1 Corpuri finite. 1.1 Introducere. Reamintim mai intai

Σχετικά έγγραφα
Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

Integrala nedefinită (primitive)

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Lucrare. Varianta aprilie I 1 Definiţi noţiunile de număr prim şi număr ireductibil. Soluţie. Vezi Curs 6 Definiţiile 1 şi 2. sau p b.

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

Curs 4 Serii de numere reale

Curs 1 Şiruri de numere reale

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

Curs 7. Definiţia II Un grup G este o mulţime, împreună cu o operaţie binară

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Spatii liniare. Exemple Subspaţiu liniar Acoperire (înfăşurătoare) liniară. Mulţime infinită liniar independentă

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

O generalizare a unei probleme de algebră dată la Olimpiada de Matematică, faza judeţeană, 2013

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

Curs 2 Şiruri de numere reale

Capitolul 4 PROPRIETĂŢI TOPOLOGICE ŞI DE NUMĂRARE ALE LUI R. 4.1 Proprietăţi topologice ale lui R Puncte de acumulare

1.3 Baza a unui spaţiu vectorial. Dimensiune

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

Rădăcini primitive modulo n

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Criterii de comutativitate a grupurilor

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

Cursul Măsuri reale. D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 15

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

Lectia VI Structura de spatiu an E 3. Dreapta si planul ca subspatii ane

Aritmetică în domenii de integritate şi teoria modulelor. Note de curs

Criptosisteme cu cheie publică III

Subiecte Clasa a VII-a

Curs 7. Definiţia II Un grup G este o mulţime, împreună cu o operaţie binară

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

Matrice. Determinanti. Sisteme liniare

Orice izometrie f : (X, d 1 ) (Y, d 2 ) este un homeomorfism. (Y = f(x)).

Funcţii Ciudate. Beniamin Bogoşel

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

f(x) = l 0. Atunci f are local semnul lui l, adică, U 0 V(x 0 ) astfel încât sgnf(x) = sgnl, x U 0 D\{x 0 }. < f(x) < l +

POLINOAME ŞI ECUAŢII ALGEBRICE. Universitatea Babeş-Bolyai Facultatea de Matematică şi Informatică

CURS VII-IX. Capitolul IV: Funcţii derivabile. Derivate şi diferenţiale. 1 Derivata unei funcţii. Interpretarea geometrică.

Subiecte Clasa a VIII-a

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Curs 4. I.4 Grafuri. Grafuri orientate

INTERPOLARE. y i L i (x). L(x) = i=0

Vectori liberi Produs scalar Produs vectorial Produsul mixt. 1 Vectori liberi. 2 Produs scalar. 3 Produs vectorial. 4 Produsul mixt.

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

Capitolul II. Grupuri. II.1. Grupuri; subgrupuri; divizori normali; grupuri factor

Aritmetică. 1 Mulţimea numerelor naturale

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

SEMINARUL 3. Cap. II Serii de numere reale. asociat seriei. (3n 5)(3n 2) + 1. (3n 2)(3n+1) (3n 2) (3n + 1) = a

EDITURA PARALELA 45 MATEMATICĂ DE EXCELENŢĂ. Clasa a X-a Ediţia a II-a, revizuită. pentru concursuri, olimpiade şi centre de excelenţă

riptografie şi Securitate

Să se arate că n este număr par. Dan Nedeianu

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

Matematici în Criptografie. Adrian Atanasiu

Laborator 1: INTRODUCERE ÎN ALGORITMI. Întocmit de: Claudia Pârloagă. Îndrumător: Asist. Drd. Gabriel Danciu

CURS 11: ALGEBRĂ Spaţii liniare euclidiene. Produs scalar real. Spaţiu euclidian. Produs scalar complex. Spaţiu unitar. Noţiunea de normă.

MULTIMEA NUMERELOR REALE

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

Principiul Inductiei Matematice.

a) (3p) Sa se calculeze XY A. b) (4p) Sa se calculeze determinantul si rangul matricei A. c) (3p) Sa se calculeze A.

Spaţii vectoriale. Definiţia 1.1. Fie (K, +, ) un corp şi (V, +) un grup abelian.

