信息安全数学基础 II 第二次作业_抽象代数
第 8、10、11、13 章
第 8 章 群
(4)
Question
设 G 是 n 阶有限群。证明:对任意元 a∈G,有 an=e.
Answer
证明:
G 是 n 阶有限群,设 H 为 G 的 m 阶交换群.
由拉格朗日定理得 m∣n,只需证 am=e.
设 a1,a2,⋯,ak 为 H 内不同元素,则 aa1,aa2,⋯,aak 也为 H 内不同元素.
而 e⋅a1a2⋯ak=a1⋅a2⋯ak=aa1⋅aa2⋯aak=aka1a2⋯ak
即 ak=e=am,得证.
(5)
Question
证明:群 G 中的元素 a 与其逆元 a−1 有相同的阶.
Answer
证明:
设 ord(a)=n≠m=ord(a−1)
∴ an=e
∴ (a−1)n=(a−1)nan=e
∴ m∣n
同理 (a−1)m=e, am=am⋅(a−1)m=e
∴ n∣m
从而 n=m,得证.
(10)
Question
给出 F7 中的加法表和乘法表.
Answer
解:
F7=Z/7Z={0,1,2,3,4,5,6}.
加法表
⊕ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 |
2 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 |
3 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 |
4 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 |
5 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
6 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
乘法表 (F∗7)
⊗ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
2 | 2 | 4 | 6 | 1 | 3 | 5 |
3 | 3 | 6 | 2 | 5 | 1 | 4 |
4 | 4 | 1 | 5 | 2 | 6 | 3 |
5 | 5 | 3 | 1 | 6 | 4 | 2 |
6 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
(11)
Question
求出 F23 的生成元.
Answer
解:
23 是素数,则 F23 是循环群,φ(23)=22=2×11.
ord23(−1)=2,211≡1(mod23)⇒ord23(2)=11,(2, 11)=1
∴ord23(−2)=2×11=22,∴−2(21) 为一个生成元. (或查原根表得 5 是 23 的一个原根,即为一个生成元).
找 p−1=22 的完全剩余系,枚举得 1,3,5,7,9,13,15,17,19,21 符合条件(检验共 φ(22)=φ(2)×φ(11)=1×10=10 个,正确)
$(-2)^{1} = -2 (-2)^{3} = -8 $
(−2)5=−32≡14(mod23)(−2)7=−128≡10(mod23)
(−2)9=−512≡17(mod23)(−2)13=−8192≡19(mod23)
(−2)15=−32768≡7(mod23)(−2)17=−131072≡5(mod23)
(−2)19≡20(mod23)(−2)21≡11(mod23)
∴ F23 的所有生成元为 5,7,10,11,14,15,17,19,20,21.
(12)
Question
证明:Z/nZ 中的可逆元对乘法构成一个群,记作 Z/nZ∗.
Answer
证明:
对 Z/nZ 中任意元素均有结合律,且存在单位元.
其中任意可逆元 a 满足 a−1⋅a=a⋅a−1=e.
则构成群.
第 10 章 环与理想
(6)
Question
证明集合 Z[√2]={a+b√2∣a,b∈Z} 对于通常的加法和乘法构成一个整环.
Answer
证明:
Z[√2] 对于加法有 (a+b√2)⊕(c+d√2)=(a+c)+(b+d)√2
构成交换加群,零元为 0. 对任意 (a+b√2) 的负(逆)元为 −(a+b√2).
Z[√2] 对于乘法有 (a+b√2)⊗(c+d√2)=(ac)+2⋅(bd)+(ad+bc)√2
满足结合律和分配律,且满足交换律,有单位元 1.
可以找到 3,2+√2 为不可约元,2=(2+√2)(2−√2) 为可约元.
若 a+b√2≠0 是零因子,则存在非零元 c+d√2 使 (a+b√2)⊗(c+d√2)=(ac+2⋅bd)+(ad+bc)√2=0
则 ac+2bd=0, ad+bc=0⇒ac2=(−2bd)c=2ad2⇒a(c2−2d2)=0.
∴ c2=2d2.
∴ c=√2d.
而 c, d 是整数,∴√2d 不为整数,矛盾. ∴ 无零因子.
