Мультипликативная группа целых чисел по модулю n - Multiplicative group of integers modulo 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 птеория 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.

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 аб (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 аа ' и бб ' (мод п) подразумевает aba'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 звенеть Обозначается 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 граммгенераторная 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 )
Групповая структура (Z /пZ)×
Генераторная установка Генераторная установка Генераторная установка Генераторная установка
1C111033C2× С1020102, 1065C4× С1248122, 1297C9696965
2C111134C161616366C2× С1020105, 798C4242423
3C222235C2× С1224122, 667C666666299C2× С3060302, 5
4C222336C2× С61265, 1968C2× С1632163, 67100C2× С2040203, 99
5C444237C363636269C2× С2244222, 68101C1001001002
6C222538C181818370C2× С1224123, 69102C2× С1632165, 101
7C666339C2× С1224122, 3871C7070707103C1021021025
8C2× С2423, 540C2× С2× С41643, 11, 3972C2× С2× С62465, 17, 19104C2× С2× С1248123, 5, 103
9C666241C404040673C7272725105C2× С2× С1248122, 29, 41
10C444342C2× С61265, 1374C3636365106C5252523
11C101010243C424242375C2× С2040202, 74107C1061061062
12C2× С2425, 744C2× С1020103, 4376C2× С1836183, 37108C2× С1836185, 107
13C121212245C2× С1224122, 4477C2× С3060302, 76109C1081081086
14C666346C222222578C2× С1224125, 7110C2× С2040203, 109
15C2× С4842, 1447C464646579C7878783111C2× С3672362, 110
16C2× С4843, 1548C2× С2× С41645, 7, 4780C2× С4× С43243, 7, 79112C2× С2× С1248123, 5, 111
17C161616349C424242381C5454542113C1121121123
18C666550C202020382C4040407114C2× С1836185, 37
19C181818251C2× С1632165, 5083C8282822115C2× С4488442, 114
20C2× С4843, 1952C2× С1224127, 5184C2× С2× С62465, 11, 13116C2× С2856283, 115
21C2× С61262, 2053C525252285C4× С1664162, 3117C6× С1272122, 17
22C101010754C181818586C4242423118C58585811
23C222222555C2× С2040202, 2187C2× С2856282, 86119C2× С4896483, 118
24C2× С2× С2825, 7, 1356C2× С2× С62463, 13, 2988C2× С2× С1040103, 5, 7120C2× С2× С2× С43247, 11, 19, 29
25C202020257C2× С1836182, 2089C8888883121C1101101102
26C121212758C282828390C2× С1224127, 11122C6060607
27C181818259C585858291C6× С1272122, 3123C2× С4080407, 83
28C2× С61263, 1360C2× С2× С41647, 11, 1992C2× С2244223, 91124C2× С3060303, 61
29C282828261C606060293C2× С30603011, 61125C1001001002
30C2× С4847, 1162C303030394C4646465126C6× С63665, 13
31C303030363C6× С63662, 595C2× С3672362, 94127C1261261263
32C2× С81683, 3164C2× С1632163, 6396C2× С2× С83285, 17, 31128C2× С3264323, 127

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Вайсштейн, Эрик В. "Группа умножения по модулю". MathWorld.
  2. ^ Первобытный корень, Энциклопедия математики
  3. ^ (Виноградов 2003, pp. 105–121, § VI ПЕРВИЧНЫЕ КОРНИ И ИНДЕКСЫ)
  4. ^ (Гаусс и Кларк 1986, искусства. 52–56, 82–891)
  5. ^ (Виноградов 2003, п. 106)
  6. ^ (Гаусс и Кларк 1986, искусства. 90–91)
  7. ^ Ризель покрывает все это. (Ризель 1994, стр. 267–275).
  8. ^ 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 взаимность и неопубликованные заметки.

внешняя ссылка