CURS XI XII SINTEZĂ. 1 Algebra vectorială a vectorilor liberi

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Corpuri cu divizori primi. Costel Gabriel Bontea

Examen AG. Student:... Grupa:... ianuarie 2011

Varietăţi algebrice. 1.1 Definiţia spaţiului proiectiv şi primele proprietăţi

Principiul incluziunii si excluziunii. Generarea şi ordonarea permutărilor. Principiul porumbeilor. Pri

PENTRU CERCURILE DE ELEVI

Seminar Algebra. det(a λi 3 ) = 0

z a + c 0 + c 1 (z a)

1. Mulţimi. Definiţia mulţimii.

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Introducere 3. I. Algebră şi Geometrie 4. 1 Structuri algebrice: monoizi, grupuri, inele, corpuri 5. 2 Polinoame 44

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

Nicolae Cotfas ELEMENTE DE EDITURA UNIVERSITĂŢII DIN BUCUREŞTI

Al cincilea baraj de selecţie pentru OBMJ Bucureşti, 28 mai 2015

METODA FUNCTIILOR GENERATOARE

2 Fracţii continue Fracţii continue finite Fracţii continue infinite Fracţii continue periodice... 43

Probleme pentru clasa a XI-a

GRADUL II n α+1 1

Concurs MATE-INFO UBB, 25 martie 2018 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Demonstraţie: Să considerăm polinomul {f(x)} asociat cuvântului - cod: f(x) = h(1) + h(α)x h(α n 1 )X n 1 = a 0 (1 + X + X

3. Vectori şi valori proprii

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

6 n=1. cos 2n. 6 n=1. n=1. este CONV (fiind seria armonică pentru α = 6 > 1), rezultă

CURS 5 Spaţii liniare. Spaţiul liniar R n

1 Preliminarii. M 3, (a b) c = a (b c) (notăm a b c, obţinând astfel şi x 1 x 2... x n

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

CONCURSUL DE MATEMATICĂ APLICATĂ ADOLF HAIMOVICI, 2017 ETAPA LOCALĂ, HUNEDOARA Clasa a IX-a profil științe ale naturii, tehnologic, servicii

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Transcript:

1 Corpuri finite. 1.1 Introducere Reamintim mai intai Definiţie 1 Se numeşte corp un inel comutativ (K,+, ) cu proprietatea ca orice element nenul x din k este inversabil, i.e. există x 1 k astfel încât x x 1 = 1. Exemple. a) Q,R,C. b ) Inelul numerelor intregi Z nu este corp, deoarece nu toate elementele nenulesuntinversabile(deexemplu,2unesteinversabilinzdeoarece 1 2 Z). c) Fie n N ; atunci inelul Z n este corp daca is numai daca n este numar prim. Ne putem pune problema cum construim noi exemple de corpuri pentru aceasta, sa reanalizam doua exemple clasice: corpul numerelor complexe si corpurilez p cupnumarprim. Defapt, corpulcesteconstruitcasimultimea tutror polinoamelor de grad 1 cu coeficienti reali, C = {a + bx a,b R} cu mentiunea ca inmultirea nedeterminatei X cu ea insasi nu se face ca la polinoame, X X = x 2 ci are loc relatia X 2 = 1. Aceasta ne arata ca de fapt, structura de corp a lui C se mai poate obtien si astfel: consideram inelul tutror polinoamelor, R[X] pe care definim o relatie de echivalenta astfel: doua polinoamef,g leconsideramechivalentedacasinumaidacaf sig dauacelasi rest la impartirea cu x 2 +1. Cu alte cuvinte, ca sa construim C facem exact acelasi procedeu ca si la constructia inelului claselor de resturi modulo n,z n : acolo consideram inelul Z si puneam doua numere intregi k 1,k 2 in relatie de echivalenta daca si numai daca resturile impartirii lui k 1 si k 2 la n sunt egale. Sa revedem acum de ce obtineam corpuri. În cazul lui C, fie f 0, i.e. restul impartirii lui f la x 2 + 1 nu e nul. Acesta e un alt mod de a spune ca x 2 +1 nu divide f; cum x 2 +1 este ireductibil in R[X] vedem ca cel mai mare divizor comun al lui f si X 2 +1 este 1, (f,x 2 +1) = 1. Din faptul ca algoritmul lui Euclid se aplica in R[X] deducem ca exista doua polinoame P,Q R[X] astfel încât fp +(x 2 +1)Q = 1, ceea ce implica faptul ca restul imaprtirii lui P la X 2 +1 va da un invers pentru f (vazut ca numar complex). Exact acelasi rationament se aplica in cazul lui Z p cu p numar prim! Daca luam f un numar intreg astfel incat restul impartirii lui f la p e nenul, deducem ca p nu divide pe f; cum p e prim,vedem ca (f,p) = 1 deci exista doua 1

