WikiDer > Мультипликативная группа целых чисел по модулю n
В модульная арифметика, то целые числа совмещать (относительно простые) к п из набора из п неотрицательные целые числа образуют группа при умножении по модулю п, называется мультипликативная группа целых чисел по модулю п. Эквивалентно элементы этой группы можно рассматривать как классы конгруэнтности, также известный как остатки по модулю п, взаимно просты с п.Поэтому другое название - группа классы примитивных вычетов по модулю п.В теория колец, филиал абстрактная алгебра, он описывается как группа единиц кольца целых чисел по модулю п. Здесь единицы относится к элементам с мультипликативный обратный, которые в этом кольце в точности взаимно просты с п.
Алгебраическая структура → Теория групп Теория групп |
---|
Бесконечномерная группа Ли
|
Эта группа, обычно обозначаемая , является фундаментальным в теория чисел. Он нашел применение в криптография, целочисленная факторизация, и проверка на простоту. Это абелевский, конечный группа, порядок которой задается Функция Эйлера: Для премьер п группа циклический и в целом структуру легко описать, хотя даже для простых п нет общей формулы для поиска генераторы известен.
Групповые аксиомы
Это простое упражнение, чтобы показать, что при умножении набор классы конгруэнтности по модулю п которые взаимно просты с п удовлетворяют аксиомам для абелева группа.
В самом деле, а взаимно прост с п если и только если gcd(а, п) = 1. Целые числа в одном классе конгруэнтности а ≡ б (мод п) удовлетворить gcd (а, п) = gcd (б, п), следовательно, взаимно проста с п тогда и только тогда, когда есть другой. Таким образом, понятие классов конгруэнтности по модулю п которые взаимно просты с п четко определено.
С gcd (а, п) = 1 и gcd (б, п) = 1 подразумевает gcd (ab, п) = 1, множество классов, взаимно простых с п замкнуто относительно умножения.
Целочисленное умножение учитывает классы конгруэнтности, то есть а ≡ а ' и б ≡ б ' (мод п) подразумевает ab ≡ a'b ' (мод п)Это означает, что умножение ассоциативно, коммутативно и что класс единицы является единственной мультипликативной единицей.
Наконец, учитывая а, то мультипликативный обратный из а по модулю п это целое число Икс удовлетворение топор ≡ 1 (мод п)Он существует именно тогда, когда а взаимно прост с п, потому что в этом случае gcd (а, п) = 1 и по Лемма Безу есть целые числа Икс и у удовлетворение топор + нью-йорк = 1. Обратите внимание, что уравнение топор + нью-йорк = 1 подразумевает, что Икс взаимно прост с п, поэтому мультипликативный обратный принадлежит группе.
Обозначение
Множество (классов сравнения) целых чисел по модулю п с операциями сложения и умножения является звенетьОбозначается или же (обозначение относится к частное целых чисел по модулю идеальный или же состоящий из кратных пВне теории чисел более простые обозначения часто используется, хотя его можно спутать с п-адические целые числа когда п - простое число.
Мультипликативная группа целых чисел по модулю п, какой группа единиц в этом кольце может быть написано как (в зависимости от автора) (для немецкого Einheit, что переводится как единица измерения), , или аналогичные обозначения. В этой статье используется
Обозначение относится к циклическая группа порядка п.Это изоморфный в группу целых чисел по модулю п под дополнением. Обратите внимание, что или же также может относиться к группе при сложении. Например, мультипликативная группа для прайма п циклична и, следовательно, изоморфна аддитивной группе , но изоморфизм не очевиден.
Структура
Порядок мультипликативной группы целых чисел по модулю п это количество целых чисел в совпадает с п.Это дается Функция Эйлера: (последовательность A000010 в OEIS) .Для простых п, .
Циклический случай
Группа является циклический если и только если п это 1, 2, 4, пk или 2пk, куда п нечетное простое число и k > 0. Для всех остальных значений п группа не циклическая.[1][2][3]Впервые это было доказано Гаусс.[4]
Это означает, что для этих п:
- куда
По определению группа является циклической тогда и только тогда, когда она имеет генератор грамм (а генераторная установка {грамм} первого размера), то есть степени дать все возможные остатки по модулю п взаимно простой с п (первый полномочия дать каждому ровно один раз). называется примитивный корень по модулю п.[5]Если есть генератор, то есть их.
