Hasse-tétel

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2019. június 1-jén felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 14 szerkesztést igényelnek .

A Hasse-féle elliptikus görbe tétel , amelyet Hasse-határnak is neveznek , becslést ad egy véges mező feletti elliptikus görbén lévő pontok számára , és korlátozza az értékeket fent és alatt egyaránt. Hasse tétele egyenértékű a lokális zéta-függvény gyökeinek abszolút értékének meghatározásával . Ebben a formában a Riemann-hipotézis analógjának tekinthető az elliptikus görbével kapcsolatos függvények területén.

Történelem

A véges mezők feletti elliptikus görbék elméletének egyik fontos kérdése egy hatékony algoritmus kidolgozása az adott görbén fekvő pontok számának megszámlálására. 1924-ben Emil Artin egy sejtést terjesztett elő, amely felülről és alulról korlátozza az elliptikus görbe pontjainak számát egy véges mező felett [1] . Ezt a sejtést Helmut Hasse igazolta 1933-ban, és 1936-ban publikálta egy sor tanulmányban [2] . Ezt követően Hasse munkájának eredményeit André Weil általánosította tetszőleges nemzetség görbéire, és felhasználta a lokális zéta-függvények tanulmányozására.

tétel állítása

Hasse elliptikus görbe tétele kimondja, hogy a véges mező feletti elliptikus görbén lévő pontok száma kielégíti az egyenlőtlenséget . [3] [4]

Az egyenlőtlenség abból adódik, hogy két modulusú komplex konjugált szám összegével tér el a projektív egyenes ugyanazon mező feletti pontjainak számától .

Bizonyítás

A bizonyítás során a legfontosabb szerepet a módosított egyenlet játssza

amelynek megoldásait a változó racionális függvényeinek területén keressük . Ennek az egyenletnek a két megoldása egyszerű és egyenlő ; .

A megoldások összeadása ehhez az egyenlethez ugyanazok a képletek szerint történik, mint az elliptikus görbék pontjainak összeadása, vagyis a harmadik pont a görbe és az egyenes metszéspontjában kerül kiválasztásra, és az eredmény egy olyan pont lesz, koordináták

Ezután megszerkesztjük a megoldások végtelen sorozatát, amely egy aritmetikai sorozat egy különbséggel és egy kezdeti taggal

A sorozat minden eleme irreducibilis relációként ábrázolható . Ezután bevezetünk egy függvényt, amely megegyezik a polinom fokával .

A bizonyításhoz 4 lemma kell:

1. lemma :

Az 1. lemma bizonyítéka:

Az összeadási képletek szerint megvan , akkor megjegyezzük, hogy a számláló foka 1-gyel nagyobb, mint a nevező foka, mivel , ahol R(x) egy 2p-t meg nem haladó fokú polinom. Számítsa ki a tört nevezőjét a szükséges csökkentésekkel! Egyrészt , másrészt, mint tudod,

ezért redukáláskor csak a c alakú és a c alakú tényezők esnek ki a nevezőből . Legyen az első fajtájú tényezők száma, a másodiké pedig a faktorok száma. Ekkor és ezt figyelembe véve azt kapjuk, hogy . A szám egyenlő -vel , mivel a maradékok minden osztálya két oldatnak, a maradékok osztályának pedig egynek felel meg. Ez bizonyítja, hogy mire van szükség.

2. lemma :

A 2. lemma bizonyítéka:

A főlemma szerint . Nyilvánvalóan a for és a lemma igaz: legyen igaz az indexekre és , . Akkor

A lemma bevált.

3. lemma : Minden n esetén, amelyre az X n függvény definiálva van, az Art. egyenlőtlenség. R n > art. Q n .

A 3. lemma bizonyítéka:

Ezt az egyenlőtlenséget úgy fogjuk bebizonyítani, hogy formálisan megkeressük a függvény értékét -nél . A következő szóköz után legyen nulla vagy az első szám[ adja meg ] , . Konstrukció szerint a ≠0. Tegyük fel az ellenkezőjét. Tekintettel arra, hogy a törtnek négyzetnek kell lennie, a függvény számlálójának és nevezőjének fokszáma közötti különbségnek páratlan számnak kell lennie, majd együtt ad . A számtani progresszióhoz

Innen találjuk

vagy

vagyis

,

Mivel , ebből az következik . Másrészről

Innen találjuk

így

De ebből az egyenlőségből az következik , ami ellentmond a feltevésnek . A lemma bevált.

Fő lemma : .

A fő lemma bizonyítéka:

A tétel bizonyításának fő nehézségei a fő lemmára összpontosulnak. Folytassuk a bizonyítással. bármely P polinomhoz st. R jelöli ennek a polinomnak a fokát.