numere intregi P,Q astfel încât fp +pq = 1; deducem ca restul imaprtirii lui P la p este invers pentru f. Ca ater, putem sa inventam alte exemple de corpuri in felul urmator: luam un inel A(comutativ) in care algoritmul lui Euclid se aplica, consideram p A un element prim, si luam multimea claselor de resturi la impartirea cu p, fie ea A/(p). Atunci A/(p) va avea o structura canonica de corp. 1.2 Corpuri finite arbitare. Din cele de mai sus, vedem ca putem forma noi corpuri, de exemplul, astfel: fixam p un numar prim, si fie f Z P [X] un polinom ireductibil. Atunci multimea claselor de resturi modulo f, Z p [X]/(f) va fi un corp. Exemplu. PolinomulX 2 +1 Z 3 [X]esteireductibil; aceastaestesimplu de vazut, deoarece daca f ar fi reductibil, ar avea un factor de gradul intai, deci ar avea o radacina. Dar calculand direct, gasim f( 0) = 1,f( 1) = f( 2) = 2 0. Ca atare, multimea claselor de resturi modulo f, Z 3 [X]/(f) va fi un corp. Sa remarcam ca aceasta multime are 9 elemente, mai exact Z 3 [X]/(f) = { 0, 1, 2,i,i+ 1,i+ 2, 2i, 2i+ 1, 2i+ 2}. Am utilizat aceeasi conventie de la numere complexe, de a utiliza i in loc de X. Are loc deci: Teorema 1 Fie p un numar prim si f Z p [X] un polinom ireductibil de grad n. Atunci Z p [X]/(f) este un corp cu p n elemente. Exercitiu. Fie f = X 2 +X +1 Z 5 [X]. a) Aratati ca f este ireductibil. b) Gasiti inversul elementului g = 1+i in corpul Z 5 [X]/(f). (Am notat cu i clasa lui X in corpul Z 5 [X]/(f). Ne putem pune problema: Cate corpuri finite putem construi prin metoda de mai sus, pornind de la corpurile finite de baza Z p? Pentru a o rezolva, avem nevoie de cateva rezultate teoretice pe care le admitem fara demonstratie. Reamintim mai intai urmatoarea notiune. 2

Definiţie 2 Un corp k se numeste corp algebric inchis daca orice polinom f k[x] are cel putin o radacina in k. Exemplu. Corpul numerelor complexe este algebric inchis ( Teorema fundamentala a algebrei ). Observatie. Avand in vedere teorema lui Bezout, definitia corpului algebric inchis se mai poate formula si astfel: singurele polinoame ireductibile din k[x] sunt cele de gradul intai Are loc urmatoarea Teorema 2 Pentru orice corp k exista un corp L astfel incat k L si L este algebric inchis. Fie acum k un corp fixat si L k un corp algebric inchis. Vom nota S = {L L L,L = algebric inchis, L k}; fie k L = L SL. Atunci k este cel mai mic (in sensul incluziunii) corp algebric inchis ce contine k : el se numeste inchiderea algebrica a lui k Se poate demonstra ca pentru orice doua corpuri algebric inchise L 1,L 2 k exista un izomorfism de corpuri k L1 k L2 cu alte cuvinte inchiderea algebrica a lui k nu depinde de alegerea corpului L. Ca atare, vom ignora de-acum inainte indiciele L si vom nota inchiderea algebrica doar prin k. Exemplu. R = C. O alta notiune de care vom avea nevoie este urmatoarea. Definiţie 3 Fie k un corp, k = inchiderea sa algebrica. Fie f k[x]; vom nota S f = {L L k,fare toate radacinile in L} si vo pune k f = L SL. Corpul k f se va numi corp de descompunere al lui f. Evident, corpul K f este unic. Putem acum demonstra urmatoarea Teorema 3 Pentru orice p =numar prim si orice n 1 numar natural, exista un corp finit cu p n elemente. Acest corp e unic pana la un izomorfism. 3