因此 Z[√2] 对于通常的加法和乘法构成一个整环.
(15)
Question
设 D 是无平方因数的整数. 证明集合 Q[√D]={a+b√D∣a,b∈Q} 对于通常的加法和乘法构成一个域.
Answer
证明:
Q[√D] 对于加法有 (a+b√D)⊕(c+d√D)=(a+c)+(b+d)√D
构成交换加群,零元为 0. 对任意 (a+b√D) 的负(逆)元为 −(a+b√D).
Q[√D] 对于乘法有 (a+b√D)⊗(c+d√D)=(ac)+2⋅(bd)+(ad+bc)√D
Q∗[√D]=Q[√D]/{0},有单位元 1. 对任意 (a+b√D) 的逆元为
(a+b√D)−1=aa2−b2D+(−ba2−b2D)√D(a≠0,b≠0)
因此集合 Q[√D]={a+b√D∣a,b∈Q} 对于通常的加法和乘法构成一个域.
第 11 章 多项式环
(3)
Question
设 a(x), b(x) 是数域 F2 上的多项式,试计算 s(x), t(x) 使得
s(x)⋅a(x)+t(x)⋅b(x)=(a(x),b(x)).
① a(x)=x2+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
② a(x)=x3+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
③ a(x)=x4+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
Answer
解:
① a(x)=x2+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
1. b(x)=q0(x)⋅a(x)+r0(x), q0(x)=x6, r0(x)=x7+x6+x4+x3+x+12. a(x)=q1(x)⋅r0(x)+r1(x), q1(x)=0, r1(x)=x2+x+13. r0(x)=q2(x)⋅r1(x)+r2(x), q2(x)=x5, r2(x)=x5+x4+x3+x+14. r1(x)=q3(x)⋅r2(x)+r3(x), q3(x)=0, r3(x)=x2+x+15. r2(x)=q4(x)⋅r3(x)+r4(x), q4(x)=x3, r4(x)=x+16. r3(x)=q5(x)⋅r4(x)+r5(x), q5(x)=x, r5(x)=1
1=r5(x)=q5(x)(q4(x)⋅r3(x)+r2(x))+r3(x)=(x4+1)(q3(x)⋅r2(x)+r1(x))+(x)⋅r2(x)=(x)(q2(x)⋅r1(x)+r0(x))+(x4+1)⋅r1(x)=(x6+x4+1)(q1(x)⋅r0(x)+a(x))+(x)⋅r0(x)=(x)(q0(x)⋅a(x)+b(x))+(x6+x4+1)⋅a(x)=(x7+x6+x4+1)(a(x))+(x)⋅b(x)
∴ s(x)=x7+x6+x4+1,t(x)=x.
② a(x)=x3+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
1. b(x)=q0(x)⋅a(x)+r0(x), q0(x)=x5, r0(x)=x6+x5+x4+x3+x+12. a(x)=q1(x)⋅r0(x)+r1(x), q1(x)=0, r1(x)=x3+x+13. r0(x)=q2(x)⋅r1(x)+r2(x), q2(x)=x3, r2(x)=x5+x+14. r1(x)=q3(x)⋅r2(x)+r3(x), q3(x)=0, r3(x)=x3+x+15. r2(x)=q4(x)⋅r3(x)+r4(x), q4(x)=x2, r4(x)=x3+x2+x+16. r3(x)=q5(x)⋅r4(x)+r5(x), q5(x)=1, r5(x)=x27. r4(x)=q6(x)⋅r5(x)+r6(x), q6(x)=x, r6(x)=x2+x+18. r5(x)=q7(x)⋅r6(x)+r7(x), q7(x)=1, r7(x)=x+19. r6(x)=q8(x)⋅r7(x)+r8(x), q8(x)=x, r8(x)=1
1=r8(x)=q8(x)(q7(x)⋅r6(x)+r5(x))+r6(x)=(x+1)(q6(x)⋅r5(x)+r4(x))+(x)⋅r5(x)=(x2)(q5(x)⋅r4(x)+r3(x))+(x+1)⋅r4(x)=(x2+x+1)(q4(x)⋅r3(x)+r2(x))+(x2)⋅r3(x)=(x4+x3)(q3(x)⋅r2(x)+r1(x))+(x2+x+1)⋅r2(x)=(x2+x+1)(q2(x)⋅r1(x)+r0(x))+(x4+x3)⋅r1(x)=(x5)(q1(x)⋅r0(x)+a(x))+(x2+x+1)⋅r0(x)=(x2+x+1)(q0(x)⋅a(x)+b(x))+(x5)⋅a(x)=(x7+x6)(a(x))+(x2+x+1)⋅b(x)
∴ s(x)=x7+x6,t(x)=x2+x+1.
