Konečné pole nebo Galoisovo pole v obecné algebře je pole sestávající z konečného počtu prvků ; toto číslo se nazývá pořadí pole.
Konečné pole se obvykle označuje nebo (zkratka pro anglické Galois field ) a nazývá se Galois field of order , kde je počet prvků pole [1] . Až do izomorfismu je konečné pole zcela určeno svým řádem, který je vždy mocninou nějakého prvočísla , tedy kde je prvočíslo a je libovolné přirozené číslo . V tomto případě se bude jednat o charakteristiku tohoto oboru [2] .
Pojem konečného tělesa se používá v teorii čísel [3] , teorii grup [3] , algebraické geometrii [3] , kryptografii [4] .
Konečné těleso je konečná množina , na které jsou definovány libovolné operace, nazývané sčítání , násobení , odčítání a dělení (kromě dělení 0) v souladu s axiomy pole [5] .
Multiplikativní grupa konečného pole je cyklická . To znamená, že všechny nenulové prvky pole tvoří grupu s ohledem na operaci násobení (tato grupa se nazývá multiplikativní grupa pole a značí se ). Tato skupina je cyklická , to znamená, že má generující prvek , a všechny ostatní prvky získáme zvýšením výkonu generátoru [5] . To znamená, že existuje generující prvek takový, že pro any , můžeme napsat:
.
Generujícímu prvku se také říká primitivní prvek pole Pole obsahuje primitivní prvky, kde je Eulerova funkce . [6]
Pole má také řadu dalších vlastností:
Jakékoli pole prvořadého řádu může být reprezentováno zbytkovým kruhem (tj. jakékoli pole prvků je izomorfní se zbytkovým kruhem ). Nejznámějším příkladem konečného tělesa je těleso tříd zbytků modulo a prvočíslo , označované [10] . Toto pole může být reprezentováno následovně. Pro prvočíslo budou prvky pole čísla . Sčítání a násobení jsou definovány jako sčítání a násobení čísel s modulo redukcí výsledku [11] . Následují příklady takových polí se dvěma prvky a třemi prvky .
Konečná pole a zbytkové prstence by se neměly zaměňovat . Pouze když je exponent prvočíslo , je zbytek prstencem pole. [12]
Pro n > 1 zbytkový kruh není pole. Příklad.
V poli pro jakýkoli prvek je true . V kruhu , počítání , dostaneme 0 pouze ve dvou případech, kdy . Tento prsten má nulové dělitele : .Charakteristikou každého konečného tělesa je prvočíslo. Nechť je konečné pole. Pak se skládá z prvků, kde je charakteristika pole , a přirozené číslo je míra pole nad jeho jednoduchým podpolem [2] .
Podle teorému o existenci a jedinečnosti konečných těles pro každé prvočíslo a přirozené číslo existuje konečné pole prvků a jakékoli konečné pole prvků je izomorfní s polem rozkladu polynomu nad polem . Tato věta nám umožňuje mluvit o dobře definovaném poli daného řádu (tj. Galoisově poli prvků ) [13] .
Pole pro n > 1 může být sestrojeno jako podílový kruh , kde je ireducibilní polynom stupně n nad polem . Ke konstrukci pole z prvků tedy stačí najít polynom stupně , který je nad polem neredukovatelný (takový polynom vždy existuje). Prvky pole jsou zbytkové třídy polynomů nižšího stupně s koeficienty z modulo hlavního ideálu generovaného polynomem .
Prvek je kořenem polynomu a pole je generováno tímto prvkem nad polem , takže přechod z pole do pole se nazývá spojení kořene neredukovatelného polynomu s polem . [14] [15]
Pole se skládá ze dvou prvků, ale může být specifikováno různými způsoby v závislosti na volbě prvků a definici operací sčítání a násobení na nich: [16]
|
|
|
|
Tato pole jsou navzájem izomorfní , to znamená, že se ve skutečnosti jedná o dva různé způsoby určení stejného pole.
Pole . Sčítání a násobení jsou definovány jako sčítání a násobení čísel modulo 3. Operační tabulky jsou:
|
|
Zbytky z dělení 3 tvoří ze tří prvků (kde protože pro zbytky z dělení 3).
Zbytek dělení 4 poli netvoří, protože prvek 2 nemá inverzní.
