801698S KRYPTOGRAFIA. Tapani Matala-aho
|
|
- Niko Lahti
- 6 vuotta sitten
- Katselukertoja:
Transkriptio
1 801698S KRYPTOGRAFIA Tapani Matala-aho 6. tammikuuta 2015
2 Sisältö 1 Yleistä 2 2 Työkaluja Asymptoottisesti sama ISO OO Kongruenssi Yksikköryhmä Eulerin funktio Euler-Fermat Eräs kongruenssiryhmä Kiinalainen jäännöslause Tuloksia ryhmistä Syklisten ryhmien perusteita Sovelluksia ja esimerkkejä Nopeaa potenssilaskentaa Diskreetti logaritmi kertolaskuryhmässä Kryptausjärjestelmiä A. Diffie-Hellman avaimenvaihto Diffie-Hellman ongelma B. ElGamal kryptausjärjestelmä C. Allekirjoituksista ElGamal allekirjoitussysteemi Hash-funktio DSA/FIPS
3 5.3.4 DSA GOST Äärelliset kunnat Äärellisten kuntien teoriaa Kuntalaajennukset Äärellisten kuntien konstruointi Lisää polynomeista 46 8 Affiinit ja projektiiviset tasokäyrät Affiinit avaruudet Projektiiviset avaruudet Projektiivisen tason geometrisia tulkintoja Algebralliset joukot, tasokäyrät Elliptiset käyrät Tapaus char K = 2, E(L) on ryhmä Tapaus char K = 2, Yhteenlaskuryhmän kertaluvuista Kryptausjärjestelmiä/Elliptiset käyrät Diffie-Helmann avaimenvaihto/elliptinen analogia Elgamal/elliptinen analogia Menezes-Vanstone järjestelmä Ryhmän E(L) rakenne Karakteerit
4 Ryhmän E(L) kertaluvusta (Ei vaadita tentissä) Ryhmän E(L) rakenteesta Projektiiviset yhteenlaskukaavat Elliptinen käyrä renkaan yli Elliptisen käyrän alkulukutesti Lenstran tekijäalgoritmi (Ei vaadita tentissä) Kertausta projektiivisen tason P 2 (K) suorista Merkintöjä ja työkaluja Lukujoukot Sekalaisia merkintöjä Porrasfunktiot Tärkeitä kaavoja Algebrallisia rakenteita Puoliryhmä, monoidi Ryhmä, Abelin ryhmä, Group Rengas, Ring Kokonaisalue, Integral Domain Kunta, Field POTENSSI MONIKERTA Rengashomomorfiat Kunnista Karakteristika Kuntalaajennus Kuntatorni
5 16.9 Hieman polynomialgebraa Jako- ja Eukleideen algoritmit kokonaisalueessa
6 1 Yleistä KRYPTOGRAFIA S (5 op) Luennoilla tutkitaan salaus-, avaimenvaihto- ja allekirjoitusjärjestelmiä sekä niiden perustana olevia matemaattisia, lähinnä ryhmä- ja lukuteoreettisia menetelmiä. Esille tulevat nopea potenssi ja diskreetti logaritmi äärellisessä syklisessä ryhmässä sovellettuna äärellisen kunnan kertolaskuryhmässä ja elliptisen käyrän yhteenlaskuryhmällä. Lisäksi tarkastellaan laskentaan ja erityisesti äärellisten kuntien laskutoimituksiin liittyviä kompleksisuusarviointeja. Edelleen johdetaan yhteenlaskukaavat projektiivisella ja affiinilla Weierstrassin elliptisellä käyrällä. Tarkasteltavia järjestelmiä ovat Diffie-Hellman avaimenvaihto sekä ElGamal salaus ja allekirjoitus äärellisessä syklisessä ryhmässä sekä edelliset sovellettuna äärellisissä kunnissa tai niiden yli määritellyillä elliptisilllä käyrillä kuten DSA, ECDSA ja Massey-Omura. Testejä ja algoritmeja: Shanksin Baby step-giant step, Elliptisen käyrän alkulukutesti, Lenstran elliptisen käyrän tekijäalgoritmi. Kurssilla käytetään kurssien Lukuteoria ja ryhmät, Renkaat, kunnat ja polynomit, Lukuteorian perusteet ja Salausmenetelmät tuloksia, joita kerrataan tarvittaessa. Lukuteorian perusteet, Salausmenetelmät 5
7 2 Työkaluja 2.1 Asymptoottisesti sama log = ln Neperin logaritmi, siis log e = 1. Olkoot seuraavissa määritelmissä g, f : R R reaaliarvoisia funktioita, joiden määrittelyalueet ovat M g, M f. Määritelmä 2.1. Asymptoottisesti sama: f(x) g(x) lim x f(x) g(x) = 1. (2.1) Harmooninen sarja esiintyy Eulerin gamman lausekeessa H n = n k=1 1 k (2.2) γ = lim n (H n log n) = (2.3) Tuloksesta (2.3) saadaan H n log n, (2.4) sillä lim n Yleisemmin pätee, jos niin f(x) g(x). Määritelmä 2.2. Alkulukufunktio H n log n = lim H n log n + 1 = γ + 1 = 1. (2.5) n log n h(x) f(x) = g(x) + h(x), lim x g(x) = 0, (2.6) π(x) = #{p P x } (2.7) 6
8 Lause 2.1. ALKULUKULAUSE π(n) n log n. (2.8) Olkoon P = {p 1 = 2, p 2 = 3, p 3 = 5,...} (2.9) eli p n on n:s alkuluku. Lause 2.2. p n n log n. (2.10) 2.2 ISO OO Määritelmä 2.3. O-symboli, O = ISO OO: Olkoon g(x) > 0 aina, kun x M g. f(x) = O(g(x)) (2.11) on olemassa sellaiset vakiot B, C R +, että f(x) Cg(x), x M f M g, x B. (2.12) Asetetaan vielä f(x) O(g(x)) f(x) h(x) = O(g(x)); (2.13) f(x) = h(x) + O(g(x)) f(x) h(x) = O(g(x)) (2.14) ja v(x)o(g(x)) = O(v(x)g(x)), v(x) > 0 x B. (2.15) 7
9 HUOM: Merkintä f(x) = O(g(x)) (2.16) on hieman harhaanjohtava, sillä tarkkaan ottaen pitäisi kirjoittaa f(x) O(g(x)) = {f(x) f(x) Cg(x)}. (2.17) Mutta (2.16) on sujuvampi käyttää kuin (2.17) ja siten vakiinnuttanut asemansa. Lause 2.3. Olkoon g(x) > 0 aina, kun x M g. Tällöin f(x) < M x B f = O(1). (2.18) f g f = O(g). (2.19) f g = O(1) f = O(g). (2.20) lim f(x) x g(x) < f = O(g). (2.21) f 1 + f 2 = O max{o( f 1 ), O( f 2 )} (2.22) f 1 f 2 = O( f 1 )O( f 2 ). (2.23) f 1 + f 2 = O(g) f 1 = O(g), f 2 = O(g) f 1 f 2 = O(g 2 ) (2.24) ESIM. a) 1 = O(1) (2.25) 8
10 b) c) d) e) f) sin x = O(1) (2.26) n = O(n) (2.27) log n = O(n) (2.28) n 2 + 2n 3 5 = O(n 4 ). (2.29) (n + 8 log n)(10n log n + 17n 2 ) = O(n) O(n 2 ) = O(n 3 ). (2.30) 3 Kongruenssi Määritelmä 3.1. Olkoon n Z + annettu ja a, b Z. Jos n a b, (3.1) niin tällöin asetetaan a b (mod n) (3.2) eli a on kongruentti b:n kanssa modulo n. Huomaa, että n a b a = b + l n, jollakin l Z a b + nz = b. (3.3) Lemma 3.1. Keskenään kongruenteilla luvuilla on samat jakojäännökset ja Vice Versa. 9
11 Kongruentit luvut kuuluvat samaan jakojäännösluokkaan (mod n): a b (mod n) a = b. (3.4) Siispä joukkoa Z/nZ = {a a = 0, 1, 2,..., n 1} = Z n (3.5) kutsutaan jakojäännösrenkaaksi, missä on laskutoimitukset a + b = a + b, (3.6) ab = ab. (3.7) HUOM: Usein lasketaan vain pelkillä edustajilla eli jakojäännöksillä 0, 1, 2,..., n 1 = 1 (mod n). ESIM: = n = n = 0, ( 1) 1 = 1, (3.8) 2 1 = 1 2 = p + 1 2, p P p 3. (3.9) 3.1 Yksikköryhmä Määritelmä 3.2. Olkoon R ykkösellinen rengas. Joukko R = {yksiköt} = {u R u 1 R : uu 1 = 1} (3.10) on renkaan R yksikköryhmä (unit group). Usein käytetään esitystä R = {u R v R : uv = 1}, (3.11) 10
12 jolloin pätee u R 1 = uv, u, v R. (3.12) Jos R = K kunta, niin K = K {0}. Lemma 3.2. Joukko {a Z n a n} on renkaan Z n yksikköryhmä eli Z n = {a Z n a n}. (3.13) Huomaa,että ehdosta a n seuraa Eukleideen algoritmin kohdan 5) nojalla, että 1 = s m a + t m n, (3.14) missä m on E.A:n pituus. Siten s m a 1 (mod n) a 1 = s m. (3.15) Erityisesti, jos p P, niin Z p on kunta ja Z p = {a Z p a p} = {1, 2,..., p 1}. (3.16) Määritelmä 3.3. Olkoon n 2. Jos a n, niin a on alkuluokka (mod n) ja Z n = {a Z n a n} on renkaan Z n kertolaskuryhmä (multiplication group of the ring). 3.2 Eulerin funktio Määritelmä 3.4. Eulerin funktio φ : Z + Z + saadaan asettamalla φ(n) = #{k Z + 1 k n, k n} (3.17) aina, kun n Z +. 11
13 Siten, ryhmän Z n kertaluku (order) on #Z n = φ(n), n Z 2. (3.18) Lemma 3.3. φ(mn) = φ(m)φ(n), M N. (3.19) Eli φ on multiplikatiivinen ja koska ( φ(p m ) = p m 1 1 ), p P, m Z +, (3.20) p niin saadaan Lemma 3.4. Olkoon n = p a p a k k, p i P. Tällöin ( a φ(n) = p 1 a 1... p k k 1 1 ) )... (1 1pk p 1 (3.21) eli φ(n) = n p n ( 1 1 ). (3.22) p 3.3 Euler-Fermat Lause 3.1. EULER-FERMAT: Olkoot a Z, n Z 2 annettu ja a n. Tällöin a φ(n) 1 (mod n). (3.23) Lause 3.2. FERMAT N PIKKULAUSE: Olkoon p P annettu. Tällöin a p 1 1 (mod p), jos p a Z; (3.24) a p a (mod p), a Z. (3.25) 12
14 Olettaen (3.24) todistetaan (3.25): Jos syt(a, p) = 1, niin Pikku Fermat n (3.24) nojalla a p a (mod p). (3.26) Jos p a, niin a 0 (mod p) a p 0 (mod p) (3.27) a p a (mod p). (3.28) 3.4 Eräs kongruenssiryhmä Lause 3.3. A) Olkoot p, q P ja p = q. Tällöin yhtälöistä a b (mod p) a b (mod q) (3.29) seuraa a b (mod pq). (3.30) B) Olkoot m i Z ja m i m j kaikilla i = j. Tällöin yhtälöistä a b (mod m i ) i = 1,..., r (3.31) seuraa a b (mod m 1 m r ). (3.32) 3.5 Kiinalainen jäännöslause Lause 3.4. KIINALAINEN JÄÄNNÖSLAUSE. Olkoot m 1,..., m r Z + pareittain keskenään jaottomia ja olkoot a 1,..., a r Z 13
15 annettu. Tällöin yhtälöryhmän ratkaisut ovat x a 1 (mod m 1 ),. x a r (mod m r ) (3.33) x = x 0 + l M, l Z, M = m 1... m r = m k M k, (3.34) missä x 0 = n 1 M 1 a n r M r a r, (3.35) n k M k 1 (mod m k ). (3.36) 14
16 4 Tuloksia ryhmistä Merkintää D H käytetään, kun ryhmä D on ryhmän H aliryhmä. Lemma 4.1. Aliryhmäkriteeri I. Olkoon H ryhmä. Jos, ryhmän H osajoukko D = toteuttaa ehdon: a, b D ab 1 D, niin D on H:n aliryhmä. Lemma 4.2. Aliryhmäkriteeri II. Olkoon H äärellinen ryhmä. Jos, ryhmän H osajoukko D = toteuttaa ehdon: a, b D ab D, niin D on H:n aliryhmä. Olkoon A H. Joukkoa A = D A D H sanotaan joukon A generoimaksi aliryhmäksi. Käytetään myös merkintää a, b,..., c = {a, b,..., c}. Erityisesti a = {a k k Z} = a Z. Jos H on Abelin ryhmä, niin a, b = {a k b l k, l Z} = a Z b Z. 15
17 4.1 Syklisten ryhmien perusteita Lause 4.1. Olkoon (H, ) kertolaskuryhmä ryhmä, e = 1, α H. Ryhmän H osajoukko α = α Z = {α k k Z} H (4.1) on H:n aliryhmä. Määritelmä 4.1. Aliryhmä α = {α k k Z} on
18 josta edelleen saadaan Euler-Fermat n lause a φ(n) 1 (mod n) a n. (4.7) Erikoistapauksena, jos p P, niin Z p on ryhmä ja #Z p = p 1. Siten a p 1 = 1 a p, (4.8) josta edelleen saadaan Fermat n pieni lause Lause 4.5. a p 1 1 (mod p) a p. (4.9)
19 Täten 3 ja 5 ovat Z 7:n generaattorit. 3 = 5 = {3, 2, 6, 4, 5, 1} = Z 7. (4.16) ord 1 = 1, ord 2 = ord 4 = 3, ord 3 = ord 5 = 6, Esimerkki 2. Määrätään ryhmän ord 6 = 2, d = 1, 2, 3, 6 6 = h. (4.17) H = Z 8 = {1, 3, 5, 7}, #H = 4 = φ(8). (4.18) aliryhmät ja sykliset aliryhmät. α 4 = 1, α Z 8 (4.19) mutta 1 1 = 1, 3 2 = 1, 5 2 = 1, 7 2 = 1. (4.20) 1 = {1}, 3 = {1, 3}, 5 = {1, 5}, (4.21) 7 = {1, 7}. (4.22) Täten ryhmällä Z 8 ei ole generaattoria ja siten se ei ole syklinen. ord 1 = 1, ord 3 = ord 5 = ord 7 = 2. (4.23) Esimerkki 3. H = Z 15 = {1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 14}. (4.24) 18
20 4 = {1, 4}, 14 = {1, 14}. (4.25) 4, 14 = {1, 4, 14, 11}, (4.26) joka ei ole syklinen ja siten Z 15 ei ole syklinen. Lause 4.7. Olkoon H Abelin ryhmä ja olkoot α 1, α 2 H. Jos ord α 1 = e 1, ord α 2 = e 2, e 1 e 2, (4.27) niin ts. ord (α 1 α 2 ) = e 1 e 2. (4.28) # α 1 = e 1, # α 2 = e 2, e 1 e 2 (4.29) # α 1 α 2 = e 1 e 2. (4.30) Lause 4.8. Olkoon H on ryhmä ja #H = p P. Tällöin τ = H τ H {1}. (4.31) Lause 4.9. I. Syklisen ryhmän aliryhmät ovat syklisiä. II. Olkoon H = β, ord β = h = #H ja d h, 2 d h 1, ld = h. Tällöin A: ord β l = d B. ja on olemassa aliryhmät H d = β l, #H d = d d h. Lause Olkoon G Abelin ryhmä ja olkoot x, y G, ord x = m, ord y = n. Tällöin löytyy alkio z G, jolle pätee ord z = [m, n] (4.32) 19