Demonstraţie. Pentru existenta procedam astfel. Fie f n Z p [X] polinomul f n = X pn X. Fixam k o inchidre algebrica a lui Z p si fie K n = {x k f n (x) = 0}. Cu alte cuvinte, K n este multimea tuturor radicinilor lui f n. Observam mai intai ca K n are p n elemente; pentru aceasta, cum gradul lui f n este p n, e suficient sa arat ca f n nu are radacini multimple. Stim ca daca α este o radacina multipla a unui polinom arbitrar f atunci f (α) = 0 Dar f (X) = p n X pn 1 1 deci f n(α) = 1 deoarece pα = 0. Afirm ca multimea K n este un corp. Pentru aceasta, fiind o multime finita, e suficient sa arat ca este inchisa la adunare si la inmultire. Evident ca daca α,β sunt radacini ale lui f n atunci α pn = α,β pn = β de unde prin inmultire membru cu menru deducem (αβ) pn = αβ, deci K n este inchis la inmultire. Pe de alta parte, (α+β) pn = α pn +β pn de unde deducem imediat ca α+β K n. Exercitii. 1. a) Aratati ca polinoamele f = X 2 +1 Z 3 [X] si g = X 3 +X 2 +1 Z 5 [X] sunt ireductibile. b) Utilizand eventual punctul a), aratati ca polinomul este ireductibil. F = X 4 +12X 3 +11X 2 +6X +1 Z[X] 2 Algoritmul Berlekamp 2.1 Morfismul Frobenius. Am vazut ca orice corp finit are cardinalul de forma p n. Pentru a demonstra ca invers, dat fiind nu numar natural n si un numar prim p, exista un corp cu q = p n elemente am invocat o serie de rezultate de algebra; existenta inchiderii algebrice si existenta corpurilor de descompunere. Mai exact, am aratat ca putem contrui un corp cu p n elemente ca si corpul de descompunere al polinomului X pn X; mai mult, am vazut ca de fapt corpul de descompunere al acestui polinom este corpul formt cu toate radacinile sale. 4

Vom demonstra in continuare ca orice doua corpuri cu acelasi cardinal sunt de fapt izomorfe. Mai mult, vom arata ca daca fixam o inchidere algebrica F p a lui F p atunci exista UN UNIC subcorp L F p cu cardinal card(l) = p n. Pentru aceasta avem nevoie de o serie de rezultate. Teorema 4 ( Teorema de structura a grupurilor abeliene finit generate ). Pentru orice grup abelian G finit generat există numerele naturale r şi n 1,...,n t astfel încât G Z r Z n1... Z nt. (1) Un alt rezultat fundamental de care vom avea nevoie este Teorema 5 ( Lema chineza a resturilor ) Fie m,n N. Daca (m,n) = 1 atunci Z mn Z m Z n. Remarcă. Lema chineza ne arata că descompunerea din (1) nu este neaparat unica; de exemplu, Z 6 Z 2 Z 3. Exerciţiu. Arătati ca nu putem suprima conditia ca (m, n) = 1 din enuntul Lemei Chineze a resturilor; mai exact, aratati ca grupurile Z p 2 si Z p Z p NU sunt izomorfe. Reamintim ca un grup abelian G se numeste ciclic daca există un element g G astfel încât G =subgrupul generat de g (cu alte cuvinte, daca pentru orice x G există n Z astfel încât g = nx.). Din teorema factorilor invarianti vedem ca un grup ciclic este fie izomorf cu Z fie izomorf cu un Z n. Lema 1 Fie G un grup abelian finit. Dacă pentru orice n N multimea Tors n (G) = {x G nx = 0} are cel mult n elemente, atunci G este ciclic. Demonstraţie. Din teorema de structura, putem prespune ca G este de forma G = Z n1... Z nt. Dacă arătăm că pentru orice doi indici i,j = 1,...,t distincti avem ca (n i,n j ) = 1 atunic din Lema chineza va rezulta ca 5