Pole může být reprezentováno jako množina (kde je kořen polynomu nad polem , tj . ). Operační tabulky vypadají takto: [17]
|
|
Ke konstrukci pole stačí najít normalizovaný polynom stupně 2, který je neredukovatelný přes . Tyto polynomy jsou:
Pro , existuje požadované pole (pokud místo toho vezmeme jiný polynom , dostaneme nové pole izomorfní ke starému). V níže uvedených tabulkách symbol označuje třídu ekvivalence polynomu ve faktorovém kruhu , který splňuje rovnici .
Přídavná tabulka je určena na základě poměru :
+ | 0 | jeden | 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | jeden | 2 | ||||||
jeden | jeden | 2 | 0 | ||||||
2 | 2 | 0 | jeden | ||||||
0 | jeden | 2 | |||||||
jeden | 2 | 0 | |||||||
2 | 0 | jeden | |||||||
0 | jeden | 2 | |||||||
jeden | 2 | 0 | |||||||
2 | 0 | jeden |
Násobící tabulka v je určena z poměru :
× | 0 | jeden | 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
jeden | 0 | jeden | 2 | ||||||
2 | 0 | 2 | jeden | ||||||
0 | 2 | jeden | |||||||
0 | jeden | 2 | |||||||
0 | jeden | 2 | |||||||
0 | jeden | 2 | |||||||
0 | 2 | jeden | |||||||
0 | 2 | jeden |
Prvek má řád 8 a je primitivní. Prvek není primitivní, protože (jinými slovy, polynom není primitivní ) [17] .
Když je pole konstruováno pomocí ireducibilního polynomu , prvky expanze jsou dány sadami koeficientů polynomu, jehož výsledkem je zbytek, když je děleno , zapsané ve vzestupném pořadí mocnin. Multiplikativní grupa je generována prvkem , který je zapsán jako (0, 1, 0, 0) [18] .
Polynom | Stupeň | |
---|---|---|
jeden | (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) |
Počátky teorie konečných polí sahají do 17. a 18. století . Na tomto tématu pracovali vědci jako Pierre Fermat , Leonard Euler , Joseph Louis Lagrange a Adrien Marie Legendre , které lze považovat za zakladatele teorie konečných polí prvořadého řádu. Větší zajímavostí je však obecná teorie konečných polí, pocházející z prací Gausse a Galoise [19] . Do určité doby byla tato teorie používána pouze v algebře a teorii čísel, ale následně byly nalezeny nové styčné body s algebraickou geometrií , kombinatorikou a teorií kódování [3] .
V roce 1830 publikoval osmnáctiletý Evariste Galois článek [20] , který položil základ obecné teorii konečných polí. V tomto článku Galois (v souvislosti s výzkumem teorie permutačních grup a algebraických rovnic [21] ) zavádí imaginární srovnávací kořen , kde je libovolný polynom stupně neredukovatelného modulo p . Poté se uvažuje obecný výraz , kde jsou některá celá čísla modulo p . Pokud těmto číslům přiřadíte všechny možné hodnoty, výraz nabude hodnot. Dále Galois ukazuje, že tyto hodnoty tvoří pole a multiplikativní skupina tohoto pole je cyklická. Tato práce je tedy prvním kamenem v základu obecné teorie konečných polí. Na rozdíl od svých předchůdců, kteří uvažovali pouze o polích , Galois již uvažuje o polích , kterým se na jeho počest začalo říkat Galois field [22] .
První dílo v tomto směru napsal Gauss kolem roku 1797, ale za jeho života nebyla tato studie nikdy publikována. Tuto studii pravděpodobně editor jeho spisů ignoroval, a tak se tato práce objevila až v posmrtném vydání v roce 1863 [23] .
V roce 1893 matematik Eliakim Moore dokázal větu o klasifikaci konečných těles, která tvrdila, že každé konečné pole je Galoisovo pole , to znamená, že jakékoli pole prvků je izomorfní s polem zbytkových tříd polynomů s koeficienty modulo neredukovatelným polynomem. stupně [24] . První pokus o axiomatický přístup k teorii konečných polí patří do téhož roku, který provedl Heinrich Weber , který se ve své práci pokusil zkombinovat pojmy, které vznikly v různých odvětvích matematiky, včetně konceptu konečného pole. [25] . Dále v roce 1905 Joseph Wedderburn dokazuje Wedderburnovu malou větu , že každé konečné těleso je komutativní, to znamená, že je polem. Moderní axiomatická definice pole (s konečnými poli jako speciálním případem) je zásluhou Ernsta Steinitze a prezentovaná v jeho práci z roku 1910 [26] .