21 Lause 4.11.
22 Esimerkki 4. G = Z 71, #G = 70 = Valitaan τ = 7 G, jolle pätee 7 70 = 1, (käytä nopeaa potenssilaskentaa.) Siten = 7 35 =... = 70 = 1, = 7 14 =... = 1, = 7 10 = 1, ord 7 = 70 7 = Z 71. (4.43) 4.2 Sovelluksia ja esimerkkejä Lause Olkoon H ryhmä ja α H. Tällöin α = α 1. (4.44) Huom 1. Lauseen 4.11 avulla saadaan toinen todistus Lauseelle 4.7. Esimerkki 5. Olkoon H ryhmä ja α, β H sekä ord α = 5, ord β = 7 ord αβ = 35. (4.45) Todistus: Luvun h = 35 alkutekijäjoukko on {5, 7}. Lasketaan (αβ) 35 = 1; (4.46) (αβ) h/5 = α 2 = 1; (4.47) (αβ) h/7 = β 5 = 1. (4.48) 21
23 Siten Lauseen 4.11 nojalla ord αβ = h = 35. (4.49) Esimerkki 6. Koska Z 13 = 2 ord 2 = 12 = φ(13), (4.50) niin Lauseen?? nojalla tiedetään, että myös 2 a, a = 1, 5, 7, (4.51) ovat generaattoreita. Osoitetaan kuitenkin suoraan Lauseen 4.11 avulla, että ord 2 5 = 12 = h. (4.52) Luvun h = 12 alkutekijäjoukko on {2, 3}. Tiedetään, että (2 5 ) 12 = 1; (4.53) Näytetään vielä, että (2 5 ) h/2 = 1; (4.54) (2 5 ) h/3 = 1. (4.55) Lauseen 4.11 nojalla ord 2 5 = h = 12. (4.56) Edelleen, Lauseen 4.12 nojalla saadaan 2 7 = 2 7 = 2 5 = 2 ; (4.57) 2 11 = 2 1 = 2. (4.58) 22
24 4.3 Nopeaa potenssilaskentaa Lasketaan ryhmässä H alkion a H potenssi: a r, r Z +, r h = #H, r = e t 1 2 t e 0, e i {0, 1}, e t 1 = 1. (4.59) Aluksi: a 1 = a a 2 = a 2 1 = a 21 a 3 = a 2 2 = a 22 (4.60) Yhteensä t 1 kertolaskua. Seuraavaksi:. a t = a 2 t 1 = a 2t 1. a r = a e t 1 t missä korkeintaan t 1 kertolaskua. Siten Lause Olkoon 1 r h = #H. Tällöin a e t 2 t 1... a e 0 1, (4.61)
25 4.4 Diskreetti logaritmi kertolaskuryhmässä Olkoon H äärellinen syklinen kertalukua h = #H oleva ryhmä eli H = β = {β j j = 0, 1,..., h 1} = {1, β, β 2,..., β h 1 }. (4.65) Huomaa, että β 0 = β h = β 2h =... = 1. (4.66) Määritelmä 4.3.
26 (mod 71) ja eksponentit (mod 70). 7 2 = 49 log 7 49 = = 59 log 7 59 = = 2 log 7 2 = 6. 7? = 33 log 7 33 =? 7 35 = 70 = 1 log 7 70 = log 7 1 = = 61 log 7 61 = = 1 = 7 0 log 7 1 = 0 25
27 5 Kryptausjärjestelmiä "Yksisuuntaisella funktiolla" tarkoitetaan operaatiota f, joka on nopea (helppo) suorittaa, mutta käänteisoperaatio f 1 on tiettävästi hidas (vaikea). Esimerkki 9. a) f 1 (p, q) = p q = n; p, q P. p, q ja f 1 1 (n) = (p, q). Tässä lukujen kertominen on nopeaa, mutta luvun n tekijöihinjako on hidasta. b) f 2 (x) = β x = y, x Z h. H = β, h = ord β, h = f 1 2 = log β y = x. Potenssien lasku on nopeaa mutta diskreetin logaritmin määrittäminen hidasta. Aluksi sanoma koodataan lukujonoksi viesti= m R =ryhmä, rengas,... Käyttäjän U (U = A, B.C,...) salaus- eli kryptausfunktio E U on injektio: E U : R S = ryhmä, rengas,... ja dekryptaus- eli avausfunktio D U on E U :n käänteisfunktio: D U : S R. (D U (E U (m)) = m, E U (D U (k)) = k.) Julkisessa salauksessa E U on jokin yksisuuntainen funktio, joka julkaistaan A) Avaimien vaihdot. trapdoor Jos lisäksi D U :ssa on salaportti B) Julkiset kryptojärjestelmät. C) Allekirjoitukset. jonka vain U tuntee, niin 5.1 A. Diffie-Hellman avaimenvaihto Tarkastellaan järjestelmää yleisessä syklisessä ryhmässä H = β, h = #H. Siis ryhmä H sen generaattori β ja kertaluku h ovat kaikkien käyttäjien U = A, B, C,... tiedossa. 26
28 Jokainen käyttäjä U = A, B, C,... valitsee salaisen avaimen m U =eksponentin, jonka avulla U laskee luvun k U = β m U, joka julkaistaan. Olkoot
29 Siten saadaan yhteinen avain 52. U salainen avain= x julkinen k U (= β x ) A a k A B b k B C c k C.. U Yhteinen avain k U,Y = (k Y ) x A k A,B k A,C B k B,A k B,C C k C,A k C,B. missä k X,Y = k Y,X X, Y {A, B, C,...} ja käyttäjien X ja Y yhteinen avain on vain X:n ja Y :n tiedossa. Järjestelmän turvallisuus perustuu Diffie-Hellman ongelma D.H=Diffie-Hellman ongelma. Määrää β ab luvuista β, β a, β b, h (a, b salaisia). Yleisesti oletetaan, että D.H
30 logaritmit. 3) Jotain muuta...? Siten, vaikka käyttäjä C tietää luvut k A ja k B, niin C = A, B ei voi päätellä ilman logaritmeja A:n ja B:n yhteistä avainta k A,B. 5.2 B. ElGamal kryptausjärjestelmä Nyt R = H, S = H H ja E : H H H. Tässäkin jokainen käyttäjä U = A, B, C,... valitsee salaisen avaimen m U =eksponentin, jonka avulla U laskee luvun k U = β m U, joka julkaistaan. Seurataan miten käyttäjä A kryptaa viestin m ja lähettää sen käyttäjälle B. Julkiset avaimet k A = β a, k B = β b. (5.10) A: Määrittää yhteisen avaimen
31 Nyt käyttäjä B dekryptaa saadun sanoman:
32 5.3 C. Allekirjoituksista Olkoon viestiavaruusblokki = R = H = ryhmä, missä #H = h ja esimerkiksi [H = F q, Z n, E(F q )], missä m h = 1 H. Viesti m 1... m n H n, viesti(pala)= m i H. Avain a, b,... Z q. Kryptausfunktiot E, D : H H, H = β ovat muotoa E(x) = β x, x {a, b,...} tai H 2 H, E(x, m) = mβ x. A: 1. salaa viestin m kryptotekstiksi E B m. 2. muodostaa allekirjoituksen E B D A m. Salainen julkinen, avoin A D A m E A (E B m, E B D A m) B D B E B (E B m, E B D A m) B: 3. avaa kryptotekstin D B E B m = m. 4. varmistaa allekirjoituksen laskemalla E A D B E B D A m = m. Jos nyt m = m, niin viesti m on A:lta. Perustelu: Vain A tietää D A :n, jolle E A D A = Id, joten B varma, että viesti m on A:lta ja muuttumaton ElGamal allekirjoitussysteemi Käytetään aikaisempia merkintöjä eli H = β on kertalukua h = ord β oleva syklinen ryhmä ja A:n salaiset avaimet
33 A:n julkiset avaimet
34 Salaisia Julkisia H = β x x h = ord β A a a m k A B (r, s, k A, v A ) ρ B: 3. dekryptaa ElGamal-järjestelmän mukaisesti sanomasta (k A, v A ) viestin m. 4. laskee luvut
35 . Olkoon α = γ. Vain A tietää luvun k A = β a eksponentin a = log β k A. Olkoon C tehnyt allekirjoituksen (r, s) eli r = β c, ρ(m) = cρ(r) + c s. (5.34) Nyt α = γ (5.35) β ρ(m) = k A ρ(r) r s = k A ρ(r) β c s 5.34 = k A ρ(r) β ρ(m) cρ(r) (5.36) k A ρ(r) = β cρ(r) β aρ(r) = β cρ(r) (5.37) eli C:n pitäisi arvata a = log β k A. Siten D.L. ongelmasta saadaan, että C=A. mot β a = β c c = a (5.38) Esimerkki 13. Jatketaan Esimerkkien 10, 11 ja 12 parametreilla. Olkoot A:n salaiset avaimet Edelleen olkoon m = 41 ja a = 3, a = 9 Z 70, h = 70. (5.39) ρ : Z 71 Z 70, ρ(x) = x. (5.40) Tällöin k A = 59, k A = 7 9 = 47, r = ρ(k A ) = 47. (5.41) A: määrää luvun s = 1 a (ρ(m) aρ(r)) = 1 ( ) = 20. (5.42) 9 34
36 Lähetettävä kryptattu viesti allekirjoituksella (r, s, k A, v A ) = (47, 20, 59, 2). (5.43) B: Suorittaa dekryptauksen ja laskee luvut α = β ρ(m) = 7 41, γ = k A ρ(r) r s = =... = α. (5.44) HAPPY! Hash-funktio Hash-funktio H on yksisuuntainen tiivistefuntio. Olkoon lähetettävä bittijono H n, n Z + H : H n J, [J H]. Esimerkiksi perinteinen salasanan varmistus: Operaattorin tiedostossa kunkin käyttäjän A salasanasta a on Hash-arvo H A. Kone laskee annetun salasanan a Hash-arvon H(a), jota verrataan talletettuun arvoon H A. Jos H(a) = H A, niin käyttäjätunnus A saa käyttöluvan. Seuraavassa keinotekoinen esimerkki. Esimerkki 14. H = Z 101 a. H 1 (a) = 7 a (mod 19), H 1 : Z 101 Z DSA/FIPS Digital Signature Algorithm Merkinnät 1) p P, l(p) = L {k 1024 k = 1, 2, 3}. 2) q P, q p 1, l(q) = 160, ) D q = β ; #D q = q, D q Z p. 35
37 4) σ : Z p Z q, σ(x) x (mod q), x {1,..., p 1}. 5) H : Z n p Z q Hash-funktio. (Kts. standardit standardit) Matemaattinen perusta 1) Alkuluku q generoidaan esimerkiksi Miller-Rabinin testin 3 avulla. 2) Samoin p generoidaan s.e p = 1 + k q Huom 3. Alkulukulauseen nojalla #{q P 159 < l(q) 160} = ( ) 1 log 2 joten ehdokkaita on riittävästi. = log 2 = , 3) Olkoon h Z p sellainen, että β = h p 1 q q olevan syklisen aliryhmän D q eli β = D q, #D q = q. Todistus. a) β q = h p 1 = 1. = 1. Tällöin β generoi kertalukua b) Koska q P, niin ainoa q:n alkutekijä on q, jolle lisäksi pätee β q q = β = 1. Siten Lemman?? nojalla ord β = q. mot. Huom 4. Välttämättä h ei ole Z p:n generaattori! 4) Huomaa tässä, että β a D q, a Z, mutta välttämättä ei β a Z q. DSA: Edelleen, olkoon x = β a Z p, jolloin σ(x) x (mod q) eli σ(x) Z q. HUOMAA vielä, että σ : D q Z q EI yleensä ole injektio. Julkisia ovat parametrit p, q, h ja Hash-funktio H. Käyttäjä A valitsee salaiset avaimet a, a Z q ja laskee luvut 1) H(m) Z q 2) k A = β a, k A = βa Z p 3) r = σ(k A ) Z q. 36