③ a(x)=x4+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
1. b(x)=q0(x)⋅a(x)+r0(x), q0(x)=x4, r0(x)=x5+x3+x+12. a(x)=q1(x)⋅r0(x)+r1(x), q1(x)=0, r1(x)=x4+x+13. r0(x)=q2(x)⋅r1(x)+r2(x), q2(x)=x, r2(x)=x4+x+14. r1(x)=q3(x)⋅r2(x)+r3(x), q3(x)=x, r3(x)=x3+15. r2(x)=q4(x)⋅r3(x)+r4(x), q4(x)=1, r4(x)=x26. r3(x)=q5(x)⋅r4(x)+r5(x), q5(x)=x, r5(x)=1
1=r5(x)=q5(x)(q4(x)⋅r3(x)+r2(x))+r3(x)=(x+1)(q3(x)⋅r2(x)+r1(x))+(x)⋅r2(x)=(x2)(q2(x)⋅r1(x)+r0(x))+(x+1)⋅r1(x)=(x3+x+1)(q1(x)⋅r0(x)+a(x))+(x2)⋅r0(x)=(x2)(q0(x)⋅a(x)+b(x))+(x3+x+1)⋅a(x)=(x6+x3+x+1)(a(x))+(x2)⋅b(x)
∴ s(x)=x6+x3+x+1,t(x)=x2.
(5)
Question
设 a(x), b(x) 是数域 F2 上的多项式,试计算它们的最大公因式 (a(x),b(x)).
① a(x)=x15+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
② a(x)=x7+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
Answer
解:
① a(x)=x15+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
1. a(x)=q0(x)⋅b(x)+r0(x), q0(x)=x7, r0(x)=x11+x10+x8+x7+12. b(x)=q1(x)⋅r0(x)+r1(x), q1(x)=0, r1(x)=x8+x4+x3+x+13. r0(x)=q2(x)⋅r1(x)+r2(x), q2(x)=x3, r2(x)=x10+x8+x6+x4+x3+14. r1(x)=q3(x)⋅r2(x)+r3(x), q3(x)=0, r3(x)=x8+x4+x3+x+15. r2(x)=q4(x)⋅r3(x)+r4(x), q4(x)=x2, r4(x)=x8+x5+x4+x2+16. r3(x)=q5(x)⋅r4(x)+r5(x), q5(x)=1, r5(x)=x5+x3+x2+x7. r4(x)=q6(x)⋅r5(x)+r6(x), q6(x)=x3, r6(x)=x6+x2+18. r5(x)=q7(x)⋅r6(x)+r7(x), q7(x)=0, r7(x)=x5+x3+x2+19. r6(x)=q8(x)⋅r7(x)+r8(x), q8(x)=x, r8(x)=x4+x3+x2+x+110. r7(x)=q9(x)⋅r8(x)+r9(x), q9(x)=x, r9(x)=x4+x+111. r8(x)=q10(x)⋅r9(x)+r10(x), q10(x)=1, r10(x)=x3+x212. r9(x)=q11(x)⋅r10(x)+r11(x), q11(x)=x, r11(x)=x3+x+113. r10(x)=q12(x)⋅r11(x)+r12(x), q12(x)=1, r12(x)=x2+x+114. r11(x)=q13(x)⋅r12(x)+r13(x), q13(x)=x, r13(x)=x2+115. r12(x)=q14(x)⋅r13(x)+r14(x), q14(x)=1, r14(x)=x16. r13(x)=q15(x)⋅r14(x)+r15(x), q15(x)=x, r15(x)=1
∴ (a(x),b(x))=1.
② a(x)=x7+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.
