Koodausteoria, Kesä 2014

Samankaltaiset tiedostot
Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Koodausteoria, Kesä 2014

Laajennetut Preparata-koodit

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

ei ole muita välikuntia.

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Reedin ja Solomonin koodit Katariina Huttunen

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

HN = {hn h H, n N} on G:n aliryhmä.

Polynomien suurin yhteinen tekijä ja kongruenssi

g : 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.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Rollen lause polynomeille

2 Renkaat ja kunnat. toteutuvat: 1. pari (K, +) on Abelin ryhmä, jonka neutraalialkio on 0 K,

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Diofantoksen yhtälön ratkaisut

Käänteismatriisi 1 / 14

[E : F ]=[E : K][K : F ].

Insinöörimatematiikka D

Todistus. Eliminoidaan Euleideen algoritmissa jakojäännökset alhaaltaylöspäin.

koska 2 toteuttaa rationaalikertoimisen yhtälön x 2 2 = 0. Laajennuskunnan

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Algebra I, harjoitus 5,

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

a b 1 c b n c n

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Matriisialgebra harjoitukset, syksy x 1 + x 2 = a 0

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

d Z + 17 Viimeksi muutettu

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät

Insinöörimatematiikka D

Tehtävä 1. Arvioi mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa. Vihje: voit aloittaa kokeilemalla sopivia lukuarvoja.

2 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];

a ord 13 (a)

Vektorit, suorat ja tasot

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

MAT Algebra 1(s)

802118P Lineaarialgebra I (4 op)

Matriisilaskenta. Harjoitusten 3 ratkaisut (Kevät 2019) 1. Olkoot AB = ja 2. Osoitetaan, että matriisi B on matriisin A käänteismatriisi.

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Determinantti 1 / 30

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

ja jäännösluokkien joukkoa

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

Esimerkki A1. Jaetaan ryhmä G = Z 17 H = 4 = {1, 4, 4 2 = 16 = 1, 4 3 = 4 = 13, 4 4 = 16 = 1}.

Ennakkotehtävän ratkaisu

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Avaruuden R n aliavaruus

Mikäli huomaat virheen tai on kysyttävää liittyen malleihin, lähetä viesti osoitteeseen

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

802355A Renkaat, kunnat ja polynomit Luentorunko Syksy 2013

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Seuraavana tavoitteena on osoittaa, että binääristen neliömuotojen ekvivalenssiluokat

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Lukion matematiikkakilpailun alkukilpailu 2015

11. Jaollisuudesta. Lemma Oletetaan, että a, b R.

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

LU-hajotelma. Esimerkki 1 Matriisi on yläkolmiomatriisi ja matriisi. on alakolmiomatriisi. 3 / 24

KOODAUSTEORIA S

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

LUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että

a 2 ba = a a + ( b) a = (a + ( b))a = (a b)a, joten yhtälö pätee mielivaltaiselle renkaalle.

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

Liite 2. Ryhmien ja kuntien perusteet

Tensorialgebroista. Jyrki Lahtonen A = A n. n=0. I n, I = n=0

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Kanta ja dimensio 1 / 23

Ratkaisuehdotukset LH 8 / vko 47

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

Insinöörimatematiikka D

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Transkriptio:

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, q) = 1 ja m alkion q multiplikatiivinen kertaluku modulo n, jolloin n (q m 1). Olkoon α kunnan F q m primitiivinen n:s ykkösen juuri. Kuten aiemmin, käytetään alkion α i minimipolynomille merkintää m α i (x). Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 3 / 15

Määritelmä 5.1.1. Polynomin pyj(m α (x), m α 2(x),..., m α d 1(x)) generoimaa n-pituista syklistä koodia sanotaan (kapea-alaiseksi) BCH-koodiksi (narrow-sense BCH code), jonka suunniteltu etäisyys on d des C = d, (2 d n). Polynomin pyj(m α b(x), m α b+1(x),..., m α b+d 2(x)), missä b N, generoimaa n-pituista syklistä koodia sanotaan yleistetyksi BCH-koodiksi, jonka suunniteltu etäisyys on d. Jos α on kunnan F q m primitiivialkio eli jos n = q m 1, niin vastaavaa (yleistettyä) BCH-koodia sanotaan primitiiviseksi koodiksi. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 4 / 15