Степень 2
По модулю 1 любые два целых числа конгруэнтны, т.е. существует только один класс конгруэнции [0], взаимно простой с 1. Следовательно, это тривиальная группа с φ (1) = 1 элемент. Из-за его тривиальной природы случай сравнений по модулю 1 обычно игнорируется, и некоторые авторы предпочитают не включать случай п = 1 в формулировках теорем.
По модулю 2 существует только один взаимно простой класс конгруэнции [1], поэтому это тривиальная группа.
По модулю 4 существует два взаимно простых класса конгруэнции, [1] и [3], поэтому циклическая группа с двумя элементами.
По модулю 8 существует четыре взаимно простых класса сравнения: [1], [3], [5] и [7]. Квадрат каждого из них равен 1, поэтому в Кляйн четыре группы.
По модулю 16 существует восемь взаимно простых классов конгруэнции [1], [3], [5], [7], [9], [11], [13] и [15]. это 2-торсионная подгруппа (т.е. квадрат каждого элемента равен 1), поэтому не циклический. Степень 3, являются подгруппой порядка 4, как и степени 5, Таким образом
Схема, показанная цифрами 8 и 16,[6] для высших сил 2k, k > 2: подгруппа 2-кручения (так что не является циклической), а степени 3 являются циклической подгруппой порядка 2k − 2, так
Общие составные числа
Посредством основная теорема конечных абелевых групп, группа изоморфен прямой продукт циклических групп простых степенных порядков.
В частности, Китайская теорема об остатках[7] говорит, что если тогда кольцо это прямой продукт колец, соответствующих каждому из его простых факторов мощности:
Аналогично группа юнитов является прямым произведением групп, соответствующих каждому из основных факторов мощности:
Для каждой нечетной простой степени соответствующий фактор циклическая группа порядка , который может далее разлагаться на циклические группы порядков простых степеней. Для степеней двойки множитель не является циклическим, если k = 0, 1, 2, но делится на циклические группы, как описано выше.
Порядок группы является произведением порядков циклических групп в прямом произведении. показатель степени группы, то есть наименьший общий множитель порядков в циклических группах, задается Функция Кармайкла (последовательность A002322 в OEIS).Другими словами, наименьшее число такое, что для каждого а взаимно простой с п, Он разделяет и равен ему тогда и только тогда, когда группа циклическая.
Подгруппа лжесвидетелей
Если п составная, существует подгруппа мультипликативной группы, называемая «группой лжесвидетелей», в которой элементы, возведенные в степень п − 1, сравнимы с 1 по модулю п (поскольку остаток 1 в любой степени сравним с 1 по модулю п, множество таких элементов непусто).[8] Можно сказать, из-за Маленькая теорема Ферма, что такие остатки являются «ложными срабатываниями» или «лжесвидетелями» для первичности п. Число 2 - это остаток, который чаще всего используется в этой базовой проверке на простоту, поэтому 341 = 11 × 31 известен с 2340 сравнимо с 1 по модулю 341, а 341 - наименьшее такое составное число (относительно 2). Для 341 подгруппа ложных свидетелей содержит 100 остатков и, следовательно, имеет индекс 3 внутри мультипликативной группы из 300 элементов по модулю 341.
Примеры
п = 9
Самый маленький пример с нетривиальной подгруппой лжесвидетелей - это 9 = 3 × 3. Есть 6 вычетов, взаимно простых с 9: 1, 2, 4, 5, 7, 8. Поскольку 8 конгруэнтно −1 по модулю 9, следует, что 88 сравнимо с 1 по модулю 9. Таким образом, 1 и 8 являются ложными срабатываниями для «простоты» 9 (поскольку 9 на самом деле не является простым). Фактически они единственные, поэтому подгруппа {1,8} - это подгруппа лжесвидетелей. Тот же аргумент показывает, что п − 1 является «лжесвидетелем» любой нечетной композиции п.
п = 91
За п = 91 (= 7 × 13), есть остатки совпадают с 91, половина из них (то есть 36 из них) являются ложными свидетелями 91, а именно 1, 3, 4, 9, 10, 12, 16, 17, 22, 23, 25, 27, 29, 30, 36, 38, 40, 43, 48, 51, 53, 55, 61, 62, 64, 66, 68, 69, 74, 75, 79, 81, 82, 87, 88 и 90, поскольку для этих значений Икс, Икс90 конгруэнтно 1 mod 91.