38 4) s = 1 (H(m) + ar) Z a q. A:n julkinen avain = k A = β a. A:n viesti m B:lle lähtee allekirjoitettuna sanomana a) (r, s, m) (5.45) tai salattuna sanomana b) (r, s, k A, v A ), (5.46) missä (r, s) on allekirjoitus. Vastaanottaja B laskee luvun v = σ(β 1 s H(m) k A 1 s r ). Varmennus: Viesti m hyväksytään A:lta tulleeksi, jos v = r. Yleisesti perusteluna varmennukselle pidetään lausetta 5.2. Huom 5. k A, k A, v = β 1 s H(m) k A 1 s r D q Z p, mutta r = σ(k A ), v = σ(β 1 s H(m) k A 1 s r ) Z q. Lause 5.2. Allekirjoitus on A:lta v = r. Todistus. Oletetaan, että (r, s) tulee A:lta, joten v = σ(β 1 s H(m) β 1 s ar ) = σ(β 1 s (H(m)+ar) ) = 4) σ(β a ) = r. HUOMAA: Jos yritetään todistaa, niin tällöin oletetaan, että v = r eli σ( v) = σ(k A ). Mutta σ : D q Z q ei ole injektio. Joten voi olla, että v = k A. Siten EI voida varmasti päätellä, että lähettäjä on A. Jos kuitenkin olisi v = k A, niin (D.L.) ongelman perusteella voitaisiin päätellä, että lähettäjä on A. Turvallisuus: -Pohlig-Hellman ei tepsi. -MUTTA edellä esitetyn nojalla ON KYSEENALAISTA, että turvallisuus perustellaan D.L. ongelmalla D q :ssa (tai Z p:ssä). 37
39 5.3.4 DSA2 jossa samat parametrit kuin DSA:ssa. A: Salaiset avaimet a, a, d. r = σ(β a ), s = (H(m) + ar)d, t = a d B: Varmistus w = t s, u 1 = H(m)w, u 2 = rw. r = σ(β u 1 k A u 2 ) allekirjoitus A:lta GOST 1) p P, l(p) [509, 512] [1020, 1024]. 2) q P, l(q) [254, 256] ja q p 1. 3) β Z p {1}, joten ord β = q, β q = 1 4) σ : Z p Z q, σ(x) x (mod q). 5) Hash-funktio H: Z n p Z q. Jos H(m) = 0, niin asetetaan H(m) = 1. A: Salaiset avaimet a, a. r = σ(β a ) Z q, s = ar + a H(m) Z q, ja (r, s) on allekirjoitus. B: Laskee v = H(m) q 2, z 1 = sv, z 2 = (q r)v = rv, Varmistus: u=r. Huom 6. H(m) q 2 = H(m) 1. u = σ(β z 1 k A z 2 ) Z q 38
40 6 Äärelliset kunnat 6.1 Äärellisten kuntien teoriaa Olkoon F = F q = {α 1 = 0, α 2 = 1, α 3,..., α q }, #F = q 2 (6.1) äärellinen kunta, jonka kertolaskuryhmä F = F {0}. Tällöin Lemman 4.4 nojalla α q 1 = 1, α F α q = α, α F. (6.2) Lemma 6.1. Polynomirenkaassa F q [x] pätee x q x = (x α 1 )... (x α q ) = (x α). α F q Lemma 6.2. Olkoon K kunta F q K ja α K. Tällöin α F q α q = α. (6.3) Lemma 6.3. Olkoon H = {ne n Z}, e = 1 F = F q. Tällöin H on kunnan F q alikunta ja H = Z/pZ jollakin p P. Lemman 6.3 nojalla H F q ja H = Z p = Fp, joten samaistetaan H, F p ja Z p. Siten F p on kunnan F q alikunta eli F p F q. Edelleen voidaan osoittaa, että F q on F p -kertoiminen lineaariavaruus, jonka dimensio dim Fp F q = n eli [F q : F p ] = n. Yhteenvetona esitetään Lause 6.1.
41 Määritelmä 6.1. Äärellisen kunnan kertolaskuryhmän F kunnan F primitiivialkio. generaattori β on Ominaisuudet lyhyesti:
42 Määritelmä 6.2. Olkoon K L. (Kuntalaajennus.) Olkoon γ L. Tällöin γ:n minimipolynomi kunnan K suhteen on alinta astetta= m oleva K[x]:n polynomi M(x) = x m + a m 1 x m a 0, jolle M(γ) = 0. Merkitään M = M γ. Olkoon nyt K = F p, L = F q=p n. Määritelmä 6.3. Olkoon γ = β primitiivinen alkio. Tällöin M β on primitiivinen polynomi. Lause 6.4. x pn x = d n P d (x) = tulo kaikista F p [x]:n jaottomista alkioista P d (x), joiden aste deg P d (x) = d n. Määritelmä 6.4. Olkoot F q M. Kuvaus ω : M M, ω(x) = x q on Frobeniuskuvaus eli Frobeniusautomorfismi. Lemma 6.6. Frobeniuskuvaus ω on F q -automorfismi. 6.2 Kuntalaajennukset Määritelmä 6.5. Olkoon R rengas ja = I R. Tällöin I on R:n ideaali, jos 1) (I, +) (R, +) a b I, a, b I. 2) Ra I ja ar I, a I. ra I ja ar I r R, a I. Edelleen ideaali M R on R:n maksimaalinen ideaali, jos M I R ja I on R:n ideaali, niin I = R. Lemma 6.7. Olkoon R ykkösellinen kommutatiivinen rengas ja M R maksimaalinen ideaali. Tällöin tekijärakenne R/M = {a = a + M a R}, 0 = M, 1 = 1 + M on kunta. 41
43 Määritelmä 6.6. Kanoninen homomorfismi K K : R R/M, K(a) = a = a + M. Esimerkki 16. a) R = Z, p P. M = p = pz = {p : llä jaolliset kokonaisluvut} Z K 1 Z/ p = Z/pZ = Z p = Fp. K 1 (a) = a = a + pz, K(p) = p = 0 = pz. Olkoon D = {a α R a α = a β, α = β} R = jäännösluokkien a α edustajisto. Lemma 6.8. Kanonisen homomorfian rajoittuma K D eli K : bijektio. D R/M on Esimerkki 17. a) D = {0, 1,..., p 1} {0, 1,..., p 1} = Z p. Täten tehdään samaistus Z p = {0, 1,..., p 1}. Lemma 6.9. Olkoon K-kunta ja g(x) K[x] jaoton polynomi. Tällöin pääideaali g(x) = K[x]g(x) on K[x]:n maksimaalinen ideaali. Lause 6.5. Olkoon g(x) K[x] jaoton. Tällöin K[x]/ g(x) on kunta. Lause 6.6. Olkoon h(x) K[x]. Tällöin kunta L ja α L s.e. K L ja h(α) = 0. Tod: Olkoon g(x) h(x), g(x) K[x] jaoton. Asetetaan L = K[x]/ g(x) ja f = deg g(x), jolloin L = {s(x) s(x) K[x]}, missä s(x) = s(x) + g(x) = {s(x) + k(x)g(x) k(x) K[x]} on s(x):n jäännösluokka (mod g(x)). Ex: g(x) = 0(x) = g(x). Koska (JA):n nojalla s(x) = l(x)g(x) + r(x), missä deg r(x) < deg g(x) = f, niin f 1 L = {r(x) r(x) = a i x i ; a i K}. i=0 42
44 Merkitään α = x, a i = a i, (vakiot samaistetaan, koska K = K = {vakiopolynomit}), joten f 1 L = { a i α i a i K}. i=0 Siis joukko {1, α,..., α f 1 } = B virittää lineaariavaruuden L. Huomaa, että nolla-alkio 0 = 0(x) = g(x) ). Asetetaan nyt a a 1 α a f 1 α f 1 = 0 eli t(α) = 0, missä t(x) = a a f 1 x f 1 K[x]. Täten t(x) = 0(x) = g(x) t(x) = g(x) k(x) K[x] : t(x) = k(x)g(x). Tässä deg t(x) f 1 < deg g(x) = f, joten k(x) = 0(x) t(x) = 0(x) ja siten a 0 = a 1 =... = a f 1 = 0. Täten B on lineaarisesti vapaa/k ja #B = f, joten B on L:n kanta ja [L : K] = dim K L = f. Huom 7. Nyt g(α) = g(x) = g(x) = 0 L!, missä α L. Esimerkki 18. a) R = R[x], g(x) = x R[x]/ x = C, missä x = x = 0, x = i, joten i 2 = Äärellisten kuntien konstruointi Erityisesti, kun K = F p = Z p, niin saadaan f-asteisia F p :n laajennuksia kunhan löydetään jaottomia polynomeja F p [x]. Lause 6.7. Olkoon f Z +. Tällöin jaoton g(x) Z p [x] ja deg g(x) = f. 43
45 Lause 6.8. Jokaista p P ja f Z + kohti on olemassa Galois n kunta GF (p f ) = F q, q = p f. Tällöin R = Z p [x], M = g(x) = g(x)z p [x] = g(x):llä jaolliset. deg g(x) = f Z p [x] K 2 Z p [x]/ g(x) = F q. K 2 (s(x)) = s(x) = s(x) + g(x). Esimerkki 19. b) Polynomi x 2 + x + 1 F 2 [x] on jaoton. Mutta kunnassa GF (2 2 ) = F 4 : α 2 + α + 1 = 0, jolloin 0, 1, α F 4 : α 2 = 1 + α α 3 = α + α 2 = α α = 1. Laskutaulut: Summataulu: Kertotaulu: 0 = α 1 = α α = α α 2 = α α 1 + α α α α 1 + α α α α 1 + α α 1 + α α 1 α 44
46 Vertaa laskutaulut renkaassa Z 4 = Z/4Z : Z 4 EI ole kunta. Esimerkki 20. c) x 2 + x + 2 F 3 [x], jaoton. Tällä on nollakohta α F 9 = GF (3 2 ), missä a 2 + α + 2 = 0. Nyt F 3 F 9, joten 0, 1, 2, α F 9. Koska F 9 on kunta, niin α 2 F 9 α 2 = α 2 = 2α + 1 F 9 α 3 = α α 2 = 2α 2 + α = 4α α = 2α + 2 F 9... α 8 = α + α 2 = α α = 1. 45
47 α 1 = α α α α α 2 α α α α 4 2 α 5 α 6 α 7 2 α α α α 8 1 Logaritmit: esimerkiksi log α (2 + 2α) = 3. Tässä laskettiin + 0 α 0 α α 2 α 3 α 4 α 5 α 6 α 7 0 α 0 α 4 α 7 α 3 α 5 α 1 α 2 α 3 α + α 2 = α α = α 2 = α = α α 3 = α = 2α = α 5 Ei samaa samalle riville 46
48 F 9 α 0 α 1 α 2 α 7 = Z/8Z α 0 α 0 α 1 α 7 α 1 α 1 α 2 α 0 α 2 α 2 α 3 α 4 α 0 α Siis (F 9, ) = (Z/8Z, +). d) K = Z 3. g(x) = x 3 + 2x + 1 Z 3 [x] on jaoton. L = Z 3 [x]/ g(x) = GF (3 3 ) Nyt g(x) = 0. Merkitään siis α = x, jolloin α 3 + 2α + 1 = ja siten kunnassa F 27 saadaan α 3 = α + 2. Lemmasta 5.8 saadaan, että α = F 27 = {1 = α 0, α 1,..., α 25 }; #F 27 = 26. Siten α on primitiivialkio ja koska M α (x) = x 3 + 2x + 1, niin g(x) = x 3 + 2x + 1, on primitiivipolynomi. Huomaa vielä F 3 = Z 3 F
49 Otetaan vielä yhteenvetona: K : R R/I = {a a R}. K(a) = a. I = M =maksimaalinen ideaali R/M on kunta. Z K 1 Z/ p = Z p = Fp, p P. Z p [x] K 2 Z p [x]/ g(x) = F q, g jaoton, deg g(x) = n, q = p n. Q[x] Q[x]/ f(x) = Q(α), f jaoton, deg f(x) = n, α n asteen algebrallinen luku. Esimerkki 21. Laskutoimituksista: Esimerkin d) kunnassa. Olkoot β 1 = 2 + α + α 2, β 2 = 2 + 2α 2 F 27, jossa β i = β i (α) Z 3 [α]. (YL) β 1 + β 2 = α + 3 α 2 = 1 + α. (KL) β 1 β 2 = 2 2+( )α+( )α 2 +( )α α 4 = 1 + 2α + 2α 3 + 2α 4 = p(α). (J.A.) p(x) = q(x)g(x) + r(x), deg r(x) 2, g(α) = 0. p(α) = q(α)g(α) + r(α) = r(α) = 2α 2 + 2α + 2. (JL) β 1 β 2 = β 1 β 2 1, β 1 = β 1 (α), β 2 = β 2 (α) = 0. (EA) a(x), b(x) Z 3 [x] s.e. 1 = a(x)β 2 (x) + b(x)g(x) 1 = a(α)β 2 (α) + b(α)g(α) 1 = a(α)β 2 eli β 2 1 = a(α) = α 2 + 2α + 1 Z 3 [α] β 1 β 2 Yleensäkin F q :ssä (q = p f ) = β 1 (α)a(α) (KL) =... = r (α) F 27. (YL) (KL) (JL) Yhteen- ja vähennyslaskut Z f p:ssä. Kertolaskut polynomien Z[α] kertolaskuilla +(JA) + (Y L). Jakolaskut: (EA) + (KL). 48