G Z n1...,n t deci G este ciclic. Modulo o renumerotare, putem presupune ca n = (n 1,n 2 ) > 1. Fie m 1 = n 1 n,m 2 = n 2 n. Atunci in grupul Z n1 = {â a Z} exista cel putin n elemente ˆx astfel încât nˆx = ˆ0; mai exact, vedem că elementele multimii A 1 = { m 1, 2m 1,..., (n 1)m1, 0} suntdistincteşiauproprietateadorita. Analog, grupulz n2 = {[a] a Z}are cel putin n elemente anulate de n : A 2 = {[m 2 ],[2m 1 ],...,[(n 1)m 2 ],[0]}. Deducem ca in grupul G exista cel putin n 2 elemente anulate de n, mai exact toate elmentele de forma {(ˆx,[y],0,...0) ˆx A 1,[y] A 2 } Acum putem demonstra urmatorul rezultat, extrem de util in aplicatii: Teorema 6 Fie K un corp, G (K, ) un grup finit. Atunci G este ciclic, i.e. există n N a.i. G Z n. Demonstraţie. Aplicăm lema anterioara grupului G; pentru aceasta e suficientsaobservamcapentruoricen N, Tors n (G) = {x G x n 1 = 0} are cel mult n elemente, deoarece polinomul X n 1 are gradul n. 2.2 Algoritmul Berlekamp. Problemă. Dat un polinom f F q [X] să găsim un factor netrivial al său. Remarca Putem presupune ca f nu are factori multipli, altfel f este fie o putere p (in cazul in care derivata sa e nula) fie gasim un divizor al sau calculand gcd(f,f ). Idee: să căutăm un polinom g a.i. g q (X) g(x)(modf(x)) (2) Okay, sa presupunem ca am gasit un polinom g ca mai sus. Atunci calculand succesiv 6

gcd(f(x),g(x) s) (3) pentru toate valorile s F q vom gasi un factor al lui g(x) (sau vom demonstra ca g este ireductibil, daca toti factorii de mai sus sunt de grad 1 sau n). Aceasta rezulta astfel: daca F este un factor ireductibil netrivial al lui f atunci alegem α o radacina a lui F (din inchiderea algebrica a lui F q ). Avem ca f(α) = 0 deci din relatia (2) gasim g(α) q = g(α) deci g(α) F q. Fie s = g(α); deducem deci ca F divide g(x) s deci F divide gcd(f(x),g(x) s). Determinarea unui polinom g ca in relatia (2). Exemplu. Să studiem polinomul f(x) = X 4 +1 F 3 [X]. Varianta 1; brute force. Analizăm mai intai daca f are un factor liniar; cum f(0) = 1,f(1) = f( 1) = 1 deducem că nu e cazul. Studiem apoi existenta factorilor (automat ireductibili!) de grad doi. Lista tuturor polinoamelor (monice) de grad doi din F 3 [X] este {X 2,X 2 ±1,X 2 ±X,X 2 ±X ±1}. Dintre acestea doar polinoamele X 2 X 1 si X 2 +X 1 sunt ireductibile, restul avand radacini. Impartind f la X 2 +X 1 constatam ca avem f(x) = (X 2 +X 1)(X 2 X 1). Varianta 2; Berlekamp. Cautam mai intai un polinom g(x) ca in (2). Fie g(x) = ax 3 +bx 2 +cx +d. Atunci g 3 (X) = ax 9 +bx 6 +cx 3 +d. Avem: X 9 X(modf), X 6 X 2 (modf) deci g 3 (X) cx 3 bx 2 +ax+d(modf). Ca atare, trebuie ca (c a)x 3 2bX 2 +(a c)x 0(modf). Putem ca atare lua a = c = 1,b = 0 si gasim ca g(x) = X 3 +X satisface (2). Acum avem succesiv: gcd(f(x),x 3 +X) = 1; gcd(f(x),x 3 +X +1) = X 2 +X 1; gcd(f(x),x 3 +X 1) = X 2 X 1. Deducem factorizarea de la varianta anterioara. 7