Määritelmä 5.1.1. Polynomin pyj(m α (x), m α 2(x),..., m α d 1(x)) generoimaa n-pituista syklistä koodia sanotaan (kapea-alaiseksi) BCH-koodiksi (narrow-sense BCH code), jonka suunniteltu etäisyys on d des C = d, (2 d n). Polynomin pyj(m α b(x), m α b+1(x),..., m α b+d 2(x)), missä b N, generoimaa n-pituista syklistä koodia sanotaan yleistetyksi BCH-koodiksi, jonka suunniteltu etäisyys on d. Jos α on kunnan F q m primitiivialkio eli jos n = q m 1, niin vastaavaa (yleistettyä) BCH-koodia sanotaan primitiiviseksi koodiksi. Jos BCH-koodin suunniteltu etäisyys on 2t + 1, sitä sanotaan tavallisesti t virhettä korjaavaksi BCH-koodiksi. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 4 / 15

Huom! Jos m α (x) = m β (x), niin pyj(m α (x), m β (x)) = m α (x). Jos taas m α (x) m β (x), niin pyj(m α (x), m β (x)) = m α (x)m β (x). Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 5 / 15

Lause 5.1.2. a) Olkoon C = g(x) n-pituinen (yleistetty) BCH-koodi kunnan F q suhteen ja olkoon sen suunniteltu etäisyys d. Tällöin dim C n (d 1)m ja d min C d. b) Olkoon C binäärinen n-pituinen BCH-koodi, jonka suunniteltu etäisyys on d = 2t + 1. Silloin dim C n mt ja d min C 2t + 1. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 6 / 15

Lause 5.1.2. a) Olkoon C = g(x) n-pituinen (yleistetty) BCH-koodi kunnan F q suhteen ja olkoon sen suunniteltu etäisyys d. Tällöin dim C n (d 1)m ja d min C d. b) Olkoon C binäärinen n-pituinen BCH-koodi, jonka suunniteltu etäisyys on d = 2t + 1. Silloin dim C n mt ja d min C 2t + 1. Todistus: a) Lauseen 4.1.7 mukaan deg m β (x) m kaikilla β F q m, joten deg g (d 1)m. Toisaalta deg g = n dim C, joten n dim C (d 1)m eli dim C n (d 1)m. Minimietäisyyden raja saadaan suoraan BCH-rajasta (Lause 4.8.4), sillä generoijapolynomilla g(x) on ainakin d 1 "peräkkäistä"nollakohtaa. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 6 / 15

Minimietäisyyden rajan saa todistettua myös ilman Mattsonin Solomonin polynomeja hyödyntämällä kappaleen 4.5 tarkasteluja. Olkoot polynomilla g nollakohtina α b, α b+1,..., α b+d 2. Jos c C, niin cĥt = 0, missä 1 α b α 2b... α (n 1)b 1 α b+1 α 2(b+1)... α (n 1)(b+1) Ĥ =.... 1 α b+d 2 α 2(b+d 2)... α (n 1)(b+d 2) on kappaleen 4.5 yhtälön (7) mukainen matriisi. Olkoon c 0 ja wt(c) = w, 1 w d 1. Olkoot c i1, c i2,..., c iw vektorin c nollasta eroavat koordinaatit, missä i j {0,..., n 1} kaikilla j. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 7 / 15

Yhtälöstä cĥt = 0 saadaan (tarkastelemalla w ensimmäistä yhtälöä) yhtälöryhmä c i1 α i 1b + c i2 α i 2b + + c iw α iw b = 0 c i1 α i 1(b+1) + c i2 α i 2(b+1) + + c iw α iw (b+1) = 0. c i1 α i1(b+w 1) + c i2 α i2(b+w 1) + + c iw α iw (b+w 1) = 0 Tällä yhtälöryhmällä on epätriviaali ratkaisu (c i1,..., c iw ), joten Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 8 / 15

α i 1b α i 2b α iw b α i 1(b+1) α i 2(b+1) iw α (b+1) 0 =... α i 1(b+w 1) α i 2(b+w 1) iw α (b+w 1) 1 1 1 α i 1 α i 2 α iw = α i1b α i 2b α iw b α 2i 1 α 2i 2 α 2iw... α (w 1)i 1 α (w 1)i 2 α (w 1)iw = α i1b α i 2b α iw b (α ik α ij ). i j <i k Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 9 / 15

α i 1b α i 2b α iw b α i 1(b+1) α i 2(b+1) iw α (b+1) 0 =... α i 1(b+w 1) α i 2(b+w 1) iw α (b+w 1) 1 1 1 α i 1 α i 2 α iw = α i1b α i 2b α iw b α 2i 1 α 2i 2 α 2iw... α (w 1)i 1 α (w 1)i 2 α (w 1)iw = α i1b α i 2b α iw b (α ik α ij ). i j <i k Täten on olemassa sellaiset 1 j < k w, että α i j = α i k eli α i k i j = 1. Tämä on ristiriidassa sen kanssa, että α on primitiivinen n:s ykkösen juuri. Näin ollen w d ja saadaan väite. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 9 / 15