Diophantine rovnice je rovnice s celočíselnými koeficienty, ve kterých proměnné také nabývají celočíselných hodnot. Velkou vlnu diskusí o takových rovnicích vyvolal Fermat , který formuloval své věty. Fermatova malá věta říká, že jestliže je prvočíslo, které není dělitelem jiného čísla , pak . V teorii konečných polí je tato věta důsledkem Lagrangeovy věty , aplikované na multiplikativní podgrupu generovanou prvkem , protože celá multiplikativní grupa polí se skládá z prvků [5] .
Fermat si všimne, že jediná prvočísla, která lze rozložit na součet dvou čtverců, jsou ta prvočísla, která při dělení 4 dávají zbytek 1. Zejména poznamenává, že
Ve svém dopise Marinu Mersennovi z 25. prosince 1640 Fermat navrhuje vyřešit rovnici [27] .
Julius Dedekind studoval tuto rovnici v konečném poli , kde má tvar . Pokud , pak je řešení triviální. Jinak můžete obě části vydělit a zavedením náhrady získat rovnici ve tvaru . Vynásobením číslem dostaneme rovnici . Za předpokladu , že generátor je multiplikativní podgrupa řádu 4, lze získat nezbytné a dostatečné podmínky na p , za kterých má rovnice řešení. Další důkaz Fermat-Eulerovy věty , který provedl Dedekind, nepoužívá koncept konečných těles a lze jej nalézt v odpovídajícím článku [28] .
Za rok vzniku teorie korekčních kódů je považován rok 1948 , ve kterém byl publikován článek Clauda Shannona , ve kterém ukazuje, že přítomnost chyb v přenosu informací jakýmkoliv kanálem závisí mimo jiné na poměr přenosové rychlosti a kapacity kanálu. Přenosová rychlost musí být vyšší než šířka pásma. Shannon poskytl důkazy, ale ty byly prohlášeny za neplatné [29] .
Konstruktivní přístup navrhl Richard Hamming , čímž stanovil vektor pro vývoj mnoha pozdějších článků na toto téma. Hamming ve své práci vybudoval jednoduchý kód , který určitým způsobem opravuje chyby. Hamming uvažoval o opravných kódech pouze přes pole [30] . Brzy byly podobné kódy sestrojeny nad libovolnými konečnými poli Golayem v roce 1949 [31] . Největší příspěvek k této teorii však patří Hammingovi [30] .
Konečná pole získala nejširší uplatnění v kryptografii. Článek Diffieho a Helmana o kryptografii s veřejným klíčem, který navrhl protokol pro výměnu klíčů [4] , je považován za klíčovou práci . V této práci byla použita konečná pole určitého typu. Později se objevila celá řada kryptografických protokolů a kryptosystémů založených na použití konečných polí. Patří mezi ně schéma ElGamal , Advanced Encryption Standard [32] , Schnorr schéma , Chaumův algoritmus (slepý podpis) , kryptosystém XTRa mnoho dalších. Algoritmy eliptických křivek , které jsou jedním z klíčových objektů studia v moderní kryptografii, také využívají konečná pole [33] .
Také kvalita šifrování často závisí na schopnosti rychle generovat velká prvočísla. V souladu s tím vyvstává úkol sestrojit algoritmus pro rozklad čísla na prvočinitele (určující jednoduchost konkrétního čísla). Michael Rabin publikoval studii, ve které navrhuje test primality založený na vlastnostech multiplikativní skupiny polí [34] .
V roce 1960 publikovali R. K. Bowes a D. K. Roy-Chowdhury článek, ve kterém studovali rodiny polynomů nad konečnými poli. A. Hockwingham jejich teorii zobecnil, což vedlo k vytvoření kódu BCH , jehož speciálním případem je známý Reed-Solomonův kód , který má velmi široké uplatnění. Používá se při zápisu a čtení v řadičích RAM , při archivaci dat, zápisu informací na pevné disky ( ECC ), zápisu na disky CD/DVD. Je pozoruhodné, že pokud je poškozeno značné množství informací nebo je poškozeno několik sektorů diskového média, kód Reed-Solomon vám umožní obnovit většinu ztracených informací. BCH kód se také používá v komunikačním systému některých sond NASA (jako je Voyager ) [35] .