1. a(x)=q0(x)⋅b(x)+r0(x), q0(x)=x, r0(x)=x4+x3+12. b(x)=q1(x)⋅r0(x)+r1(x), q1(x)=x3, r1(x)=x6+x3+13. r0(x)=q2(x)⋅r1(x)+r2(x), q2(x)=0, r2(x)=x4+x3+14. r1(x)=q3(x)⋅r2(x)+r3(x), q3(x)=x2, r3(x)=x5+x3+x2+15. r2(x)=q4(x)⋅r3(x)+r4(x), q4(x)=0, r4(x)=x4+x3+16. r3(x)=q5(x)⋅r4(x)+r5(x), q5(x)=x, r5(x)=x4+x3+x2+x+17. r4(x)=q6(x)⋅r5(x)+r6(x), q6(x)=1, r6(x)=x2+x8. r5(x)=q7(x)⋅r6(x)+r7(x), q7(x)=x2, r7(x)=x2+x+19. r6(x)=q8(x)⋅r7(x)+r8(x), q8(x)=1, r8(x)=1
∴ (a(x),b(x))=1.
(9)
Question
证明 f(x)=x8+x4+x3+x+1 是数域 F2 上的不可约多项式,从而 R28=F2[x]/(f(x)) 是一个域.
Answer
证明:
deg f=8.
对于 deg p≤12deg f=4 的不可约多项式,
p(x)=x,x+1,x2+x+1,x3+x+1,x3+x2+1,x4+x+1,x4+x3+1,x4+x3+x2+x+1.
经检验,对这些 p(x) 均有 p(x)∤f(x),则 f(x) 为不可约多项式.
(10)
Question
设 a(x)=x6+x4+x2+x+1, b(x)=x7+x+1. 在 R28=F2[x]/(x8+x4+x3+x+1) 中计算 a(x)+b(x),a(x)⋅b(x),a(x)2,a(x)−1,b(x)−1.
Answer
解:
a(x)+b(x)=x7+x6+x4+x2(modp(x)).
a(x)⋅b(x)=x13+x11+x9+x8+x6+x5+x4+x3+1≡x7+x6+1(modp(x)).
(a(x))2=x12+x8+x4+x2+1≡x7+x5+x2+1(modp(x)).
a(x)−1:
p(x)=x2⋅a(x)+(x6+1)a(x)=1⋅(x6+1)+x4+x2+xx6+1=x2⋅(x4+x2+x)+x4+x3+1x4+x2+x=1⋅(x4+x3+1)+x3+x2+x+1x4+x3+1=x⋅(x3+x2+x+1)+x2+x+1x3+x2+x+1=x⋅(x2+x+1)+1
1=x⋅(x⋅(x3+x2+x+1)+x4+x3+1)+x3+x2+x+1=(x2+1)⋅(1⋅(x4+x3+1)+x4+x2+x)+x⋅(x4+x3+1)=(x2+x+1)⋅(x2⋅(x4+x2+x)+x6+1)+(x2+1)⋅(x4+x2+x)=(x4+x3+1)⋅(1⋅(x6+1)+a(x))+(x2+x+1)⋅(x6+1)=(x4+x3+x2+x)⋅(x2⋅a(x)+p(x))+(x4+x3+1)⋅a(x)=(x6+x5+1)⋅a(x)+(x4+x3+x2+x)⋅p(x)
∴ a(x)−1=x6+x5+1.
b(x)−1:
p(x)=x⋅b(x)+(x4+x3+x+1)b(x)=x3⋅(x4+x3+x+1)+x6+x4+x3+x+1x6+x4+3+x+1=x2⋅(x4+x3+x+1)+x5+x4+x3+x+1x5+x4+x2+x+1=x⋅(x4+x3+x+1)+1
1=b(x)+(x4+x3+x+1)(x3+x2+x)=b(x)+(p(x)+x⋅b(x))⋅(x3+x2+x)=(x3+x2+x)⋅p(x)+(x4+x3+x2+1)⋅b(x)
∴ b(x)−1=x4+x3+x2+1.
第 13 章 域的结构
(2)
Question
求 F24=F2[x]/(x4+x3+1) 中的生成元 g(x),并计算 g(x)t, t=0,1,⋯,14 和所有生成元.
