csoportkódok osztályán // Inform. ellenőrzés. - vol. 3. - 1960. márc. - p. 68-79.

Irodalom