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 .
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:
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 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 : .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] .
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]
A mező két elemből áll, de az elemek megválasztásától és a rajtuk végzett összeadási és szorzási műveletek meghatározásától függően különböző módon adható meg: [16]
|
|
|
|
Ezek a mezők izomorfok egymással, vagyis valójában két különböző módja ugyanazon mező megadásának.
Mező . Az összeadás és szorzás a számok összeadása és szorzása modulo 3. A műveleti táblázatok a következők:
|
|
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.
A mező ábrázolható halmazként (ahol a polinom gyöke a mező felett , azaz ). A műveleti táblázatok így néznek ki: [17]
|
|
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] .
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) |
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] .
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] .
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 .
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 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] .
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] .
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] .