п = 561
п = 561 (= 3 × 11 × 17) является Число Кармайкла, таким образом s560 сравнимо с 1 по модулю 561 для любого целого числа s совпадает с 561. Подгруппа лжесвидетелей в данном случае некорректна; это вся группа мультипликативных единиц по модулю 561, состоящая из 320 остатков.
Примеры
В этой таблице показано циклическое разложение и генераторная установка за п ≤ 128. Наборы декомпозиции и образующие не уникальны; Например, (но ). В таблице ниже перечислены самые короткие декомпозиции (среди них выбирается лексикографически первое - это гарантирует, что изоморфные группы будут перечислены с одинаковыми разложениями). Генераторная установка также должна быть как можно короче, а п с примитивным корнем, наименьший примитивный корень по модулю п указан.
Например, возьмите . потом означает, что порядок группы равен 8 (т.е. есть 8 чисел меньше 20 и взаимно просты с ней); означает, что порядок каждого элемента делит 4, то есть четвертая степень любого числа, взаимно простого с 20, конгруэнтна 1 (по модулю 20). Набор {3,19} порождает группу, что означает, что каждый элемент имеет форму 3а × 19б (куда а равно 0, 1, 2 или 3, потому что элемент 3 имеет порядок 4, и аналогично б равно 0 или 1, потому что элемент 19 имеет порядок 2).
Самый маленький примитивный корневой мод п are (0, если корень не существует)
- 0, 1, 2, 3, 2, 5, 3, 0, 2, 3, 2, 0, 2, 3, 0, 0, 3, 5, 2, 0, 0, 7, 5, 0, 2, 7, 2, 0, 2, 0, 3, 0, 0, 3, 0, 0, 2, 3, 0, 0, 6, 0, 3, 0, 0, 5, 5, 0, 3, 3, 0, 0, 2, 5, 0, 0, 0, 3, 2, 0, 2, 3, 0, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0, 7, 0, 5, 5, 0, 0, 0, 0, 3, 0, 2, 7, 2, 0, 0, 3, 0, 0, 3, 0, ... (последовательность A046145 в OEIS)
Количество элементов в минимальном порождающем множестве мода п находятся
- 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 3, 1, 1, 1, 2, 1, 2, 1, 2, 2, 1, 2, 2, 1, 1, 2, 3, 1, 2, 1, 2, 2, 1, 1, 3, 1, 1, 2, 2, 1, 1, 2, 3, 2, 1, 1, 3, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 1, 3, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 1, 3, 1, 1, 1, 3, 2, 1, 2, 3, 1, 2, ... (последовательность A046072 в OEIS)
Генераторная установка | Генераторная установка | Генераторная установка | Генераторная установка | |||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | C1 | 1 | 1 | 0 | 33 | C2× С10 | 20 | 10 | 2, 10 | 65 | C4× С12 | 48 | 12 | 2, 12 | 97 | C96 | 96 | 96 | 5 | |||
2 | C1 | 1 | 1 | 1 | 34 | C16 | 16 | 16 | 3 | 66 | C2× С10 | 20 | 10 | 5, 7 | 98 | C42 | 42 | 42 | 3 | |||
3 | C2 | 2 | 2 | 2 | 35 | C2× С12 | 24 | 12 | 2, 6 | 67 | C66 | 66 | 66 | 2 | 99 | C2× С30 | 60 | 30 | 2, 5 | |||