50 7 Lisää polynomeista Polynomeista K[x], missä K =kunta, esimerkiksi K = Q, R, C, chark = 0 tai K = F q, charf q=p f. Olkoon p(x) = p 0 + p 1 x p n x n K[x], deg p(x) = n, ja sen nollakohtien lukumäärä N 0 (p) = #{x i K p(x i ) = 0} n. Tiedetään, että kompleksilukukunnassa C pätee N 0 (p) = n, n Z +, ja muutoin 0 N 0 (p) n. Voidaan todistaa, että x α p(x) p(α) = 0, L[x] missä α L, jossakin kunnan K laajennuskunnassa L. Edelleen, jos p(x) = p n n i=1 (x α i ), α i L jossakin kunnan K laajennuskunnassa L, niin (olkoon p n = 1) tällöin p 0 = ( 1) n p 1 =. p n 1 = n α i i=1 n ( 1) n 1 n α i j=1 i =j, i=1 n i=1 Esimerkki 22. p(x) = x 3 + Ax 2 + Bx + C = (x α 1 )(x α 2 )(x α 3 ), joten A = (α 1 + α 2 + α 3 ), B = α 2 α 3 + α 1 α 3 + α 1 α 2, C = α 1 α 2 α 2. α i 49
51 Määritelmä 7.1. Olkoon p(x) K[x] jaoton. Tällöin N(α) = n α i, i=1 missä α = α j, on α:n normi ja T r(α) = n i=1 α i on α:n jälki. Siten saadaan, että N(α), T r(α) K. Määritelmä 7.2. Polynomin p(x) = p n x n p 0 K[x] diskriminantti on Δ p = p 2n 2 n Siten Δ p = 0 α i = α j, i = j. 1 i<j n (α i α j ) 2. Lemma 7.1. Jos f(x) = x 3 + ax + b, niin ( (a ( ) ) 3 2 b Δ f = ) 2 50
52 8 Affiinit ja projektiiviset tasokäyrät 8.1 Affiinit avaruudet Määritelmä 8.1. Olkoon K-kunta, K = K {0} ja n Z +. Pistejoukko A n (K) = K n = {x = (x 1,..., x n ) x i K} (8.1) on
53 ja olkoon aina, kun w x t K : w = tx (8.6) x, w B = A n+1 (K) {0}. (8.7) Tällöin on ekvivalenssirelaatio joukossa B, jolloin saadaan tekijärakenne B/ = {[x] x B}, (8.8) missä [x] = {w B w x} (8.9) on alkion x määräämä ekvivalenssiluokka. Merkintään vielä [x] = [x 1,..., x n+1 ] = (x 1 : x 2 :... : x n+1 ) (8.10) jota sanotaan
54 2) Ainakin yksi homogeeninen koordinaatti x j = 0. 3) Projektiiviseen avaruuteen ei voi määritellä yhteenlaskua ainakaan tavanomaisen koordinaattien yhteenlaskun kautta, koska tällöin laskutoimitus ei ole hyvin määritelty. Siten ei saada lineaariavaruusrakennetta ja normaali dimension käsite ei myöskään päde Projektiivisen tason geometrisia tulkintoja Olkoon nyt n = 2, jolloin projektiivisen tason P 2 (K) pisteitä ovat [x] = [x, y, z] = {t(x, y, z) t K }, (8.14) missä (x, y, z) = 0. A. Ensimmäinen tulkinta: Olkoon c = 0, tällöin [a, b, c] = [a/c, b/c, 1]. (8.15) Siten pisteet voidaan jakaa kahteen luokkaan: 1). [x, y, 1], z = 1. (8.16) Tehdään samaistus A 2 (K) (x, y) [x, y, 1] P 2 (K). (8.17) 2). [x, y, 0], z = 0, (8.18) koska (x, y, z) = 0, niin tässä (x, y) = (0, 0). Siten tehdään samaistus P 1 (K) [x, y] [x, y, 0] P 2 (K). (8.19) 53
55 1)+2): P 2 (K) = A 2 (K) P 1 (K), (8.20) missä ( on "erillinen unioni"). Edelleen P 1 (K):n pisteet jaetaan kahteen luokkaan: 2.1). [x, 1], y = 1. (8.21) Samaistus 2.2). A 1 (K) x [x, 1] P 1 (K). (8.22) [x, 0], y = 0 (8.23) joten tässä x = 0 ja siten [x, 0] = [1, 0] P 1 (K). (8.24) Merkitään [1, 0] =, joka on projektiivisen suoran äärettömyyspiste. 2.1)+2.2) P 1 (K) = A 1 (K) { }. (8.25) Nyt saadaan geometrinen tulkinta (katso viimeinen sivu) vaikkei välttämättä olekaan K = R. Ensinnäkin kohdista 2.1)+2.2)saadaan, että Projektiivinen suora P 1 (K) on affiini suora A 1 (K) unioni "äärettömyyspiste" [1, 0] / A 1 (K). (8.26) Vertaa laajennettu R eli R = R { }. (8.27) 54
56 Edelleen kohtien 1) + 2) nojalla projektiivinen taso muodostuu affiinista tasosta A 2 (K) = K K ja tähän kuulumattomasta projektiivisesta suorasta P 1 (K). Joten voidaan tulkita, että tämä projektiivinen suora sijaitsee horisontissa ja muodostaa ns. äärettömyyspisteiden joukon projektiiviselle tasolle P 2 (K). B. Toinen tulkinta: Olkoon nyt n = 2, jolloin projektiivisen tason P 2 (K) pisteitä ovat [x] = [x, y, z] = {t(x, y, z) t K }, (8.28) missä (x, y, z) = 0, eli piste [x] on origon kautta kulkeva K 3 :n suora, josta on poistettu origo. Siten piste [x] voidaan samaistaa suuntaparin x, x K 3 kanssa. Toisaalta projektiivisen suoran P 1 (K) pisteitä ovat [x, y] = {t(x, y) t K }, (x, y) = 0. Siten piste P = [x, y] on origon kautta kulkeva K 2 :n suora {0}. Edelleen piste P = [x] voidaan samaistaa suuntaparin x, x K 2 {0} kanssa. (Tästä saadaan toinen geometrinen tulkinta.) 8.3 Algebralliset joukot, tasokäyrät Olkoon R = K[x 1,....x n ] n. muuttujan polynomien rengas. Olkoon p(x) = p(x 1,..., x n ) R polynomi, jonka arvo pisteessä α A n (K) on p(α) = p(α 1,..., α n ) K. Määritelmä 8.3. Polynomin p R nollajoukko on Z(p) = {α A n (K) p(α) = 0} ja polynomi-osajoukon T R nollajoukko on Z(T ) = {α A n (K) p(α) = 0, p T } 55
57 ja osajoukko Y A n on algebrallinen joukko, jos T R s.e. Y = Z(T ). (Tällöin voidaan määritellä Zarinski topologia.) Määritelmä 8.4. Olkoon R = K[x, y] = 2. muuttujan polynomijoukko ja d Z +. Astetta d oleva
58 nollajoukko (eräillä lisäehdoilla) eli
59 Siten 1) määrittää affiinin käyrän polynomin p(x, y) = F (x, y, 1) K[x, y] (8.39) nollajoukkona ja 2) määrittää ne äärettömyyspisteet, jotka [α, β, 0] C F (K). (8.40) Toisaalta, olkoon
60 1) [x, y, 1] eli z = 0, jolloin saadaan affiini osa L = {(x, y) K 2 ax + by + c = 0}. (8.47) 2) [x, y, 0] eli z = 0, jolloin saadaan äärettömyysosat Ä1 = {[ b, a]}, jos (a, b) = (0, 0); (8.48) Ä2 = P 1 (K), jos (a, b) = (0, 0); (8.49) Perustellaan nämä. Olkoon ensin (a, b) = (0, 0) ja [x, y] L ax + by = 0. Jos a = 0 sillä nyt y = 0. Vastaavasti [x, y] = [ax, ay] = [ by, ay] = [ b, a], (8.50) b = 0... [x, y] = [ b, a]. (8.50) Siten Ä1 = {[x, y] P 1 (K) ax + by = 0, (a, b) = (0, 0)} = {[ b, a]} (8.50) Olkoon seuraavaksi (a, b) = (0, 0), jolloin saadaan c = 0 ja siten z = 0. Täten Ä2 = {[x, y] P 1 (K)} = P 1 (K). (8.50) Huomaa, että Ä1 = {[ b, a]} 59
61 on piste, joka vastaa suoran ax + by + c = 0 suuntavektoria ( b, a) ja Ä2 = P 1 (K), on projektiivinen suora horisontissa. Esimerkiksi olkoon L : y = 2x 2x + ( 1)y = 0 (a, b) = (2, 1), (8.50) jolloin [x, y] = [ b, a] = [1, 2]. (8.50) Siten L = L {[1, 2]}. Esimerkki 24. d = 2. Tarkastellaan hyperbeliä H : x 2 y 2 = 1, (8.51) jonka projektiivinen sulkeuma on H : x 2 y 2 = z 2. (8.52) 1) Pisteet [x, y, 1] H määräävät affiinin osan H : x 2 y 2 = 1 (8.53) 2) äärettömyyspisteet [x, y, 0] H eli {[x, y] P 1 (K) x 2 = y 2 } = {[1, 1], [ 1, 1]} (8.54) vastaavat hyperbelin H asymptoottien y = ±x suuntavektoreita (1, 1) ja ( 1, 1). 60
62 9 Elliptiset käyrät Elliptiset käyrät ovat 3. astetta olevien algebrallisten käyrien erikoistapauksia. Esimerkki 25. d = 3. Käyrän E : y 2 = x 3 + 1, (9.1) projektiivinen sulkeuma on E : y 2 z = x 3 + z 3. (9.2) 1) Ratkaisupisteet [x, y, 1] E (9.3) määräävät affiinin osan E ja 2) Äärettömyydessä olevat ratkaisupisteet ovat {[x, y, 0] P 2 (K) y 2 0 = x x = 0} = {[0, 1, 0]}. (9.4) Yleisemminkin projektiivinen Weierstrassin käyrä C W (K) = {[x, y, z] P 2 (K) W (x, y, z) = (9.5) y 2 z + a 1 xyz + a 3 yz 2 x 3 a 2 x 2 z a 4 xz 2 a 6 z 3 = 0} koostuu affiinista osasta ja pisteestä W (x, y, 1) = 0 (9.6) O = [0, 1, 0], (9.7) joka sijaitsee äärettömyydessä. Määritelmä 9.1. Piste P = [α, β, γ] P 2 (K) on funktion F : singulaaripiste, jos osittaisderivaatat F (x, y, z), x F (x, y, z), y F (x, y, z) z P 2 (K) K 61
63 ovat nollia, kun [x, y, z] = [α, β, γ] = P. Edelleen, jos F (x, y, z) S d, niin tällöin algebrallinen käyrä C F (K) on singulaarinen, muutoin C F (K) on sileä eli säännöllinen, Määritelmä 9.2. Elliptinen käyrä E = E(K) on sileä projektiivinen Weierstrassin käyrä C W (K) eli polynomin W (x, y, z) nollajoukko E(K) = {[α, β, γ] P 2 (K) W (α, β, γ) = 0}, (9.8) missä ainakin yksi polynomin W (x, y, z) osittaisderivaatoista = 0 pisteessä P = [α, β, γ]}. Huom 12. Usein tarkastellaan affiinia elliptistä käyrää E : y 2 + a 1 xy + a 3 y = x 3 + a 2 x 2 + a 4 x + a 6, a i K, (9.9) varustettuna nolla-alkiolla O = [0, 1, 0] ja merkitään O E = E(K). Huom 13. Sanotaan, että käyrä F (x, y, z) = 0 on määritelty kunnan K yli, kun F (x, y, z) K[x, y, z]. Kuitenkin voidaan tutkia käyrän C F pisteitä projektiivisessä avaruudessa P 2 (L), missä L on kunnan K laajennuskunta, jolloin merkitään C F (L) = {[x, y, z] P 2 (L) F (x, y, z) = 0}. (9.10) Vastaavasti merkitään E(L) = C W (L). 9.1 Tapaus char K = 2, 3 Olkoon nyt jolloin a 1 = a 2 = a 3 = 0, a 4 = a, a 6 = b, (9.11) W (x, y, z) = y 2 z x 3 axz 2 bz 3. (9.12) 62