Answer
解:
因为 |F∗24|=15=3⋅5,所以满足
g(x)3≢1(modx4+x3+1),g(x)5≢1(modx4+x3+1)
的元素 g(x) 都是生成元.
对于 g(x)=x,有
x3≡x3≢1(modx4+x3+1),x5≢1(modx4+x3+1)
所以 g(x)=x 是 F2[x]/(x4+x3+1) 的生成元.
对于 t=0,1,2,⋯,14,计算 g(x)t(modx4+x+1).
g(x)0≡1,g(x)1≡x,g(x)2≡x2,g(x)3≡x3,g(x)4≡x3+1,g(x)5≡x3+x+1,g(x)6≡x3+x2+x+1,g(x)7≡x2+x+1,g(x)8≡x3+x2+x,g(x)9≡x2+x,g(x)10≡x3+x,g(x)11≡x3+x2+1,g(x)12≡x+1,g(x)13≡x2+x,g(x)14≡x3+x2,
所有生成元为 g(x)t, (t,φ(15))=1.
g(x)1=x,g(x)2=x2,g(x)4=x3+1,g(x)7=x2+x+1,g(x)8=x3+x2+x,g(x)11=x3+x2+1,g(x)13=x2+x,g(x)14=x3+x2,
(3)
Question
证明 x8+x4+x3+x+1 是 F2 上的不可约多项式,从而 F2[x]/(x8+x4+x3+x+1) 是一个 F28 域.
Answer
证明:
∵ F2[x] 中的所有次数 ≤2 的不可约多项式为 x,x+1,x2+x+1,且
x8+x4+x3+x+1=x⋅(x7+x3+x2+1)+1=(x+1)⋅(x7+x6+x5+x4+x2+x)+1=(x2+x+1)(x6+x5+x3)+x+1
∴ x∤ x8+x4+x3+x+1,x+1∤ x8+x4+x3+x+1,x2+x+1∤ x8+x4+x3+x+1.
∴ x8+x4+x3+x+1 是 F2[x] 中的不可约多项式.
因此 F2[x]/(x8+x4+x3+x+1) 是一个 F28 域.
(9)
Question
求出 F3[x] 中的所有(一个)4 次 3 项和 5 项不可约多项式。
Answer
解:
对 F3[x] 的元素数域用 −1,0,1 记,先只考虑首一多项式.
- 对 1 次有 x,x+1,x−1.
对 2 次及以上,常数项只能为 1 或 −1,以保证不被 x 整除.
- 设 f(x)=x2+ax+1, f(1)=a−1, f(−1)=−a−1.
∴ a=±1 时分别被 x∓1 整除,只有 f(x)=x2+1 不可约.
再设 f(x)=x2+ax−1, f(±1)=±a,a=±1 时不可约,故有 x2+1,x2+x−1,x2−x−1 不可约. - 对 3 次,讨论 f(x)=x3+ax2+bx+1,代入 ±1⇒{a+b−1≠0a−b≠0.
列举得 x3−x2+1,x3−x2+x+1,x3−x+1,x3+x2−x+1.
常数项为 −1 对应 x3+x2−1,x3+x2+x−1,x3−x−1,x3−x2−x−1.
- 对 4 次,不可约则不含 1,2 次因子.
讨论 f(x)=x4+ax3+bx2+cx+1,代入 ±1⇒{a+b+c−1≠0−a+b−c−1≠0.- 对 3 项有:
{a=0b=−1c=0 或 {a=0b=0c=0
得 {x4+1x4−x2+1,
常数项为 −1 对应 {x4−1x4+x2−1.
除去首一限制有:
±(x4+1),±(x4−x2+1),
±(x4−1),±(x4+x2−1).
- 对 5 项有:
{a=1b=1c=−1 或 {a=−1b=1c=−1
得 {x4+x3+x2−x+1x4−x3+x2−x+1,
常数项为 −1 对应 {x4+x3−x2−x−1x4−x3−x2−x−1.
除去首一限制有:
±(x4+x3+x2−x+1),±(x4−x3+x2−x+1),
±(x4+x3−x2−x−1),±(x4−x3−x2−x−1).
- 对 3 项有: