Modulo összehasonlítás

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] .

Történelem

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] .

Definíciók

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:

Bizonyíték

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

ahol

Ily 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

Az összehasonlíthatóság tulajdonságai modulo

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:

Bizonyíték

Hadd

Következésképpen

hol  van valami egész szám.

Mivel a szám osztója , akkor

hol  van valami egész szám.

Következésképpen

ahol

és

definíció szerint.

Bizonyíték

Hadd

ahol

Következésképpen

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 van

szükséges és elegendő ahhoz

ahol [9] .

Műveletek összehasonlítással

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.

és GCD akkor .

Ha a szám nem másodlagos a modulussal, mint a fenti példában, akkor nem csökkentheti.

ha , akkor [9] .

Példa

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.

Kapcsolódó definíciók

Maradék osztályok

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] .

Levonási rendszerek

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 :

, páratlan , és számok esetén páros esetben .

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.

Összehasonlítások polinomgyűrűben egy mező felett

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] .

Összehasonlítások megoldása

Összehasonlítások az első fokú

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:

ahol és az egész számok , és és a koprím . Ezért egy szám megfordítható modulo , azaz olyan számot találhatunk , amely (más szóval ). Most a megoldást úgy találjuk meg, hogy az eredményül kapott összehasonlítást megszorozzuk a következővel :

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] . Példák

1. 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:

vagy

Az 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 összehasonlítások

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 .

Összehasonlító rendszerek

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 .

Alkalmazás

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]

Lásd még

Jegyzetek

  1. Welshenbach M. 5. fejezet Moduláris matematika: Számítás maradékosztályokban. // Kriptográfia C és C++ nyelven működés közben . - M . : "Triumph", 2004. - S.  81 -95. — 464 p. — ISBN 5-89392-083-X .
  2. A "Moduláris aritmetika" nemzetközi tudományos konferencia anyagai . Virtuális Számítógép Múzeum (2005). Hozzáférés dátuma: 2010. július 31. Az eredetiből archiválva : 2007. október 5..
  3. Egorov A. A. Modulo-összehasonlítások és maradékszámítás  // Kvant . - 1970. - 5. sz . - S. 28-33 . Az eredetiből archiválva: 2016. március 4.
  4. Francia matematikus, 1666 óta a Francia Tudományos Akadémia tagja .
  5. Vileitner G. III. fejezet. Számelmélet // A matematika története Descartes-tól XIX. közepéig / ford. vele. alatt. szerk. A. P. Juskevics. - M .: Állami Fizikai és Matematikai Irodalmi Kiadó, 1960. - S. 69-84. — 467 p. Archiválva : 2015. szeptember 24. a Wayback Machine -nál
  6. 1 2 Stepanov S. A. 1. fejezet. Alapfogalmak // Összehasonlítások . - M . : "Tudás", 1975. - S. 3-9. — 64 p. Archiválva : 2015. augusztus 24. a Wayback Machine -nál
  7. 1 2 Vinogradov I.M. A számelmélet alapjai . - M. - L. : Állítsa be. szerk. műszaki és elméleti irodalom, 1952. - S. 41-45. — 180 s. Archiválva 2020. július 1-én a Wayback Machine -nél
  8. Siziy, 2008 , p. 88.
  9. 1 2 3 Sagalovich, 2010 , p. 25-29.
  10. Neszterenko, 2008 , p. 86-87.
  11. Bukhshtab A. A. 8. fejezet. Osztályok // Számelmélet . - M . : "Felvilágosodás", 1966. - S. 77-78. — 384 p. Archiválva : 2015. november 20. a Wayback Machine -nál
  12. 1 2 Sagalovich, 2010 , p. 29-32.
  13. Siziy, 2008 , p. 87-88,91.
  14. Lidl R., Niederreiter G. Véges mezők. 2 kötetben. - M .: Mir, 1998. - S. 27 (1.37. példa). — 430 p. — ISBN 5-03-000065-8 .
  15. Fadeev D.K. VII. fejezet. Összehasonlítás polinomok és mezőbővítések gyűrűjében // Lectures on Algebra. - M . : "Nauka", 1984. - S. 197-198. — 416 p.
  16. Siziy, 2008 , p. 105-109.
  17. Bukhshtab A. A. 21. fejezet. A 2. fokú modulo prím összehasonlítása, 22. fejezet. A másodfokú modulo összetett összehasonlítása // Számelmélet . - M . : "Felvilágosodás", 1966. - S. 172-201. — 384 p. Archiválva : 2015. november 20. a Wayback Machine -nál
  18. Harald Niederreiter, Arne Winterhof. Alkalmazott számelmélet. - "Springer", 2015. - S. 369. - 442 p. — ISBN 978-3-319-22321-6 .
  19. Koblitz N. Számelmélet és kriptográfia tanfolyam / ford. angolról. M. A. Mihajlova és V. E. Tarakanov, szerk. A. M. Zubkova. - M . : TVP Tudományos Kiadó, 2001. - S. 96, 105-109, 200-209. — 262 p. — ISBN 5-85484-012-X .
  20. A CAS regisztrációs  számok ellenőrző számjegyű ellenőrzése . Az eredetiből archiválva: 2015. december 8.

Irodalom