Két egész szám modulo összehasonlítása egy természetes számmal egy matematikai művelet, amely lehetővé teszi annak a kérdésnek a megválaszolását, hogy két kiválasztott egész szám ugyanazt a maradékot adja-e, ha ugyanazzal osztjuk . Bármely egész szám, ha elosztjuk -val , akkor a lehetséges maradékok egyikét adja : egy szám 0-tól ; ez azt jelenti, hogy minden egész szám csoportokra osztható , amelyek mindegyike egy bizonyos maradéknak felel meg, ha elosztjuk -val .
A számmaradványokkal végzett aritmetikai műveletek egy fix formájú moduláris aritmetika vagy moduláris aritmetika [1] [2] , amelyet széles körben használnak a matematikában , a számítástechnikában és a titkosításban [3] .
Az összehasonlítás elméletének megalkotásának előfeltétele Diophantus műveinek restaurálása volt , amelyek eredetiben és latin fordításban jelentek meg Basha de Meziriak jóvoltából 1621- ben . Tanulmányaik olyan felfedezésekhez vezették Fermat , amelyek jelentősen megelőzték korukat. Például 1640. október 18-án Frenicle de Bessy [4] -nek írt levelében bizonyítás nélkül közölt egy tételt , amely később Fermat kis tételeként vált ismertté . A modern megfogalmazásban a tétel kimondja, hogy ha egy prímszám és egy egész szám , amely nem osztható -vel , akkor
.Ennek a tételnek az első bizonyítása Leibnizé , ráadásul legkésőbb 1683 -ban Fermattól függetlenül fedezte fel ezt a tételt, és Bernoulli pontos bizonyításával közölte . Ezenkívül Leibniz prototípust javasolt a Wilson-tétel megfogalmazásához .
Később a számelméletnek és az összehasonlítások elméletének szentelt kérdések tanulmányozását Euler folytatta , aki bevezette a reciprocitás másodfokú törvényét és általánosította Fermat tételét , megállapítva, hogy
hol van az Euler-függvény .
Az összehasonlítások fogalmát és szimbolikus megjelölését Gauss vezette be aritmetikai elmélete alátámasztásának fontos eszközeként, amelyen 1797-ben kezdett el dolgozni. Ennek az időszaknak az elején Gauss még nem volt tisztában elődei munkáival, így Arithmetical Investigations ( 1801 ) című könyvének első három fejezetében megfogalmazott munkájának eredményei alapvetően már ismertek voltak, de a módszerek amit bizonyításra használt, teljesen újnak bizonyult, és a legnagyobb jelentőséggel bír a számelmélet fejlődése szempontjából. Ezekkel a módszerekkel Gauss a modulo-összehasonlítási műveletekkel kapcsolatos összes előtte felhalmozott tudást koherens elméletté alakította át, amelyet először ugyanabban a könyvben mutatott be. Emellett tanulmányozta az első és a másodfokú összehasonlításokat, a másodfokú maradékok elméletét és a kapcsolódó másodfokú reciprocitás törvényét [5] .
Ha két egész szám és osztva ugyanazt a maradékot adja, akkor összehasonlíthatónak (vagy equiresiduálisnak ) nevezzük őket modulo a [6] számnak . |
A számok összehasonlíthatósága és képletként írható fel ( összehasonlítás ):
A számot összehasonlítási modulusnak nevezzük .
A számok és a modulo összehasonlíthatóságának meghatározása megegyezik a következő állítások bármelyikével:
Akkor abból a feltételezésből, hogy
Az 1. és 2. végrehajtásra kerül :
(vagyis a különbséget és maradék nélkül osztjuk el -vel); ahol (vagyis ként ábrázolható ).A szükséges feltétel igazolásából a szám a következőképpen ábrázolható:
Akkor
aholIly módon
A definícióról bebizonyosodott , hogy egyenértékű a 2. feltétellel , amely ekvivalens az 1. feltétellel .
Például a 32 és -10 egybevágó modulo 7, mivel mindkét szám 7-tel osztva 4-et hagy:
Ezenkívül a 32 és -10 számok összehasonlíthatók modulo 7-tel, mivel különbségük osztható 7-tel, és van egy reprezentáció
Rögzített természetes szám esetén a modulo összehasonlíthatósági reláció a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
Így a modulo összehasonlíthatósági reláció egy ekvivalencia reláció az egész számok halmazán [8] .
A fenti tulajdonságokon kívül az alábbi állítások igazak az összehasonlításra:
Hadd
Következésképpen
hol van valami egész szám.Mivel a szám osztója , akkor
hol van valami egész szám.Következésképpen
aholés
definíció szerint.
Hadd
aholKövetkezésképpen
Mivel a különbség mindegyik többszöröse , ez a legkisebb közös többszörösük többszöröse is .
Következmény: Annak érdekében, hogy a számok összehasonlíthatóak legyenek modulo , amelynek kanonikus felbontása prímtényezőkre a következő formában vanszükséges és elegendő ahhoz
ahol [9] .A modulo egy és ugyanazon összehasonlítások a közönséges egyenlőségek számos tulajdonságával rendelkeznek. Például összeadhatók, kivonhatók és szorozhatók: ha a és a számok páronként összehasonlítható modulo , akkor összegük és , valamint szorzatuk és szintén összehasonlítható modulo :
Ugyanakkor ezeket a műveleteket nem lehet összehasonlítással végrehajtani, ha a moduljaik nem egyeznek [9] .
Ugyanazt a számot hozzáadhatja az összehasonlítás mindkét részéhez :
Előjelváltással is átvihet egy számot az összehasonlítás egyik részéből a másikba:
Ha a és a számok összehasonlíthatóak modulo , akkor a és hatványaik szintén összehasonlíthatók modulo bármely természetes [7] :
Az összehasonlítás bármely részéhez hozzáadhatja a modulus egész számú többszörösét, vagyis ha a és számok összehasonlíthatók modulo valamilyen számmal , akkor és összehasonlítható a modulo -val , ahol és tetszőleges egész számok , amelyek többszörösei :
Továbbá az összehasonlítás és a modulus mindkét része megszorozható ugyanazzal a számmal, vagyis ha a és számok összehasonlíthatók modulo valamilyen egész számmal , akkor a és számok összehasonlíthatók modulo a számmal , ahol egy egész szám :
Az összehasonlítások azonban általában véve nem oszthatók sem egymással, sem más számokkal. Példa: 2-szeres csökkentés után hibás összehasonlítást kapunk: . Az összehasonlítások csökkentési szabályai a következők.
Ha a szám nem másodlagos a modulussal, mint a fenti példában, akkor nem csökkentheti.
ha , akkor [9] .
Az összehasonlítások használata megkönnyíti az oszthatóság különféle kritériumainak megszerzését . Levezetjük például egy N természetes szám 7-tel oszthatóságának jelét. Írjuk alakba (azaz elválasztjuk az egységek számjegyét). A 7-tel osztható feltétel a következőképpen írható fel: Ezt az összehasonlítást szorozzuk meg ezzel
Vagy a bal oldali modulus többszörösének hozzáadásával :
Ez a következő 7-tel osztható jelet vonja maga után: a tízesek számából ki kell vonni a megkétszerezett egységek számát, majd ezt a műveletet addig kell ismételni, amíg két- vagy egyjegyű számot nem kapunk; ha osztható 7-tel, akkor az eredeti szám is osztható. Például ellenőrizzük a [10] algoritmust :
Következtetés: 22624 osztható 7-tel.
A modulo - val egybevágó összes szám halmazát modulo maradékosztálynak nevezzük , és általában vagy jelöli . Így az összehasonlítás egyenértékű a maradékosztályok egyenlőségével [11] .
Bármely osztályszámot modulo maradéknak nevezünk . Legyen a határozottság kedvéért a maradék, ha a kiválasztott osztály bármely képviselőjét elosztjuk -val , akkor ebből az osztályból bármely szám ábrázolható , ahol egy egész szám . A maradékkal egyenlő maradékot ( at ) a legkisebb nem negatív maradéknak , az abszolút értékben legkisebb maradékot ( ) pedig az abszolút legkisebb maradéknak nevezzük . Ha ezt megkapjuk , különben . Ha páros és , akkor [ 12] .
Mivel a modulo összehasonlíthatóság egy ekvivalencia reláció az egész számok halmazán , a modulo maradékosztályok ekvivalenciaosztályok ; számuk egyenlő .
Az összes modulo maradékosztály halmazát [13] vagy [14 ] jelöli .
Az összeadás és szorzás műveletei indukálják a megfelelő műveleteket a halmazon :
Ezekre a műveletekre nézve a halmaz egy véges gyűrű , egy egyszerűnél pedig egy véges mező [6] .
A maradékrendszer lehetővé teszi számtani műveletek végrehajtását egy véges számhalmazon anélkül, hogy túllépnénk rajta. A modulo maradékok teljes rendszere páronként összehasonlíthatatlan modulo egész számok összessége . Általában a két halmaz egyikét a maradékok modulo teljes rendszerének tekintik :
A páronként össze nem hasonlítható modulo számok maximális halmazát, amellyel párhuzamosan prímáljuk , a modulo maradékok redukált rendszerének nevezzük . Bármely redukált modulo rendszer tartalmaz elemeket, ahol az Euler függvény [12] .
Például egy szám esetében a maradékok teljes rendszere a 0, 1, 2, 3, ..., 21, 22, 23, ..., 39, 40, 41 számokkal és a redukált rendszerrel ábrázolható. 1, 5, 11, 13, 17, 19, 23, 25, 29, 31, 37, 41 jelölheti.
A polinomok mező feletti gyűrűjét tekintjük . A választott gyűrűhöz tartozó két polinomot összehasonlítható modulo polinomnak nevezzük , ha különbségük osztható maradék nélkül. Az összehasonlítást a következőképpen jelöljük:
Csakúgy, mint az egész számok gyűrűjében, az ilyen összehasonlítások összeadhatók, kivonhatók és szorozhatók [15] .