4 | C2 | 2 | 2 | 3 | 36 | C2× С6 | 12 | 6 | 5, 19 | 68 | C2× С16 | 32 | 16 | 3, 67 | 100 | C2× С20 | 40 | 20 | 3, 99 | |||
5 | C4 | 4 | 4 | 2 | 37 | C36 | 36 | 36 | 2 | 69 | C2× С22 | 44 | 22 | 2, 68 | 101 | C100 | 100 | 100 | 2 | |||
6 | C2 | 2 | 2 | 5 | 38 | C18 | 18 | 18 | 3 | 70 | C2× С12 | 24 | 12 | 3, 69 | 102 | C2× С16 | 32 | 16 | 5, 101 | |||
7 | C6 | 6 | 6 | 3 | 39 | C2× С12 | 24 | 12 | 2, 38 | 71 | C70 | 70 | 70 | 7 | 103 | C102 | 102 | 102 | 5 | |||
8 | C2× С2 | 4 | 2 | 3, 5 | 40 | C2× С2× С4 | 16 | 4 | 3, 11, 39 | 72 | C2× С2× С6 | 24 | 6 | 5, 17, 19 | 104 | C2× С2× С12 | 48 | 12 | 3, 5, 103 | |||
9 | C6 | 6 | 6 | 2 | 41 | C40 | 40 | 40 | 6 | 73 | C72 | 72 | 72 | 5 | 105 | C2× С2× С12 | 48 | 12 | 2, 29, 41 | |||
10 | C4 | 4 | 4 | 3 | 42 | C2× С6 | 12 | 6 | 5, 13 | 74 | C36 | 36 | 36 | 5 | 106 | C52 | 52 | 52 | 3 | |||
11 | C10 | 10 | 10 | 2 | 43 | C42 | 42 | 42 | 3 | 75 | C2× С20 | 40 | 20 | 2, 74 | 107 | C106 | 106 | 106 | 2 | |||
12 | C2× С2 | 4 | 2 | 5, 7 | 44 | C2× С10 | 20 | 10 | 3, 43 | 76 | C2× С18 | 36 | 18 | 3, 37 | 108 | C2× С18 | 36 | 18 | 5, 107 | |||
13 | C12 | 12 | 12 | 2 | 45 | C2× С12 | 24 | 12 | 2, 44 | 77 | C2× С30 | 60 | 30 | 2, 76 | 109 | C108 | 108 | 108 | 6 | |||
14 | C6 | 6 | 6 | 3 | 46 | C22 | 22 | 22 | 5 | 78 | C2× С12 | 24 | 12 | 5, 7 | 110 | C2× С20 | 40 | 20 | 3, 109 | |||
15 | C2× С4 | 8 | 4 | 2, 14 | 47 | C46 | 46 | 46 | 5 | 79 | C78 | 78 | 78 | 3 | 111 | C2× С36 | 72 | 36 | 2, 110 | |||
16 | C2× С4 | 8 | 4 | 3, 15 | 48 | C2× С2× С4 | 16 | 4 | 5, 7, 47 | 80 | C2× С4× С4 | 32 | 4 | 3, 7, 79 | 112 | C2× С2× С12 | 48 | 12 | 3, 5, 111 | |||
17 | C16 | 16 | 16 | 3 | 49 | C42 | 42 | 42 | 3 | 81 | C54 | 54 | 54 | 2 | 113 | C112 | 112 | 112 | 3 | |||
18 | C6 | 6 | 6 | 5 | 50 | C20 | 20 | 20 | 3 | 82 | C40 | 40 | 40 | 7 | 114 | C2× С18 | 36 | 18 | 5, 37 | |||
19 | C18 | 18 | 18 | 2 | 51 | C2× С16 | 32 | 16 | 5, 50 | 83 | C82 | 82 | 82 | 2 | 115 | C2× С44 | 88 | 44 | 2, 114 | |||
20 | C2× С4 | 8 | 4 | 3, 19 | 52 | C2× С12 | 24 | 12 | 7, 51 | 84 | C2× С2× С6 | 24 | 6 | 5, 11, 13 | 116 | C2× С28 | 56 | 28 | 3, 115 | |||
21 | C2× С6 | 12 | 6 | 2, 20 | 53 | C52 | 52 | 52 | 2 | 85 | C4× С16 | 64 | 16 | 2, 3 | 117 | C6× С12 | 72 | 12 | 2, 17 | |||
22 | C10 | 10 | 10 | 7 | 54 | C18 | 18 | 18 | 5 | 86 | C42 | 42 | 42 | 3 | 118 | C58 | 58 | 58 | 11 | |||
23 | C22 | 22 | 22 | 5 | 55 | C2× С20 | 40 | 20 | 2, 21 | 87 | C2× С28 | 56 | 28 | 2, 86 | 119 | C2× С48 | 96 | 48 | 3, 118 | |||
24 | C2× С2× С2 | 8 | 2 | 5, 7, 13 | 56 | C2× С2× С6 | 24 | 6 | 3, 13, 29 | 88 | C2× С2× С10 | 40 | 10 | 3, 5, 7 | 120 | C2× С2× С2× С4 | 32 | 4 | 7, 11, 19, 29 | |||