b) Binääritapauksessa polynomin m β (x) nollakohtia ovat β, β 2, β 4,... Siten m β (x) = m β 2(x) = m β 4(x) =... ja g(x) = pyj(m α, m α 2, m α 3..., m α 2t ) = pyj(m α, m α 3,..., m α 2t 1). Näin ollen deg g mt, sillä deg m α i a-kohdan tapaan. m, ja väite saadaan Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 10 / 15

b) Binääritapauksessa polynomin m β (x) nollakohtia ovat β, β 2, β 4,... Siten m β (x) = m β 2(x) = m β 4(x) =... ja g(x) = pyj(m α, m α 2, m α 3..., m α 2t ) = pyj(m α, m α 3,..., m α 2t 1). Näin ollen deg g mt, sillä deg m α i a-kohdan tapaan. m, ja väite saadaan Huomaa, että edellisen lauseen todistuksessa ei tarvita tietoa, että d on juuri suunniteltu etäisyys vaan lause todistaa BCH-rajan (ks. 4.8.4): jos syklisellä koodilla C on d peräkkäistä nollakohtaa, niin d min C d + 1. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 10 / 15

Golayn koodit Marcel J. E. Golaylta tunnettaan kaksi koodia, binäärinen ja ternääninen Golayn koodi. Molemmat on julkaistu vuonna 1949 ja kumpikin on täydellinen. Muut täydelliset koodit äärellisten kuntien suhteen ovat Hammingin koodit (Lause 3.4.3) ja ns. triviaalit täydelliset koodit: binääriset paritonpituiset toistokoodit, yhden sanan koodit ja koko avaruus F n q. Tarkastellaan seuraavassa binääristä Golayn koodia. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 11 / 15

Olkoon q = 2 ja n = 23. Pienin m, jolle 23 (2 m 1), on m = 11, ja 2 11 1 = 2047 = 89 23. Nyt saadaan syklotomiset sivuluokat C 0 = {0}, C 1 = {1, 2, 4, 8, 16, 9, 18, 13, 3, 6, 12} C 5 = {5, 10, 20, 17, 11, 22, 21, 19, 15, 7, 14}. Vastaava polynomin x 23 1 tekijöihinjako renkaassa F 2 [x] on x 23 1 = (x 1)(x 11 + x 10 + x 6 + x 5 + x 4 + x 2 + 1) (x 11 + x 9 + x 7 + x 6 + x 5 + x + 1). ja Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 12 / 15

Olkoon α primitiivinen 23:s ykkösen juuri, jolle m α (x) = x 11 + x 10 + x 6 + x 5 + x 4 + x 2 + 1. Polynomin g(x) = m α (x) nollakohtina ovat α, α 2, α 3 ja α 4, joten binäärisen Golayn koodin G 23 = g(x) minimietäisyys on BCH-rajan mukaan d min G 23 5. Itse asiassa d min G 23 = 7, mitä ei todisteta tässä. Siten G 23 on 3 virhettä korjaava. Koodin G 23 dimensio on dim G 23 = n deg g = 23 11 = 12. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 13 / 15

Jokaisessa koodisanakeskisessä 3-säteisessä pallossa on B(c, 3) = 3 ( ) 23 23 22 23 22 21 = 1+23+ + = 2048 = 2 11 i 2 2 3 i=0 vektoria. Yhteensä näissä palloissa on siten 2 11 G 23 = 2 11 2 12 = 2 23 = F 23 2 = R 23 alkiota, ja G 23 on täydellinen koodi. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 14 / 15

Lause 5.1.4. Olkoon n = ab ja C = g(x) n-pituinen BCH-koodi, jonka suunniteltu etäisyys d des C = a. Tällöin d min C = a. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 15 / 15

Lause 5.1.4. Olkoon n = ab ja C = g(x) n-pituinen BCH-koodi, jonka suunniteltu etäisyys d des C = a. Tällöin d min C = a. Todistus: BCH-rajan mukaan d min C a, joten riittää osoittaa, että koodista C löytyy a-painoinen sana. Nyt x n 1 = x ab 1 = (x b 1)(1 + x b + + x (a 1)b ). Olkoon α primitiivinen n:s ykkösen juuri, jolloin α ib 1 kaikilla i = 1,..., a 1. Täten jokainen α i on polynomin 1 + x b + + x (a 1)b nollakohta. Lauseen 4.1.7 nojalla m α i (x) (1 + x b + + x (a 1)b ) kaikilla i = 1,..., a 1. Koska g(x) = pyj(m α (x),..., m α a 1(x)), niin g(x) (1 + x b + + x (a 1)b ). Siten 1 + x b + + x (a 1)b g(x) = C ja tämän sanan paino on a. Topi Törmä Matemaattisten tieteiden laitos 15 / 15