64 Tällöin saadaan Elliptinen käyrä E : y 2 z = x 3 + axz 2 + bz 3 ; a, b K, (9.13) jonka affiini osa on E : y 2 = x 3 + ax + b = f(x). (9.14) Määritelmä 9.3. Elliptisen käyrän E diskriminantti on 16Δ, missä Δ = 4a b 2. (9.15) Lause 9.1. Käyrä E on sileä Δ = 0. Tällöin määritelmän 9.2 "erikoistapauksena"asetetaan. Määritelmä 9.4. Olkoon char K = 2, 3; a, b K L ja W (x, y, z) = y 2 z x 3 axz 2 bz 3, Δ = 4a b 2 = 0. (9.16) Tällöin nollajoukko E(L) = {[α, β, γ] P 2 (L) W (α, β, γ) = 0} (9.17) on elliptinen käyrä kunnan K yli. Voidaan osoittaa, että tässä tapauksessa kaikki elliptiset käyrät ovat isomorfiaa vaille määritelmän 9.4 mukaisia. Nytkin sanotaan, että affiini käyrä E : y 2 = x 3 + ax + b, a, b K, Δ = 0 (9.18) varustettuna alkiolla O = [0, 1, 0] määrää elliptisen käyrän E(L) kunnan K yli ja merkitään E(L)/K tai E(L). Esimerkki 26. a) K = F 11 = Z 11, a = 1, b = 5. E : y 2 = x 3 + x + 5 = f(x) Z 11 [x], (9.19) 4a b 2 = 0 Z 11. (9.20) 63
65 Siten E on elliptinen käyrä kunnan Z 11 yli, merkitään E/Z 11. Kunnan Z 11 neliöt ovat {1, 4, 9, 5, 3} = {(±1) 2, (±2) 2, (±3) 2, (±4) 2, (±5) 2 }, (9.21) sillä x = 11 x. Täten Elliptinen käyrä E = E(Z 11 ) on pistejoukko E(Z 11 ) = {[x, y, z] y 2 z = x 3 + xz 2 + 5z 3 } (9.22) = {O = [0, 1, 0]} {(x, y) y 2 = x 3 + x + 5}. Siis jolloin E(Z 11 ) = {O, (0, ±4), (2, ±9), (5, ±5), (7, ±5), (10, ±5)}, (9.23) #E(Z 11 ) = = 11. (9.24) 64
66 (x, y) E x x 3 + x + 5 y (0, 4) (0, 7) = (2, 2) (2, 9) = (5, 5) (5, 6) = (7, 5) (7, 6) = (10, 5) 10 = (10, 6) E(L) on ryhmä Kerrataan vielä, että O E = E(L). Määritelmä Olkoot P = (x 1, y 1 ), Q = (x 2, y 2 ) E {O}. (10.1) Tällöin asetetaan: 1) O + S = S, S E "nolla-alkio"; 65
67 2) P = (x 1, y 1 a 1 x 1 a 3 ) "vasta-alkio"; 3) P + Q = (x 3, y 3 ), missä x 3 = α 2 + a 1 α a 2 x 1 x 2, y 3 = (α + a 1 )x 3 y 1 + αx 1 a 3, y 2 y 1 x α = 2 x 1, kun x 2 = x 1 3x a 2 x 1 +a 4 a 1 y 1 2y 1 +a 1 x 1 +a 3, kun P = Q; =0 4 P + Q = O, kun P = Q ja 2y 1 + a 1 x 1 + a 3 = 0. Huom: Kun kohdassa 3) pätee P = Q ja x 2 = x 1, (10.2) niin P + Q = O eli Q = P, (10.3) joka palautuu kohtaan 2). Voidaan todistaa, että Lause (E(L), +) on Abelin ryhmä Tapaus char K = 2, 3 Olkoon nyt a, b K L ja E : y 2 = x 3 + ax + b; Δ = 0, O E(L). (10.4) Koska a 1 = a 2 = a 3 = 0, a 4 = a, a 6 = b, niin määritelmän 10.1 erikoistapauksena saadaan 66
68 Määritelmä Olkoot P = (x 1, y 1 ), Q = (x 2, y 2 ) E(L) {O}. (10.5) Tällöin asetetaan 1) O + S = S, S E(L) nolla-alkio; 2) P = (x 1, y 1 ) vasta-alkio; 3) P + Q = (x 3, y 3 ), missä ja x 3 = α 2 x 1 x 2, y 3 = α(x 1 x 3 ) y 1, y 2 y 1 x α = 2 x 1, kun P = Q, x 2 = x 1 3x 2 1 +a 2y 1, kun P = Q, y 1 = 0 tuplaus; 4) P + Q = 2P = O, kun P = Q ja y 1 = 0 tuplaus. (10.6) (10.7) Perustellaan Määritelmän 10.2 kohtien 2) 4) yhteenlaskukaavat lähtien 1) kohdasta eli
69 Tässä E : y 2 z = x 3 + axz 2 + bz 3 L : Ax + By + Cz = 0. (10.10) Aluksi todetaan seuraavaa: P, Q, O E (10.11) P, Q L L:n yhtälö (10.12) {P, Q, R} L E. (10.13) Olkoon siis P = (x 1, y 1 ), Q = (x 2, y 2 ) E {O} = E. (10.14) (I) Olkoon P = Q eli y 2 = y 1 tai x 2 = x 1. a) x 2 = x 1 siis y 2 = y 1. Tällöin P, Q L, missä L on affiini suora L : x = x 1, (10.15) jonka projektiivinen sulkeuma on L : x = x 1 z. (10.16) Nyt joten [x, y, z] L E (10.17) y 2 z = (x ax 1 + b)z 3 (10.18) 2) z = 0 x = 0 y = 0 tai 1) z = 0 y 2 = (x ax 1 + b)z 2 = y 1 2 z 2. Edelleen 68
70 2) [x, y, z] = [0, 1, 0] tai 1) [x, y, z] = [x 1 z, ±y 1 z, z] = [x 1, ±y 1, 1], tässä [x 1, y 1, 1] P = (x 1, y 1 ), Koska niin välttämättä L E = {P, Q, R} = {(x 1, y 1 ), (x 1, y 1 ), O}, (10.19) R = O Q = (x 1, y 1 ). (10.20) Tällöin [JAC] (P + Q) + R = P + Q = O Q = P. (10.21) Siten saatiin 2) kohta: P = (x 1, y 1 ). (10.22) Olkoon R = (r 1, r 2 ) (P + Q) + R = O P + Q = R. (10.23) Täten (x 3, y 3 ) = (r 1, r 2 ) = (r 1, r 2 ) x 3 = r 1, y 3 = r 2. (10.24) (I) b) x 2 = x 1. Nyt P, Q L, missä L : y = y 2 y 1 x 2 x 1 (x x 1 ) + y 1 (10.25) eli ja L : y = αx + β; α = y 2 y 1 x 2 x 1 (10.26) E : y 2 = x 3 + ax + b. (10.27) 69
71 Nyt E L = {P, Q, R}, jolloin (αx + β) 2 = x 3 + ax + b (10.28) x 3 α 2 x 2 + (a 2αβ)x + b β 2 = 0 (10.29) (x x 1 )(x x 2 )(x r 1 ) = 0 x 1 + x 2 + r 1 = α 2 (10.30) ja koska r 1 = x 3, niin x 3 = α 2 x 1 x 2. (10.31) Vielä, koska joten R = (r 1, r 2 ) L r 2 = α(r 1 x 1 ) + y 1 (10.32) y 3 = α(x 1 x 3 ) y 1, (10.33) sillä y 3 = r 2. (II) Olkoon P = Q eli x 2 = x 1, y 2 = y 1. a) Jos y 1 = 0 P = P (10.34) ja siten P + Q = 2P = O. (10.35) b) Olkoon y 1 = 0, jolloin kohdasta (I) b) saadaan (x 2 x 1 ) 2 x 3 = (y 2 y 1 ) 2 (x 1 + x 2 )(x 2 x 1 ) 2 (y 2 + y 1 ) 2 (10.36) (x 2 x 1 ) 2 (y 2 + y 1 ) 2 x 3 = (10.37) 70
72 ( y y }{{ 1 ) } 2 (x 1 + x 2 )(x 2 x 1 ) 2 (y 2 + y 1 ) 2 x 3 2 x 3 1 +a(x 2 x 1 ) (y 2 + y 1 ) 2 x 3 = (x x 2 x 1 + x a) 2 (x 1 + x 2 )(y 2 + y 1 ) 2. (10.38) Asetetaan x 2 = x 1, y 2 = y 1, joten (2y 1 ) 2 x 3 = (3x a) 2 2x 1 (2y 1 ) 2 (10.39) ja nytkin y 3 = r 2 = α(x 1 x 3 ) y 1. (10.40) Huom: Derivaattaa (raja-arvo prosessi) ei voida käyttää esimerkiksi äärellisissä kunnissa. Jatketaan Esimerkkiä 26: E = E(Z 11 ), E : y 2 = x 3 + x + 5; a = 1, b = 5. Olkoon P = (0, 4) E. Lasketaan 2P = (0, 4) + (0, 4) = (x 3, y 3 ) α = = 1 = x 3 = = 5 y 3 = 7(0 5) 4 = 39 = 5 2(0, 4) = (5, 5) 4(0, 4) = 2(5, 5) = (x 3, x 4 ) α = = = x 3 = = 9 = 2 y 3 = 1(5 2) 5 = 9 4(0, 4) = (2, 9) 3P = P + 2P = (0, 4) + (5, 5) 71
73 α = = 1 5 = 9 x 3 = = 4 5 = 10 y 3 = 9(0 10) 4 = 5 3P = (10, 5) 5P = P + 4P = (7, 6), 5P = ( x 1 0, y 1 4) + ( x 2, y 2 9), α = = 6 5 = 3, x 3 = = 7, y 3 = 3 (0 7) 4 = 1 4 = 6. Koska 6P = ( 5)P = 5P = (7, 6) = (7, 5) 7P = ( 4)P = 4P = (2, 9) = (2, 2)... #E = 11 11P = O, P E (10.41) Yhteenlaskuryhmän kertaluvuista Potenssia a n vastaa yhteenlaskuryhmässä monikerta np = P } +. {{.. + P } ; 0P = O; (10.42) n kpl ( n)p = np, n Z +. (10.43) 72
74 Yhteenlaskuversio Kertolaskuversio ordp = h hp = O ja a h = 1 # P = h, missä h = min{k Z + kp = O} P = {lp l Z} a = {a l l Z} P = {0P, 1P,..., (h 1)P }, a = {a 0, a 1,..., a h 1 }. ord O = 1. ord 1 = 1. ord P = 2 ord a = 2 2P = O P = P. a 2 = 1 a 1 = a. Esim: (Z 10, +) : = 0 Esim: (Z 11, ) : 10 2 = 1-5=5 ord5 = = 10 ord10 = 2. 73
75 Olkoon seuraavassa E = E(L) elliptisen käyrän määräämä pistejoukko, joka on kommutatiivinen ryhmä. Olkoon N = N(E) = #E(L), tällöin NP = O, P E (10.44) ja ord P N, P E. (10.45) Olkoon H E aliryhmä ja #H = p P. Tällöin jokainen H:n alkio = P = O on H:n generaattori eli P = H; P H {O}. (10.46) Esimerkki 27. Jatketaan Esimerkkiä 26: N = #E(Z 11 ) = 11 P E(Z 11 ) = P, P E(Z 11 ) {O}. (10.47) Siten E(Z 11 ) = (0, 4) = (7, 5) =... (10.48) Olkoon seuraavassa K = F q : q = p f ja K L = F q ; q = q g sekä elliptisen käyrän ryhmä E = E(L). Merkitään vielä kp = (x k, y k ), k N, x k, y k L = F q. (10.49) Lause Nopea monikerta. T IME(x k, y k ) = O(log k log 3 q ). (10.50) 74
76 Todistus. Lemman 4.13 nojalla tarvitaan O(log k) ryhmän E laskutoimitusta, joissa jokaisessa korkeintaan 20 F q :n laskutoimitusta, joiden kompleksisuus = O(log 3 q ). (10.51) T IME(x k, y k ) = O(log k) 20 O(log 3 q ). (10.52) Esimerkki = = 2 2 ( ) (10.53) 100P = 2 2(2 2 2(2P + P ) + P ) (10.54) (8 laskua ja arvio 2 log = 12). Olkoon B E(F q ) annettu. Monikerta kb vastaa potenssia β k, joten nytkin luku k määritellään diskreetiksi logaritmiksi kannan B suhteen. Koska ryhmä E(F q ) ei ole välttämättä syklinen, niin B:ksi valitaan piste, jonka kertaluku ord B on tarpeeksi iso. Määritelmä Olkoon B = H, h = #H <. Alkion P H diskreetti logaritmi kannan B suhteen on luku k {0, 1,..., h 1}, jolle P = kb. Merkitään: k = log B P. Erityisesti 0B = O log B O = 0. Määritelmää 10.3 sovelletaan nyt erityisesti elliptisen käyrän syklisessä aliryhmässä H E(F q ). Nopean monikerran takia yksittäisen alkion B monikerta kb on nopeasti laskettavissa (polynomiajassa). Toisaalta ei tunneta nopeaa (polynomiaikaista) algoritmia, jolla log B P saadaan. EDL-HYPOTEESI: Elliptisen käyrän E(F q ) pisteen P diskreetti logaritmi log B P on vaikeampi määrätä kuin ryhmän F q alkion a diskreetti logaritmi log β a. 75
77 Esimerkki 29. y 2 = x 3 + x + 5 Z 11 [x]. E(Z 11 ) = B B = (0, 4) X log B X ord X 0B = O 0 1 1B = (0, 4) B = (5, 5) B = (10, 5) B = (2, 9) B = (7, 6) B = (7, 5) B = (2, 2) B = (10, 6) B = (5, 6) B = (0, 7) B = O 11 Kryptausjärjestelmiä/Elliptiset käyrät 11.1 Diffie-Helmann avaimenvaihto/elliptinen analogia Sovitaan ryhmä E = E(F q ), Q E, H = Q, h = #H. user secret key public key common keys A a K A K A,B B b K B K B,A Käyttäjä X muodostaa
78 Tällöin käyttäjät X ja Y saavat
79 Käyttäjä A kryptaa viestin P m laskemalla:
80 m = (u 1, u 2 ) F 2 q, jonka ei välttämättä tarvitse olla käyrällä E.
81 12 Ryhmän E(L) rakenne Olkoon seuraavassa N = #E(L) elliptisen käyrän yhteenlaskuryhmän E(L) kertaluku, missä E on elliptinen käyrä kunnan L alikunnan K yli. Kertaluvulle N voidaan todistaa Lause (Hasse) Olkoon L = F q. Tällöin N (q + 1) 2 q. (12.1) Siis q q N q q, (12.2) jota sanotaan Hassen väliksi. Edelleen voidaan sanoa, että N = q O(q 1 2 ) N q + 1. (12.3) Karakteerit Monissa tapauksissa karakteerien avulla saadaan Hassen rajaa parempia arvioita tai jopa tarkkoja arvoja kertaluvulle N. Olkoon seuraavassa K = F q, F q = β, q = p m, p 5, joten char K = 2, 3 sekä E : y 2 = x 3 +ax+b F q [x], Δ = 0, tutkittava elliptinen käyrä. Huomioidaan aluksi, että x F q pätee #{y F q (x, y) E} 2, (12.4) joten N = #E 1 + 2q. Jos, charf q = 2, niin 2 q 1 ja siten Lukuteoria A: Lauseen 6.1 nojalla ryhmässä F q on yhtä paljon neliöitä ja epäneliöitä eli F q = { 1,..., q 1 2 } { 1,..., q 1 }. (12.5) 2 Edelleen, β q 1 2 = 1, ja jos 2 q 1, niin 1 =. (12.6) 2 80
82 Määritelmä Olkoon G äärellinen Abelin ryhmä. Homomorfismi on ryhmän G karakteri. χ : G C Koska χ on homomorfismi, niin χ(ab) = χ(a)χ(b), a, b G χ(1) = 1 Määritelmä Neliökarakteeri on kuvaus χ : F q {0, ±1}; 1, x = χ (x) = 1, x = (12.7) 0, x = 0, Myös -karakteeria sanotaan karakteeriksi. Määritelmä Olkoon a Z ja p P 3. Legendren symboli ( a p ) määritellään asettamalla 0, jos p a ( a = 1, jos a on neliönjäännös (mod p) p) 1, jos a on epäneliö (mod p). (12.8) Legendren symboli kertoo, milloin a on neliönjäännös (mod p) eli milloin a on neliö Z p:ssä. Lause Eulerin kriteeri. Olkoon a Z ja p P 3. Tällöin ( a p) a p 1 2 (mod p). (12.9) 81
83 Huom 14. Legendren symboli ( x ) on -karakteri p ( ) x : Z p {0, ±1}. (12.10) p Olkoon χ = χ neliökarakteeri, tällöin N = 1 + x F q (1 + χ(x 3 + ax + b)) = 1 + q + x F q χ(x 3 + ax + b), (12.11) jonka avulla kertaluku voidaan määrittää eräissä tapauksissa. Esimerkki 33. Olkoon E : y 2 = x 3 x = f(x) Z 71 [x], (12.12) missä Δ = 4a b 2 = 0 Z 71, joten saadaan ryhmä E(Z 71 ). Nyt Legendren symboli ( x χ(x) = (12.13) 71) on -karakteri, jolloin χ(f( x)) = χ( (x 3 x)) = χ( 1)χ(x 3 x) = (12.14) ( 1) χ(x 3 x) = χ(x 3 x) = χ(f(x)). (12.15) Täten x Z 71 χ(f(x)) = χ(f(0))+ (12.16) χ(f(x)) + χ(f( x)) = (12.17) x {1,...,35} x {1,...,35} χ(0) + A + ( A) = 0, (12.18) josta saadaan N = #E = q + 1 = 72. (12.19) 82
84 Edelleen 72P = O P E(Z 71 ), (12.20) 37P = 35P, S = 36P = 36P, (12.21) joten esimerkiksi 2S = O ord S 2. (12.22) Ryhmän E(L) kertaluvusta (Ei vaadita tentissä) Lause Olkoon, q = p m, p P, m Z +. Tällöin on olemassa sellainen elliptinen käyrä kunnan F q yli, että #E(F q ) = q + 1 t täsmälleen, silloin kun pätee 1) tai 2) tai 3), missä (1) t 0 (mod p) ja t 2 4q. (2) 2 m ja joko a) t = 0 tai b) t 2 = 2q ja p = 2 tai c) t 2 = 3q ja p = 3. (3) 2 m ja joko a) t 2 = 4q tai b) t 2 = q ja p 1 (mod 3) tai c) t = 0 ja p 1 (mod 4). Tässä t on E:n jälki. Lauseesta 12.3 saadaan Lause Jokaista alkulua p ja kokonaislukua t kohti on olemassa elliptinen käyrä E/F p, missä #E(F p ) = p + 1 t, t 2 p. 83
85 Lemma Lause Jos niin E(F q ) E(F q n) n Z +. #E(F q ) = q + 1 t, #E(F q n) = q n + 1 v n n Z +, missä v 0 = 2, v 1 = t ja v n = v 1 v n 1 qv n 2 aina, kun n Ryhmän E(L) rakenteesta Olkoon m Z. Tällöin joukko E[m] = {P E(L) mp = O} on ryhmän E(L) aliryhmä. Määritelmä E[m] on m-torsio aliryhmä. Lause (Ei vaadita tentissä) Olkoon K = F q = GF (p r ), tällöin a) Joko E[p l ] = {O}, l Z + tai E[p l ] = Z p l, l Z +. b) E[m] = Z m Z m m p. c) Olkoon m p. Tällöin, jos E[m] E(F q ), niin m q 1. Lause (Ei vaadita tentissä) E(F q ) = Z m Z mn joillakin n, m Z + ja m q 1. Esimerkki 34. Tarkastellaan 2-torsio aliryhmää E[2] = {p E(L) 2P = O}. 84
86 Tässä 2P = O P = O tai P = (x, y) = P = (x, y) y = 0 f(x) = x 3 + ax + b = 0. (12.24) 13 Projektiiviset yhteenlaskukaavat Yhteenlaskukaavat voidaan siirtää projektiiviseen esitykseen, jolloin nimittäjät voidaan heittää z-koordinaattiin. Tällöin saavutetaan usein nopeusetua, koska yleensä käänteisalkiomääritys on hidasta (useisiinkin) kertolaskuihin verrattuna. Toisaalta nyt elliptisiä käyriä voidaan tarkastella myös renkaiden yli, sillä mahdolliset nollantekijät eivät enää aiheuta harmeja kuten aikaisemmissa nimittäjälausekkeissa. Olkoon pisteen P E projektiivinen sulkeuma piste P = [x, y, z] ja sen monikerta kp = [X k, Y k, Z k ]. Yhteenlaskukaavojen nojalla (x = x 1 = x 2, y = y 1 = y 2 ) 2P = (x 3, y 3 ), missä x 3 = (3x2 +a) 2 8xy 2 (2y) 2, y 3 = (3x2 +a)(12xy 2 (3x 2 +a) 2 8y 4 ) 8y 3. Edelleen x 3 = (x2 +a) 2 8bx 4(x 3 +ax+b) vapaa y:stä! y 3 = x6 +5ax 4 +20bx 3 5a 2 x 2 4abx a 3 8b 2 8y 3. Homogenisoidaan P = (x, y) P asettamalla x x z, y y z P = [X, Y, Z], joten kun 2P = O, niin 2P = [ (x2 az 2 ) 2 8bxz 3 4z(x 3 +axz 2 +bz 3 ),..., 1] = [X 2, Y 2, Z 2 ], 85
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Yleistä Työkaluja Asymptoottisesti sama ISO OO Kongruenssi 0-14
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 Sisältö 1 Yleistä 0-6 2 Työkaluja 0-8 2.1 Asymptoottisesti sama............. 0-8 2.2 ISO OO.................... 0-10 3 Kongruenssi 0-14 3.1 Yksikköryhmä.................
Lisätiedotpdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Yleistä Merkintöjä Lukujoukot Sekalaisia merkintöjä Työkaluja 0-10
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 Sisältö 1 Yleistä 0-5 1.1 Merkintöjä................... 0-7 1.1.1 Lukujoukot............... 0-7 1.1.2 Sekalaisia merkintöjä.......... 0-8 2 Työkaluja 0-10 2.1 Porrasfunktiot.................
Lisätiedotpdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 LUKUTEORIAA JA MUITA TYÖKALUJA SALAUKSEEN Lukujoukot Sekalaisia merkintöjä...
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 Sisältö 1 LUKUTEORIAA JA MUITA TYÖKALUJA SALAUKSEEN 0-2 2 Merkintöjä 0-3 2.1 Lukujoukot................... 0-3 2.2 Sekalaisia merkintöjä.............. 0-4 2.3 Tärkeitä kaavoja................
Lisätiedot802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita
802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LUKUTEORIA 1 / 25 Lukujoukkoja N = {0, 1, 2,..., GOOGOL 10,...} = {ei-negatiiviset
LisätiedotTOOLS. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO TOOLS 1 / 28
TOOLS Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO 2018 TOOLS 1 / 28 Merkintöjä ja algebrallisia rakenteita Lukujoukkoja N = {0, 1, 2,..., GOOGOL 10,...} = {ei-negatiiviset kokonaisluvut}. TOOLS
Lisätiedot802645S LUKUTEORIA A (5op) Tapani Matala-aho
802645S LUKUTEORIA A (5op) Tapani Matala-aho 25. lokakuuta 2015 Sisältö 1 Johdanto 3 2 Valittuja kaavoja 4 3 Valittuja jaollisuuden tuloksia 4 4 Renkaan yksikköryhmä 6 5 Eulerin funktio 7 6 Euler-Fermat
Lisätiedotpdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 3 Valittuja jaollisuuden tuloksia Renkaan yksikköryhmä Eräs kongruenssiryhmä 0-17
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 Sisältö 1 Johdanto 0-3 2 Valittuja kaavoja 0-5 3 Valittuja jaollisuuden tuloksia 0-7 4 Renkaan yksikköryhmä 0-9 5 Eulerin funktio 0-11 6 Euler-Fermat 0-16 7 Eräs kongruenssiryhmä
Lisätiedot[E : F ]=[E : K][K : F ].
ALGEBRA II 35 Lause 4.4 (Astelukulause). Olkoot E/K/Fäärellisiä kuntalaajennuksia. Silloin [E : F ]=[E : K][K : F ]. Todistus. Olkoon {α 1,...,α n } kanta laajennukselle E/K ja {β 1,...,β m } kanta laajennukselle
Lisätiedot802645S LUKUTEORIA A (5op) Tapani Matala-aho
802645S LUKUTEORIA A (5op) Tapani Matala-aho 27. helmikuuta 2013 Sisältö 1 Johdanto 3 2 Merkintöjä 4 3 Valittuja jaollisuuden tuloksia 5 4 Renkaan yksikköryhmä 6 5 Eulerin funktio 7 6 Euler-Fermat 10 7
LisätiedotLUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät 2013. (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että
LUKUTEORIA A Harjoitustehtäviä, kevät 2013 1. Olkoot a, b, c Z, p P ja k, n Z +. (a) Osoita, että jos niin Osoita, että jos niin (c) Osoita, että jos niin (d) Osoita, että (e) Osoita, että a bc ja a c,
Lisätiedot7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi
7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi Z p [x]/(m), missä m on polynomirenkaan Z p [x] jaoton polynomi (ks. määritelmä 3.19).
LisätiedotMAT-41150 Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen
MAT-41150 Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen Tehtävä 1. Onko joukon X potenssijoukon P(X) laskutoimitus distributiivinen laskutoimituksen suhteen? Onko laskutoimitus distributiivinen laskutoimituksen
LisätiedotLukuteorian kertausta
Lukuteorian kertausta Jakoalgoritmi Jos a, b Z ja b 0, niin on olemassa sellaiset yksikäsitteiset kokonaisluvut q ja r, että a = qb+r, missä 0 r < b. Esimerkki 1: Jos a = 60 ja b = 11, niin 60 = 5 11 +
Lisätiedot1 Algebralliset perusteet
1 Algebralliset perusteet 1.1 Renkaat Tämän luvun jälkeen opiskelijoiden odotetaan muistavan, mitä ovat renkaat, vaihdannaiset renkaat, alirenkaat, homomorfismit, ideaalit, tekijärenkaat, maksimaaliset
Lisätiedota b 1 c b n c n
Algebra Syksy 2007 Harjoitukset 1. Olkoon a Z. Totea, että aina a 0, 1 a, a a ja a a. 2. Olkoot a, b, c, d Z. Todista implikaatiot: a) a b ja c d ac bd, b) a b ja b c a c. 3. Olkoon a b i kaikilla i =
Lisätiedot802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen
802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy 2016 Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen Sisältö 1 Kertausta kurssilta Algebran perusteet 3 2 Renkaat 8 2.1 Renkaiden teoriaa.........................
