Cílové pole

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 7. dubna 2022; kontroly vyžadují 5 úprav .

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] .

Definice a vlastnosti

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:

Pole s prvočíslem prvků

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 .

Vztah ke zbytkovým kruhům

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 : .

Charakterizace konečných těles

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] .

Konstrukce

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]

Příklady

Pole dvou prvků

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]

+ 0 jeden
0 0 jeden
jeden jeden 0
× 0 jeden
0 0 0
jeden 0 jeden
S běžnou aritmetikou Tato logika je základem binárního systému počítačů (pole ) (počítače).
+ F T
F F T
T T F
× F T
F F F
T F T

Tato pole jsou navzájem izomorfní , to znamená, že se ve skutečnosti jedná o dva různé způsoby určení stejného pole.

Pole tří prvků

Pole . Sčítání a násobení jsou definovány jako sčítání a násobení čísel modulo 3. Operační tabulky jsou:

+ 0 jeden 2
0 0 jeden 2
jeden jeden 2 0
2 2 0 jeden
× 0 jeden 2
0 0 0 0
jeden 0 jeden 2
2 0 2 jeden

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 čtyř prvků

Pole může být reprezentováno jako množina (kde  je kořen polynomu nad polem , tj . ). Operační tabulky vypadají takto: [17]

+ 0 jeden
0 0 jeden
jeden jeden 0
0 jeden
jeden 0
× 0 jeden
0 0 0 0 0
jeden 0 jeden
0 jeden
0 jeden

Pole devíti prvků

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] .

Multiplikativní skupina polí 16 prvků

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)

Historie studia

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] .

Galoisův příspěvek

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] .

Další vývoj

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] .

Aplikace

Diofantické rovnice

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] .

Teorie opravných kódů

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] .

Kryptografie

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] .

Různé

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] .

Viz také

Poznámky

  1. 1 2 Lidl, Niederreiter, 1988 , str. 68.
  2. 1 2 3 Lidl, Niederreiter 1988 , str. 66.
  3. 1 2 3 4 Lidl, Niederreiter, 1988 , str. 5.
  4. 1 2 Diffie, Hellman, 1976 .
  5. 1 2 3 Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vjaly. Diskrétní analýza. Základy vyšší algebry. - M. : MZ Press, 2007. - S. 151. - 224 s.
  6. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 69-70.
  7. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 71.
  8. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 119.
  9. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 121.
  10. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 65.
  11. Egorov A. A. Modulo srovnání a zbytková aritmetika  // Kvant . - 1970. - č. 5 . - S. 28-33 .
  12. Vinberg, 2011 , str. 32.
  13. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 67-68.
  14. Vinberg, 2011 , str. 409.
  15. Lidl, Niederreiter 1988 , str. 51, 66.
  16. Gabidulin E. M., Kshevetsky A. S., Kolybelnikov A. I., Vladimirov S. M. Informační bezpečnost. Tutorial. Verze ze dne 22. listopadu 2015 . - S. 249.
  17. 1 2 Mullen, Gary L.; Panario, Daniel. Příručka konečných polí. - CRC Press, 2013. - ISBN 978-1-4398-7378-6 .
  18. Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vjaly. Diskrétní analýza. Základy vyšší algebry. - M. : MZ Press, 2007. - S. 152. - 224 s.
  19. Lidl, Niederreiter 1988 , str. deset.
  20. Evariste Galois (1830), Sur la théorie des nombres  (francouzsky) . Bulletin des sciences mathématiques de M. Ferussac 13, str. 428-435 (1830).
  21. Bourbaki N. Eseje o dějinách matematiky / přel. od fr. I. G. Bašmaková, ed. K. A. Rybníková. - M. : IL, 1963. - S. 102.
  22. Izrael Kleiner. Historie abstraktní algebry  . - Birkhäuser, 2007. - S.  70 . — 168p. — ISBN 978-0-8176-4684-4 .
  23. G. Frei. Nepublikovaný oddíl osmý: Na cestě k fungování polí nad konečným  polem . - Goldstein Schappacher Schwermer, 2007. - S. 159-198.
  24. Moore, Eliakim Hastings. Dvojitý nekonečný systém jednoduchých grup  (anglicky)  // Chicago Congr. doklady. - 1896. - S. 208-242. Archivováno z originálu 19. listopadu 2015.
  25. H. Weber, "Die allgemeinen Grundlagen der Galois'schen Gleichungstheorie", Mathematische Annalen, sv. 43, 1893, str. 521-549.
  26. Ernst Steinitz, "Algebraische Theorie der Körper", Journal für die reine und angewandte Mathematik, sv. 137, 1910, str. 167-309 (ISSN 0075-4102).
  27. Yu. I. Zhuravlev, Yu. A. Flerov, M. N. Vjaly. Diskrétní analýza. Základy vyšší algebry. - M. : MZ Press, 2007. - S. 38. - 224 s.
  28. R. Dedekind , Supplement XI des Leçons en théorie des nombres de Dirichlet, 1894.
  29. Shannon, K. Matematická teorie komunikace // Práce z teorie informace a kybernetiky. - M . : Nakladatelství zahraniční literatury, 1963. - S. 243-332.
  30. ↑ 1 2 Hamming, K. Kódy s detekcí a opravou chyb. - M . : Nakladatelství zahraniční literatury, 1956. - S. 7-23.
  31. Golay MJE Poznámky k digitálnímu kódování  // Proceedings IRE. 1949. V. 37, S. 657.
  32. O. S. Zenzin, M. A. Ivanov. Kryptografický bezpečnostní standard je AES. Koncová pole . - KUDITS-Obraz, 2002. - S.  41 -78. — 176 s. — ISBN 5-93378-046-4 .
  33. Anatolij Bolotov, Sergej Gashkov, Alexander Frolov, Anatolij Chasovskikh. Základní úvod do eliptické kryptografie. Algebraické a algoritmické základy. - KomKniga, 2006. - S. 390 - 398. - 527 s. — ISBN 5-484-00443-8 .
  34. M. Rabin , Pravděpodobnostní algoritmus pro testování primality, J. Číslo Th. 12 (1980), 128-138.
  35. Bose RC, Ray-Chaudhuri DK O třídě binárních skupinových kódů opravujících chyby // Inform. řízení. - sv. 3. - březen 1960. - str. 68-79.

Literatura