Közös nevezőre redukálva és a hasonló kifejezéseket összegyűjtve a megoldásösszeadási képletben azt találjuk

A fent kapott két képletet tagról tagra szorozva és redukciókat végezve megkapjuk

A következő érvelés célja annak bemutatása . Ebből az egyenlőségből közvetlenül megkapjuk a főlemmát, sőt, ebből az következik

,

jelentése Art. = Art. , mert a 3. lemma értelmében a polinom vezető tagja egybeesik a polinom vezető tagjával . Most bizonyítsuk be a szükséges egyenlőséget.

Emlékezzünk vissza, hogy a polinomok tartományában egyedi faktorizáció létezik irreducibilis tényezőkké. Legyen egy irreducibilis polinom, és legyen bármilyen pozitív egész szám. Azt fogjuk mondani, hogy egy polinom szigorúan oszt valamilyen irreducibilis racionális függvényt, ha a számlálója osztható -vel, de nem osztható -val . A szükséges egyenlőség bizonyításához meg kell állapítani, hogy ha egy polinom szigorúan osztja , akkor szigorúan osztja is . Valójában akkor a hányados egy polinom, amely viszonylag prím az (xQ_n-P_n)^2 polinomhoz. De mivel a fenti egyenletből az következik, hogy a függvény polinom, akkor az előző egyenlőségekből <X_{n-1}> és <X_{n+1}> könnyen kiderül, hogy a nevezők osztják a polinomot . Így a hányados csak konstans lehet, és ez az állandó egyenlő eggyel a számlálók vezető tagjainak elfogadott normalizálása miatt .

A polinom összes irreducibilis osztóját három csoportra osztjuk . Az első csoportba azok a polinomok tartoznak, amelyek osztják R-t, de nem osztják S-t. Ebből azonnal következik, hogy ha egy polinom szigorúan oszt , akkor szigorúan osztja a nevezőt , és a nevezővel együtt prím . A második csoportba azok a polinomok tartoznak, amelyek osztják S-t, de nem osztják R-t. Ugyanígy kiderül, hogy ha egy polinom szigorúan osztja a nevezőt, akkor szigorúan osztja a nevezőt , és másodprím a nevezővel . Végül a harmadik csoportba azok a polinomok tartoznak, amelyek R-t és S-t is osztanak. Mivel

,

ezt követi

, .

Egy polinom , amely egy polinomot oszt, nem oszthat, mivel és koprímek. Innen és az utolsó képletekből az következik , hogy ha osztja és , akkor szigorúan osztja a polinomot (feltételezés szerint ennek a polinomnak nincs több gyöke).

Tehát legyen egy polinom irreducibilis osztója . Tételezzük fel először, hogy ≠±1 (definíció szerint ez a jelölés azt jelenti, hogy a függvény irreducibilis reprezentációjának számlálója ±1 nem osztható -vel ). Ebből következik, hogy szigorúan oszt , mert a polinom osztható legalább -vel . Hasonlóképpen kiderül, hogy oszt , de ebből következik, hogy szigorúan oszt .

Így marad az =±1 eset ellenőrzése . Legyen például (a második is hasonlóan lesz értelmezve). Ezután szigorúan oszt . Legyen szigorúan oszt , és szigorúan oszt . Nyilvánvalóan szigorúan felosztja a funkciót is . De

.

Ezenkívül , ≠0 , így és ezért a szám kisebb, mint az a hatvány, amelyre szigorúan osztódik . Ezért szigorúan oszt . Innen következik, hogy szigorúan oszt . Q.E.D.

Az 1. és a 2. lemma szerint ez a négyzetes trinom nem negatív értékeket vesz fel mindenre , és definíció szerint nem lehet két egymást követő nullája. Innentől azt kapjuk, hogy a diszkrimináns nem lehet pozitív, különben 2 gyök volt , és között , és számok, és nem lehetnek egyszerre egész számok. Következésképpen,

,

így

. A tétel bizonyítást nyert.

Bizonyítás a Frobenius endomorfizmussal

A Hasse-tételnek van egy alternatív bizonyítása is, amely a Frobenius-endomorfizmuson alapul .

Algebrai zárással rendelkező véges mező esetén egy leképezést vezetünk be:

Egy elliptikus görbe pontjaira a következőképpen hat: , .

A bizonyításhoz a következő 4 lemma szolgál.

Lemmák

1. lemma. A mező és a pontok feletti elliptikus görbéhez a következőt kapjuk:

1) ,

2) akkor és csak akkor, ha .

2. lemma. Egy elliptikus görbe esetén a leképezés egy fokú görbe endomorfizmusa , és nem szeparálható.

3. lemma. Legyen egy elliptikus görbe , és legyen definiálva . Akkor

1) ,

2) elválasztható endomorfizmus, ezért .

4. Lemma. Jelölje . Legyenek egész számok és . Akkor .

A 4. lemma alapján, és mivel kiderül, hogy

bárhova . _

A racionális számok halmaza , ahol , sűrűsége . Ennélfogva a jelöléssel megkapjuk az összes valósra igaz egyenlőtlenséget .