LisätiedotEsko Turunen Luku 3. Ryhmät
3. Ryhmät Monoidia rikkaampi algebrallinen struktuuri on ryhmä: Määritelmä (3.1) Olkoon joukon G laskutoimitus. Joukko G varustettuna tällä laskutoimituksella on ryhmä, jos laskutoimitus on assosiatiivinen,
Lisätiedotja jäännösluokkien joukkoa
3. Polynomien jäännösluokkarenkaat Olkoon F kunta, ja olkoon m F[x]. Polynomeille f, g F [x] määritellään kongruenssi(-relaatio) asettamalla g f mod m : m g f g = f + m h jollekin h F [x]. Kongruenssi
LisätiedotPolynomien suurin yhteinen tekijä ja kongruenssi
Polynomien suurin yhteinen tekijä ja kongruenssi Pro gradu -tutkielma Outi Aksela 2117470 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Renkaat 3 1.1 Rengas...............................
Lisätiedotkoska 2 toteuttaa rationaalikertoimisen yhtälön x 2 2 = 0. Laajennuskunnan
4. Äärellisten kuntien yleisiä ominaisuuksia 4.1. Laajenuskunnat. Tarkastellaan aluksi yleistä kuntaparia F ja K, missä F on kunnan K alikunta. Tällöin sanotaan, että kunta K on kunnan F laajennuskunta
Lisätiedot802355A Renkaat, kunnat ja polynomit Luentorunko Syksy 2013
802355A Renkaat, kunnat ja polynomit Luentorunko Syksy 2013 Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä Sisältö 1 Kertausta kurssilta Lukuteoria ja ryhmät
Lisätiedotkaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja
Renkaat Tarkastelemme seuraavaksi rakenteita, joissa on määritelty kaksi binääristä assosiatiivista laskutoimitusta, joista toinen on kommutatiivinen. Vaadimme muuten samat ominaisuudet kuin kokonaisluvuilta,
LisätiedotKoodausteoria, Kesä 2014
Koodausteoria, Kesä 2014 Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 4.7 Syklisen koodin jälkiesitys Olkoon F = F q ja K = F q m kunnan F laajennuskunta. Määritelmä 4.7.1. Kuntalaajennuksen K/F jälkifunktioksi
Lisätiedot2 1/ /2 ; (a) Todista, että deg P (x)q(x) = deg P (x) + deg Q(x). (b) Osoita, että jos nolla-polynomille pätisi. deg 0(x) Z, Z 10 ; Z 10 [x];
802656S ALGEBRALLISET LUVUT Harjoituksia 2017 1. Näytä, että (a) (b) (c) (d) (e) 2 1/2, 3 1/2, 2 1/3 ; 2 1/2 + 3 1/2 ; 2 1/3 + 3 1/2 ; e iπ/m, m Z \ {0}; sin(π/m), cos(π/m), tan(π/m), m Z \ {0}; ovat algebrallisia
Lisätiedotd Z + 17 Viimeksi muutettu
5. Diffien ja Hellmanin avaintenvaihto Miten on mahdollista välittää salatun viestin avaamiseen tarkoitettu avain Internetin kaltaisen avoimen liikennöintiväylän kautta? Kuka tahansahan voi (ainakin periaatteessa)
Lisätiedot14. Juurikunnat Määritelmä ja olemassaolo.
14. Juurikunnat Mielivaltaisella polynomilla ei välttämättä ole juuria tarkasteltavassa kunnassa. Tässä luvussa tutkitaan sellaisia algebrallisia laajennoksia, jotka saadaan lisäämällä polynomeille juuria.
Lisätiedot1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus
1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus 1.1 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoon K kunta, jonka nolla-alkio on 0 ja ykkösalkio on 1 sekä V epätyhjä joukko. Oletetaan, että joukossa V on määritelty laskutoimitus
Lisätiedoton Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään
5. Primitiivinen alkio 5.1. Täydennystä lukuteoriaan. Olkoon n Z, n 2. Palautettakoon mieleen, että kokonaislukujen jäännösluokkarenkaan kääntyvien alkioiden muodostama osajoukko Z n := {x Z n x on kääntyvä}
Lisätiedot802320A LINEAARIALGEBRA OSA I
802320A LINEAARIALGEBRA OSA I Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LINEAARIALGEBRA 1 / 72 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoon K kunta, jonka nolla-alkio on 0 ja ykkösalkio on 1 sekä
Lisätiedotei ole muita välikuntia.
ALGEBRA II 41 Lause 4.15. F q m on polynomin x qm x hajoamiskunta kunnan F q suhteen. Todistus. Olkoon α kunnan F q m primitiivialkio. Nyt F qm =< α > muodostuu täsmälleen polynomin x qm 1 1nollakohdistajatäten
LisätiedotKoodausteoria, Kesä 2014
Koodausteoria, Kesä 2014 Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos Koodausteoria 10 op Kontaktiopetusta 50 h, 26.5. - 26.6. ma 10-14, ti 10-13, to 10-13 Aloitusviikolla poikkeuksellisesti ke 10-13 torstain
Lisätiedotrenkaissa. 0 R x + x =(0 R +1 R )x =1 R x = x
8. Renkaat Tarkastelemme seuraavaksi rakenteita, joissa on määritelty kaksi assosiatiivista laskutoimitusta, joista toinen on kommutatiivinen. Vaadimme näiltä kahdella laskutoimituksella varustetuilta
LisätiedotAlgebran ja lukuteorian harjoitustehtäviä. 1. Tutki, ovatko seuraavat relaatiot ekvivalenssirelaatioita joukon N kaikkien osajoukkojen
Algebran ja lukuteorian harjoitustehtäviä Versio 1.0 (27.1.2006) Turun yliopisto Lukuteoria 1. Tutki, ovatko seuraavat relaatiot ekvivalenssirelaatioita joukon N kaikkien osajoukkojen joukolla: a) C D
Lisätiedot800333A Algebra I Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä
800333A Algebra I Luentorunko Kevät 2010 Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä Sisältö 1 Lukuteorian alkeita 3 1.1 Kongruenssiin liittyviä perustuloksia.............. 7 2 Ekvivalenssirelaatio
LisätiedotÄärelliset kunnat ja polynomien jako alkutekijöihin
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Heidi Kananoja Äärelliset kunnat ja polynomien jako alkutekijöihin Matematiikan, tilastotieteen ja filosofian laitos Matematiikka Syyskuu 2007 Tampereen yliopisto
Lisätiedot802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA II BASICS OF NUMBER THEORY PART II
802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA II BASICS OF NUMBER THEORY PART II Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LUKUTEORIA 1 / 94 KERTOMAT, BINOMIKERTOIMET Kertoma/Factorial Määritellään
LisätiedotLiite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet
Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet 1. Ryhmät 1.1 Johdanto Erilaisissa matematiikan probleemoissa törmätään usein muotoa a + x = b tai a x = b oleviin yhtälöihin, joissa tuntematon muuttuja on x. Lukujoukkoja
Lisätiedotk=1 b kx k K-kertoimisia polynomeja, P (X)+Q(X) = (a k + b k )X k n+m a i b j X k. i+j=k k=0
1. Polynomit Tässä luvussa tarkastelemme polynomien muodostamia renkaita polynomien ollisuutta käsitteleviä perustuloksia. Teemme luvun alkuun kaksi sopimusta: Tässä luvussa X on muodollinen symboli, jota
LisätiedotMAT Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen
MAT-41150 Algebra I (s) periodeilla IV ja V/2009. Esko Turunen Tämä tiedosto sisältää kurssin kaikki laskuharjoitukset. viikottain uusia tehtäviä. Tiedostoon lisätään To 05.02.09 pidetyt harjoitukset.
LisätiedotTAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Tommi Kuusisto
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Tommi Kuusisto Äärellisistä kunnista Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka Huhtikuu 2008 Tampereen yliopisto Matematiikan, tilastotieteen ja filosofian
LisätiedotKoodausteoria, Kesä 2014
Koodausteoria, Kesä 2014 Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 5.2 BCH-koodin dekoodaus Tarkastellaan t virhettä korjaavaa n-pituista BCH-koodia. Olkoon α primitiivinen n:s ykkösen juuri, c = c(x)
Lisätiedot802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä
802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät 2017 Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä Sisältö 1 Lukuteoriaa 3 1.1 Jakoalgoritmi ja alkuluvut.................... 3 1.2 Suurin yhteinen tekijä......................
Lisätiedotrm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.
9. Renkaat Z ja Z/qZ Tarkastelemme tässä luvussa jaollisuutta kokonaislukujen renkaassa Z ja todistamme tuloksia, joita käytetään jäännösluokkarenkaan Z/qZ ominaisuuksien tarkastelussa. Jos a, b, c Z ovat
Lisätiedot2 Renkaat ja kunnat. toteutuvat: 1. pari (K, +) on Abelin ryhmä, jonka neutraalialkio on 0 K,
1 Ryhmät Olkoot S on joukko ja X S. Jos kuvaus : S S S, (x, y) x y toteuttaa ehdon x y X kaikilla x, y X, niin sanotaan, että binäärinen operaatio on suljettu joukon X suhteen. Määritelmä 1. Olkoot G joukko
LisätiedotMitään muita operaatioita symbolille ei ole määritelty! < a kaikilla kokonaisluvuilla a, + a = kaikilla kokonaisluvuilla a.
Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden teoriaa ja polynomiyhtälöiden ratkaisemista. Algebrassa on tapana pitää erillään polynomin ja polynomifunktion käsitteet. Polynomit Tarkastelemme polynomirenkaiden
LisätiedotFermat n pieni lause. Heikki Pitkänen. Matematiikan kandidaatintutkielma
Fermat n pieni lause Heikki Pitkänen Matematiikan kandidaatintutkielma Jyväskylän yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Kevät 2009 Sisältö Johdanto 3 1. Fermat n pieni lause 3 2. Pseudoalkuluvut
Lisätiedotg : R R, g(a) = g i a i. Alkio g(a) R on polynomin arvo pisteessä a. Jos g(a) = 0, niin a on polynomin g(x) nollakohta.
ALGEBRA II 27 on homomorfismi. Ensinnäkin G(a + b) a + b G(a)+G(b) (f), G(ab) ab G(a)G(b) G(a) G(b) (f), ja koska kongruenssien vasempien ja oikeiden puolten asteet ovat pienempiä kuin f:n aste, niin homomorfiaehdot
Lisätiedot1 Johdanto Algebralliset luvut Perusteita Renkaat ja kunnat Kokonaisalue, Integral Domain...
Sisältö 1 Johdanto 0-4 1.1 Algebralliset luvut............... 0-6 2 Perusteita 0-9 3 Renkaat ja kunnat 0-11 3.1 Kokonaisalue, Integral Domain......... 0-12 3.2 Kunta, Field.................. 0-13 4 Jaollisuus
Lisätiedot802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO
8038A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 016 Sisältö 1 Irrationaaliluvuista Antiikin lukuja 6.1 Kolmio- neliö- ja tetraedriluvut...................
LisätiedotTodistus. Eliminoidaan Euleideen algoritmissa jakojäännökset alhaaltaylöspäin.
18 ALGEBRA II missä r n (x) =syt(f(x),g(x)). Lause 2.7. Olkoot f(x),g(x) K[x]. Silloin syt(f(x),g(x)) = a(x)f(x)+b(x)g(x), joillakin a(x),b(x) K[x]. Todistus. Eliminoidaan Euleideen algoritmissa jakojäännökset
LisätiedotH = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.
10. Kunnat ja kokonaisalueet Määritelmä 10.1. Olkoon K rengas, jossa on ainakin kaksi alkiota. Jos kaikki renkaan K nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, niin K on jakorengas. Kommutatiivinen jakorengas
LisätiedotSalausmenetelmät. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006)
Salausmenetelmät Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006) LUKUTEORIAA JA ALGORITMEJA 3. Kongruenssit à 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi Määritelmä 3.1 Kaksi lukua a ja b ovat keskenään kongruentteja (tai
Lisätiedot1 Johdanto Algebralliset luvut Perusteita 5. 3 Renkaat ja kunnat Kokonaisalue, Integral Domain Kunta, Field...
Sisältö 1 Johdanto 3 1.1 Algebralliset luvut.......................... 4 2 Perusteita 5 3 Renkaat ja kunnat 6 3.1 Kokonaisalue, Integral Domain................... 7 3.2 Kunta, Field.............................
LisätiedotLUKUTEORIA johdantoa
LUKUTEORIA johdantoa LUKUTEORIA JA TODISTAMINEN, MAA11 Lukuteorian tehtävä: Lukuteoria tutkii kokonaislukuja, niiden ominaisuuksia ja niiden välisiä suhteita. Kokonaislukujen maailma näyttää yksinkertaiselta,
LisätiedotAlgebra I, harjoitus 5,
Algebra I, harjoitus 5, 7.-8.10.2014. 1. 2 Osoita väitteet oikeiksi tai vääriksi. a) (R, ) on ryhmä, kun asetetaan a b = 2(a + b) aina, kun a, b R. (Tässä + on reaalilukujen tavallinen yhteenlasku.) b)
LisätiedotKuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara
Kuvauksista ja relaatioista Jonna Makkonen Ilari Vallivaara 20. lokakuuta 2004 Sisältö 1 Esipuhe 2 2 Kuvauksista 3 3 Relaatioista 8 Lähdeluettelo 12 1 1 Esipuhe Joukot ja relaatiot ovat periaatteessa äärimmäisen
LisätiedotR : renkaan R kääntyvien alkioiden joukko; R kertolaskulla varustettuna on
0. Kertausta ja täydennystä Kurssille Äärelliset kunnat tarvittavat esitiedot löytyvät Algebran kurssista [Alg]. Hyödyksi voivat myös olla (vaikka eivät välttämättömiä) Lukuteorian alkeet [LTA] ja Salakirjoitukset
LisätiedotAlgebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT
Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) 28.3.-1.4.2011 OT 1. a) Osoita, että rengas R = {[0] 10, [2] 10, [4] 10, [6] 10, [8] 10 } on kokonaisalue. Mikä
Lisätiedot(x + I) + (y + I) = (x + y)+i. (x + I)(y + I) =xy + I. kaikille x, y R.