A számelméletben , a kriptográfiában és más tudományterületeken gyakran felmerül a probléma megoldása a forma első fokának összehasonlítására.
Egy ilyen összehasonlítás megoldása a gcd kiszámításával kezdődik . Ebben az esetben két eset lehetséges:
Az érték gyakorlati kiszámítása többféleképpen történhet: az Euler-tétel segítségével , az Euklidész-algoritmussal , a folytonos törtek elméletével (lásd az algoritmust ), stb. Az Euler-tétel különösen lehetővé teszi, hogy az értéket a következő formában írjuk fel:
[16] . Példák1. példa Összehasonlításképpen
van tehát modulo 22, az összehasonlításnak két megoldása van. Cseréljük le a 26-ot 4-gyel, ami hasonló a modulo 22-hez, majd töröljük mindhárom számot 2-vel:
Mivel a 3 a coprime modulo 11, megfordítható modulo 11, és meg lehet találni
.Az összehasonlítást 4-gyel megszorozva a 11-es modulo megoldást kapjuk:
,egyenértékű a modulo 22 két megoldás halmazával:
és .2. példa Az összehasonlítást adjuk meg:
Vegye figyelembe, hogy a modulus egy prímszám.A megoldás első módja a Bezout reláció használata . Az Euklidész algoritmus vagy a Bezout-arányról szóló cikkben megadott program segítségével azt találjuk, hogy ez a számarány a következőképpen alakul:
vagyAz összehasonlítás mindkét oldalát megszorozva 41-gyel, a következőt kapjuk:
Ebből következik, hogy van megoldás az eredeti összehasonlításra. Kényelmesebb valami hasonlóra cserélni (az osztás maradéka -val ) . Válasz:
A második, egyszerűbb és gyorsabb megoldás nem igényli a Bezout-reláció felépítését, de egyenértékű az euklideszi algoritmussal is.
1. lépés. Ossza el a modulust x együtthatójával a maradékkal: . Szorozzuk meg az eredeti összehasonlítás mindkét oldalát a hányadossal és adjuk össze ; kapjuk: , de a bal oldal többszöröse , azaz nullához hasonlítható, ahonnan:
Az at 100 helyett 37-et kaptunk . Minden következő lépésnél ugyanúgy csökkentjük, amíg egyet nem kapunk.
2. lépés Hasonlóképpen osztunk egy új együtthatóval x-nél: . Az előző lépésben kapott összehasonlítás mindkét részét megszorozzuk a hányadossal , és összeadjuk ; a bal oldalt ismét nullára cserélve a következőket kapjuk:
cserélje ki maradékával, ha egyenlővel osztjuk :
Ekkor ugyanígy további 5 lépést is meg lehetne tenni, de egyszerűbb az összehasonlítás mindkét részét elosztani 10-zel, és azonnal megkapni az eredményt:
A másodfokú modulo m összehasonlításának általános formája a következő:
Ez a kifejezés formába hozható
cseréjekor pedig leegyszerűsödik
Ennek az összehasonlításnak a megoldása abból adódik, hogy meg kell állapítani, hogy az adott szám másodfokú maradék -e (a másodfokú reciprocitás törvénye alapján ), majd ki kell számítani ennek modulo négyzetgyökét [17] . A négyzetgyök másodfokú maradékból való kiszámításához létezik egy valószínűségi Berlekamp-módszer és egy determinisztikus Tonelli-Shanks algoritmus .
A kínai maradéktétel kimondja, hogy egy kongruenciarendszer páronkénti koprímmodulokkal :
mindig megoldható, megoldása pedig egyedi modulo .
Más szóval, a kínai maradéktétel kimondja, hogy a több páronkénti másodperemszám szorzata modulo maradékgyűrű a faktoroknak megfelelő maradékgyűrűk közvetlen szorzata .
A moduláris aritmetikát a számelmélet , a csoportelmélet , a gyűrűelmélet , a csomóelmélet , az általános algebra , a kriptográfia , a számítástechnika , a kémia és más területeken használják.
Például gyakran használnak összehasonlításokat az azonosítókban használt ellenőrző összegek kiszámításához. Tehát a nemzetközi bankszámlaszám megadásakor előforduló hibák meghatározásához a 97 [18] összehasonlító modult használjuk .
A kriptográfiában az összehasonlítások megtalálhatók a nyilvános kulcsú rendszerekben , például az RSA algoritmus vagy a Diffie-Hellman protokoll használatával . Ezenkívül a moduláris aritmetika véges mezőket biztosít, amelyekre elliptikus görbék épülnek , és különféle szimmetrikus kulcsprotokollokban ( AES , IDEA ) használják [19] .
A kémiában a CAS regisztrációs szám utolsó számjegye az ellenőrzőösszeg értéke , amelyet úgy számítanak ki, hogy összeadják a szám utolsó számjegyét szorozva 1-gyel, a jobb oldali második számjegyet megszorozva 2-vel, a harmadik számjegyet megszorozva hárommal, és így balról az első számjegyig, a 10-zel való osztás maradékának kiszámításával végződve [20]