25 | C20 | 20 | 20 | 2 | 57 | C2× С18 | 36 | 18 | 2, 20 | 89 | C88 | 88 | 88 | 3 | 121 | C110 | 110 | 110 | 2 | |||
26 | C12 | 12 | 12 | 7 | 58 | C28 | 28 | 28 | 3 | 90 | C2× С12 | 24 | 12 | 7, 11 | 122 | C60 | 60 | 60 | 7 | |||
27 | C18 | 18 | 18 | 2 | 59 | C58 | 58 | 58 | 2 | 91 | C6× С12 | 72 | 12 | 2, 3 | 123 | C2× С40 | 80 | 40 | 7, 83 | |||
28 | C2× С6 | 12 | 6 | 3, 13 | 60 | C2× С2× С4 | 16 | 4 | 7, 11, 19 | 92 | C2× С22 | 44 | 22 | 3, 91 | 124 | C2× С30 | 60 | 30 | 3, 61 | |||
29 | C28 | 28 | 28 | 2 | 61 | C60 | 60 | 60 | 2 | 93 | C2× С30 | 60 | 30 | 11, 61 | 125 | C100 | 100 | 100 | 2 | |||
30 | C2× С4 | 8 | 4 | 7, 11 | 62 | C30 | 30 | 30 | 3 | 94 | C46 | 46 | 46 | 5 | 126 | C6× С6 | 36 | 6 | 5, 13 | |||
31 | C30 | 30 | 30 | 3 | 63 | C6× С6 | 36 | 6 | 2, 5 | 95 | C2× С36 | 72 | 36 | 2, 94 | 127 | C126 | 126 | 126 | 3 | |||
32 | C2× С8 | 16 | 8 | 3, 31 | 64 | C2× С16 | 32 | 16 | 3, 63 | 96 | C2× С2× С8 | 32 | 8 | 5, 17, 31 | 128 | C2× С32 | 64 | 32 | 3, 127 |
Смотрите также
Примечания
- ^ Вайсштейн, Эрик В. "Группа умножения по модулю". MathWorld.
- ^ Первобытный корень, Энциклопедия математики
- ^ (Виноградов 2003, pp. 105–121, § VI ПЕРВИЧНЫЕ КОРНИ И ИНДЕКСЫ)
- ^ (Гаусс и Кларк 1986, искусства. 52–56, 82–891)
- ^ (Виноградов 2003, п. 106)
- ^ (Гаусс и Кларк 1986, искусства. 90–91)
- ^ Ризель покрывает все это. (Ризель 1994, стр. 267–275).
- ^ Эрдеш, Пол; Померанс, Карл (1986). «О количестве лжесвидетелей по составному номеру». Математика. Вычислить. 46 (173): 259–279. Дои:10.1090 / с0025-5718-1986-0815848-х. Zbl 0586.10003.
Рекомендации
В Disquisitiones Arithmeticae был переведен из Гаусса Цицероновская латынь в английский и Немецкий. Немецкое издание включает все его работы по теории чисел: все доказательства квадратичная взаимность, определение знака Сумма Гаусса, исследования биквадратная взаимностьи неопубликованные заметки.
- Гаусс, Карл Фридрих; Кларк, Артур А. (перевод на английский) (1986), Disquisitiones Arithmeticae (второе, исправленное издание), Нью-Йорк: Springer, ISBN 978-0-387-96254-2
- Гаусс, Карл Фридрих; Мазер, Х. (перевод на немецкий) (1965), Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithemeticae и другие статьи по теории чисел) (второе издание), Нью-Йорк: Челси, ISBN 978-0-8284-0191-3
- Ризель, Ганс (1994), Простые числа и компьютерные методы факторизации (второе издание), Бостон: Birkhäuser, ISBN 978-0-8176-3743-9
- Виноградов, И.М. (2003), "§ VI ПЕРВИЧНЫЕ КОРНИ И ИНДЕКСЫ", Элементы теории чисел, Mineola, NY: Dover Publications, стр. 105–121, ISBN 978-0-486-49530-9