11. Ideaalit ja tekijärenkaat Rengashomomorfismi φ: R R on erityisesti ryhmähomomorfismi φ: (R, +) (R, +) additiivisten ryhmien välillä. Rengashomomorfismin ydin määritellään tämän ryhmähomomorfismin φ
Lisätiedota 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.
Harjoitus 10 (7 sivua) Ratkaisuehdotuksia/Martina Aaltonen Tehtävä 1. Mitkä seuraavista yhtälöistä pätevät mielivaltaisen renkaan alkioille a ja b? a) a 2 ba = (a b)a b) (a + b + 1)(a b) = a 2 b 2 + a
Lisätiedot15. Laajennosten väliset homomorfismit
15. Laajennosten väliset homomorfismit Rakenteiden väliset homomorfismit auttavat selvittämään rakenteiden suhteita toisiinsa. Rakenteen sisäiset isomorfismit niin sanotut automorfismit auttavat vastaavasti
LisätiedotR 1 = Q 2 R 2 + R 3,. (2.1) R l 2 = Q l 1 R l 1 + R l,
2. Laajennettu Eukleideen algoritmi Määritelmä 2.1. Olkoot F kunta ja A, B, C, D F [x]. Sanotaan, että C jakaa A:n (tai C on A:n jakaja), jos on olemassa K F [x] siten, että A = K C; tällöin merkitään
LisätiedotALGEBRALLISET LUVUT S. Tapani Matala-aho
ALGEBRALLISET LUVUT 802656S Tapani Matala-aho 24. huhtikuuta 2014 Sisältö 1 Johdanto 4 1.1 Algebralliset luvut........................ 5 2 Perusteita 6 3 Renkaat ja kunnat 7 3.1 Kokonaisalue, Integral
LisätiedotRationaaliluvun desimaaliesitys algebrallisesta ja lukuteoreettisesta näkökulmasta
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Liisa Lampinen Rationaaliluvun desimaaliesitys algebrallisesta ja lukuteoreettisesta näkökulmasta Informaatiotieteiden yksikkö Matematiikka Kesäkuu 2016 Tampereen
LisätiedotTAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Liisa Ilonen. Primitiiviset juuret
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Liisa Ilonen Primitiiviset juuret Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka Joulukuu 2009 Tampereen yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos ILONEN,
Lisätiedot802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III
802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LUKUTEORIA 1 / 77 Irrationaaliluvuista Määritelmä 1 Luku α C \ Q on
LisätiedotPERUSASIOITA ALGEBRASTA
PERUSASIOITA ALGEBRASTA Matti Lehtinen Tässä luetellut lauseet ja käsitteet kattavat suunnilleen sen mitä algebrallisissa kilpatehtävissä edellytetään. Ns. algebrallisia struktuureja jotka ovat nykyaikaisen
LisätiedotAlgebra II. Syksy 2004 Pentti Haukkanen
Algebra II Syksy 2004 Pentti Haukkanen 1 Sisällys 1 Ryhmäteoriaa 3 1.1 Ryhmän määritelmä.... 3 1.2 Aliryhmä... 3 1.3 Sivuluokat...... 4 1.4 Sykliset ryhmät... 7 1.5 Ryhmäisomorfismi..... 11 2 Polynomeista
Lisätiedot802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä
802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät 2018 Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä Sisältö 1 Lukuteoriaa 3 1.1 Jakoalgoritmi ja alkuluvut.................... 3 1.2 Suurin yhteinen tekijä......................
LisätiedotDiskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9
Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9 Tuntitehtävät 9-10 lasketaan alkuviikon harjoituksissa ja tuntitehtävät 13-14 loppuviikon harjoituksissa. Kotitehtävät 11-12 tarkastetaan loppuviikon
LisätiedotMatematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät 3-6 4 sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto
Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät 3-6 4 sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto 3. Oletetaan, että kunnan K karakteristika on 3. Tutki,
Lisätiedot[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko
3. Tekijälaskutoimitus, kokonaisluvut ja rationaaliluvut Tässä luvussa tutustumme kolmanteen tapaan muodostaa laskutoimitus joukkoon tunnettujen laskutoimitusten avulla. Tätä varten määrittelemme ensin
Lisätiedot802320A LINEAARIALGEBRA OSA III
802320A LINEAARIALGEBRA OSA III Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2016 LINEAARIALGEBRA 1 / 56 Määritelmä Määritelmä 1 Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V
LisätiedotRenkaat ja modulit. Tässä osassa käsiteltävät renkaat ovat vaihdannaisia, ellei toisin mainita. 6. Ideaalit
Renkaat ja modulit Tässä osassa käsiteltävät renkaat ovat vaihdannaisia, ellei toisin mainita. 6. Ideaalit Tekijärenkaassa nollan ekvivalenssiluokka on alkuperäisen renkaan ideaali. Ideaalin käsitteen
LisätiedotJOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT
JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT Tehtävä 1. (i) Olkoot n, d 1 ja d n. Osoita, että (k, n) d jos ja vain jos k ad, missä (a, n/d) 1. (ii) Osoita, että jos (m j, m k ) 1 kun
Lisätiedot802354A Lukuteoria ja ryhmät Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä
802354A Lukuteoria ja ryhmät Luentorunko Kevät 2014 Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Juha-Matti Tirilä, Antti Torvikoski, Topi Törmä Sisältö 1 Ekvivalenssirelaatio 3 2 Lukuteoriaa 4 2.1 Lukuteorian
LisätiedotKoodausteoria, Kesä 2014
Koodausteoria, Kesä 2014 Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 5 BCH-, RS- ja Goppa-koodit Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 2 / 15 5.1 BCH-koodien määrittely Olkoon jälleen F = F q, syt(n,
Lisätiedotpdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Johdanto Algebralliset luvut Perusteita Renkaat ja kunnat 0-10
pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 Sisältö 1 Johdanto 0-4 1.1 Algebralliset luvut............... 0-6 2 Perusteita 0-8 3 Renkaat ja kunnat 0-10 3.1 Kokonaisalue, Integral Domain......... 0-12 3.2 Kunta, Field..................
LisätiedotShorin algoritmin matematiikkaa Edvard Fagerholm
Edvard Fagerholm 1 Määritelmiä Määritelmä 1 Ryhmä G on syklinen, jos a G s.e. G = a. Määritelmä 2 Olkoon G ryhmä. Tällöin alkion a G kertaluku ord(a) on pienin luku n N \ {0}, jolla a n = 1. Jos lukua
LisätiedotÄärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause
Tero Harju (2008/2010) Äärellisesti generoitujen Abelin ryhmien peruslause Merkintä X on joukon koko ( eli #X). Vapaat Abelin ryhmät Tässä kappaleessa käytetään Abelin ryhmille additiivista merkintää.
LisätiedotEsko Turunen MAT Algebra1(s)
Määritelmä (4.1) Olkoon G ryhmä. Olkoon H G, H. Jos joukko H varustettuna indusoidulla laskutoimituksella on ryhmä, se on ryhmän G aliryhmä. Jos H G on ryhmän G aliryhmä, merkitään usein H G, ja jos H
LisätiedotLineaariset ryhmät Pro gradu -tutkielma Miia Lillstrang Matematiikan yksikkö Oulun yliopisto 2016
Lineaariset ryhmät Pro gradu -tutkielma Miia Lillstrang 2187044 Matematiikan yksikkö Oulun yliopisto 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Esitietoja 3 1.1 Ryhmät.............................. 3 1.1.1 Ryhmä ja aliryhmä....................
LisätiedotMääritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.
1 Lineaarikuvaus 1.1 Määritelmä Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V W on lineaarinen, jos (a) L(v + w) = L(v) + L(w); (b) L(λv) = λl(v) aina, kun v, w V ja λ K. Termejä:
LisätiedotPrimitiiviset juuret: teoriaa ja sovelluksia
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Outi Sutinen Primitiiviset juuret: teoriaa ja sovelluksia Matematiikan, tilastotieteen ja filosofian laitos Matematiikka Huhtikuu 2006 Tampereen yliopisto Matematiikan,
Lisätiedota ord 13 (a)
JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 4, MALLIRATKAISUT Tehtävä 1. Etsi asteet ord p (a) luvuille a 1, 2,..., p 1 kun p = 13 ja kun p = 17. (ii) Mitkä jäännösluokat ovat primitiivisiä juuria (mod
LisätiedotEsimerkki A1. Jaetaan ryhmä G = Z 17 H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4 4 = 16 = 1}.
Jaetaan ryhmä G = Z 17 n H = 4 sivuluokkiin. Ratkaisu: Koska 17 on alkuluku, #G = 16, alkiona jäännösluokat a, a = 1, 2,..., 16. Määrätään ensin n H alkiot: H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4
LisätiedotAlgebrallisista käyristä
Tampereen yliopisto Pro gradu -tutkielma Heidi Kalliojärvi Algebrallisista käyristä Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka Elokuu 2009 Tampereen yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos
LisätiedotAlgebra I, harjoitus 8,
Algebra I, harjoitus 8, 4.-5.11.2014. 1. Olkoon G ryhmä ja H sen normaali aliryhmä. Todista, että tällöin G/H on ryhmä, kun määritellään laskutoimitus joukossa G/H asettamalla aina, kun x, y G (lauseen
Lisätiedotn (n 1) avainten vaihtoa. Miljoonalle käyttäjälle avainten vaihtoja tarvittaisiin
3. RSA Salausjärjestelmien käytön perusongelma oli pitkään seuraava: Kun Liisa ja Pentti haluavat vaihtaa salakirjoitettuja viestejä keskenään ja jos heidän käyttämänsä salausmenetelmä on symmetrinen,
Lisätiedotw + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.
Kotitehtävät, tammikuu 2011 Vaikeampi sarja 1. Ratkaise yhtälöryhmä w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1. Ratkaisu. Yhtälöryhmän ratkaisut (w, x, y, z)
LisätiedotPollardin rho-hyökkäys elliptiseen käyrään perustuvaa kryptosysteemiä vastaan
TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma Joni Mattila Pollardin rho-hyökkäys elliptiseen käyrään perustuvaa kryptosysteemiä vastaan Informaatiotieteiden yksikkö Matematiikka 2016 Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden
LisätiedotAlgebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) OT. 1. a) Määritä seuraavat summat:
Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) 21.2.-25.2.2011 OT 1. a) Määritä seuraavat summat: [2] 4 + [3] 4, [2] 5 + [3] 5, [2] 6 + [2] 6 + [2] 6, 7 [3]
Lisätiedot1 Lukujen jaollisuudesta
Matematiikan mestariluokka, syksy 2009 1 1 Lukujen jaollisuudesta Lukujoukoille käytetään seuraavia merkintöjä: N = {1, 2, 3, 4,... } Luonnolliset luvut Z = {..., 2, 1, 0, 1, 2,... } Kokonaisluvut Kun
LisätiedotNimittäin, koska s k x a r mod (p 1), saadaan Fermat n pienen lauseen avulla
6. Digitaalinen allekirjoitus Digitaalinen allekirjoitus palvelee samaa tarkoitusta kuin perinteinen käsin kirjotettu allekirjoitus, t.s. Liisa allekirjoittaessaan Pentille lähettämän viestin, hän antaa
LisätiedotJohdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma
Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten Ratkaisuehdotelma Tehtävä 1 1. Etsi lukujen 4655 ja 12075 suurin yhteinen tekijä ja lausu se kyseisten lukujen lineaarikombinaationa ilman laskimen
LisätiedotÄärellisten mallien teoria
Äärellisten mallien teoria Harjoituksen 2 ratkaisut Tehtävä 1 Olkoon X = {a, b, c} kolmen alkion joukko. a) Mikä on joukon X eri laskutoimitusten lukumäärä? b) Kuinka moni näistä laskutoimituksista on
Lisätiedot802656S ALGEBRALLISET LUVUT OSA II ALGEBRAIC NUMBERS PART II
802656S ALGEBRALLISET LUVUT OSA II ALGEBRAIC NUMBERS PART II Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO SYKSY 2017 Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN 802656S ALGEBRALLISET YLIOPISTO LUVUT
LisätiedotMS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet
MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Osa 4: Modulaariaritmetiikka Riikka Kangaslampi 2017 Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto Modulaariaritmetiikka Jakoyhtälö Määritelmä 1 Luku
LisätiedotDihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013
Dihedraalinen ryhmä Pro gradu Elisa Sonntag Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto 2013 Sisältö Johdanto 2 1 Ryhmä 3 2 Symmetrinen ryhmä 6 3 Symmetriaryhmä 10 4 Dihedraalinen ryhmä 19 Lähdeluettelo
LisätiedotAlgebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)
Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin ( sivua).... Nämä ovat kurssin Algebra I harjoitustehtävien ratkaisuehdoituksia. Ratkaisut koostuvat kahdesta osiosta,
Lisätiedot