Mivel a polinom diszkriminánsa kisebb vagy egyenlő nullával, vagyis van .

A Frobenius-endomorfizmuson alapuló Hasse-tétel bizonyítása szintén a Schuf-algoritmus alapját képezi . Ez az algoritmus lehetővé teszi, hogy megszámolja egy adott elliptikus görbe pontjainak számát polinomiális időben.

Hasse-Weil határ

A Hasse-határ általánosítása magasabb nemzetség algebrai görbéire a Hasse-Weil határ. Legyen a nemzetségnek egy abszolút irreducibilis , nem szinguláris görbéje egy véges mező felett . Ekkor ezen a görbén a pontok száma kielégíti az egyenlőtlenséget

A szokásos Hasse-korláthoz hasonlóan ez az eredmény egyenértékű a görbe lokális zéta-függvénye gyökeinek abszolút értékének meghatározásával, és analóg a Riemann-hipotézissel a görbéhez kapcsolódó függvények területén. Az elliptikus görbék esetében a Hasse-Weil határ egybeesik a szokásos Hasse-határral, mivel az elliptikus görbéknek van nemzetsége .

A Hasse-Weil határvonal az André Weyl által 1949-ben [5] megfogalmazott és a görbék esetében bebizonyított, véges mező feletti projektív változatokra vonatkozó általánosabb Weyl-sejtések következménye.

Alkalmazás

Kriptográfia

A kriptográfia elliptikus görbéken alapuló titkosítási algoritmusokat használ. Ezeknek az algoritmusoknak a stabilitása az elliptikus görbe pontcsoportjában a diszkrét logaritmus kiszámításának bonyolultságán alapul . Mivel még mindig nincsenek gyors algoritmusok az elliptikus görbék diszkrét logaritmusának kiszámítására, az elliptikus görbék használata nagymértékben felgyorsíthatja a titkosítási algoritmusokat a használt modul méretének csökkentésével . A Hasse-tétel viszont lehetővé teszi az algoritmus kellő összetettségéhez szükséges prímszám nagyságának nagyon pontos meghatározását.

Kapcsolat a helyi Riemann zeta függvénnyel

Egy mező feletti elliptikus görbe zéta-függvénye a következőképpen írható fel

,

ahol , és a projektív görbe affin pontjainak száma . A Riemann-sejtés a véges mezők feletti görbékre azt állítja, hogy egy függvény minden nullája az egyenesen fekszik, vagy ennek megfelelően kielégíti az egyenlőséget .

Könnyen kimutatható, hogy elliptikus görbékre ez a sejtés ekvivalens Hasse tételével. Valójában, ha , akkor annak a négyzetes polinomnak a gyöke, amelynek diszkriminancia a Hasse-tétel szerint. Ez azt jelenti, hogy a polinom gyökei komplex konjugált és , ami bizonyítja a Riemann-hipotézist. Ezzel szemben a Riemann-hipotézis teljesüléséhez egyenlőség tartozik , ami azt jelenti, hogy a gyökök összetett konjugáltak, ami azt jelenti, hogy a diszkrimináns nem pozitív, ami bizonyítja Hasse tételét.

Jegyzetek

  1. Artin, Emil . Quadratische Körper im Gebiete der höheren Kongruenzen. II. Analytischer Teil // Mathematische Zeitschrift  : folyóirat. - Luxemburg: Springer-Verlag , 1924. - Vol. 19, sz. 1. - P. 207-246. — ISSN 0025-5874 . - doi : 10.1007/BF01181075 . — . MR 1544652 Archiválva : 2018. szeptember 11. a Wayback Machine -nál .
  2. Hasse, Helmut . Zur Theorie der abstrakten elliptischen Funktionenkörper. I, II & III // Crelle's Journal  : folyóirat. - Berlin: Walter de Gruyter , 1936. - 1. évf. 1936. sz. 175. - ISSN 0075-4102 . - doi : 10.1515/crll.1936.175.193 . — .
  3. Hasse-féle elliptikus görbék véges mezők felett . PlanetMath . Letöltve: 2017. december 18. Az eredetiből archiválva : 2021. január 27..
  4. Bolotov A. A., Gashkov S. B., Frolov A. B., Chasovskikh A. A. Elemi bevezetés az elliptikus kriptográfiába: Algebrai és algoritmikus alapok. - M .  : KomKniga, 2006. - T. 1. - 328 p. — ISBN 5-484-00443-8 .
  5. Weil, Andre . Egyenletek megoldásainak száma véges mezőben // Bulletin of the American Mathematical Society  : folyóirat. - N. Y  .: American Mathematical Society , 1949. - Vol. 55, sz. 5. - P. 497-508. — ISSN 0002-9904 . - doi : 10.1090/S0002-9904-1949-09219-4 . MR 0029393 Archiválva : 2018. május 1. a Wayback Machine -nél

Irodalom