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

Gn 阶有限群。证明:对任意元 aG,有 an=e.

Answer

证明:

Gn 阶有限群,设 HGm 阶交换群.

由拉格朗日定理得 mn,只需证 am=e.

a1,a2,,akH 内不同元素,则 aa1,aa2,,aak 也为 H 内不同元素.

ea1a2ak=a1a2ak=aa1aa2aak=aka1a2ak

ak=e=am,得证.

(5)

Question

证明:群 G 中的元素 a 与其逆元 a1 有相同的阶.

Answer

证明:

ord(a)=nm=ord(a1)

 an=e

 (a1)n=(a1)nan=e

 mn

同理 (a1)m=e, am=am(a1)m=e

 nm

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 (F7)

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)=2,2111(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 523 的一个原根,即为一个生成元).

p1=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=3214(mod23)(2)7=12810(mod23)

(2)9=51217(mod23)(2)13=819219(mod23)

(2)15=327687(mod23)(2)17=1310725(mod23)

(2)1920(mod23)(2)2111(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:

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 a1a=aa1=e.

则构成群.

第 10 章 环与理想

(6)

Question

证明集合 Z[2]={a+b2a,bZ} 对于通常的加法和乘法构成一个整环.

Answer

证明:

  1. Z[2] 对于加法有 (a+b2)(c+d2)=(a+c)+(b+d)2

    构成交换加群,零元为 0. 对任意 (a+b2) 的负(逆)元为 (a+b2).

  2. Z[2] 对于乘法有 (a+b2)(c+d2)=(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.

  3. 可以找到 3,2+2 为不可约元,2=(2+2)(22) 为可约元.

  4. a+b20 是零因子,则存在非零元 c+d2 使 (a+b2)(c+d2)=(ac+2bd)+(ad+bc)2=0

    ac+2bd=0, ad+bc=0ac2=(2bd)c=2ad2a(c22d2)=0.

     c2=2d2.

     c=2d.

    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

D 是无平方因数的整数. 证明集合 Q[D]={a+bDa,bQ} 对于通常的加法和乘法构成一个域.

Answer

证明:

  1. Q[D] 对于加法有 (a+bD)(c+dD)=(a+c)+(b+d)D

    构成交换加群,零元为 0. 对任意 (a+bD) 的负(逆)元为 (a+bD).

  2. Q[D] 对于乘法有 (a+bD)(c+dD)=(ac)+2(bd)+(ad+bc)D

    Q[D]=Q[D]/{0},有单位元 1. 对任意 (a+bD) 的逆元为

    (a+bD)1=aa2b2D+(ba2b2D)D(a0,b0)

因此集合 Q[D]={a+bDa,bQ} 对于通常的加法和乘法构成一个域.

第 11 章 多项式环

(3)

Question

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)).

 a(x)=x2+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.

 a(x)=x3+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.

 a(x)=x4+x+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.

Answer

解:

 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.

 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.

 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

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)).

 a(x)=x15+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.

 a(x)=x7+1, b(x)=x8+x4+x3+x+1.

Answer

解:

 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.

 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 p12deg 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

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)2a(x)1b(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+1x7+x6+1(modp(x)).

(a(x))2=x12+x8+x4+x2+1x7+x5+x2+1(modp(x)).

a(x)1:

p(x)=x2a(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)(x2a(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)=xb(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)+xb(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

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 |F24|=15=35,所以满足

g(x)31(modx4+x3+1),g(x)51(modx4+x3+1)

的元素 g(x) 都是生成元.

对于 g(x)=x,有

x3x31(modx4+x3+1),x51(modx4+x3+1)

所以 g(x)=xF2[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)01,g(x)1x,g(x)2x2,g(x)3x3,g(x)4x3+1,g(x)5x3+x+1,g(x)6x3+x2+x+1,g(x)7x2+x+1,g(x)8x3+x2+x,g(x)9x2+x,g(x)10x3+x,g(x)11x3+x2+1,g(x)12x+1,g(x)13x2+x,g(x)14x3+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+1F2 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+1F2[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)43 项和 5 项不可约多项式。

Answer

解:

F3[x] 的元素数域用 1,0,1 记,先只考虑首一多项式.

  1. 1 次有 x,x+1,x1.

2 次及以上,常数项只能为 11,以保证不被 x 整除.

  1. f(x)=x2+ax+1, f(1)=a1, f(1)=a1.
     a=±1 时分别被 x1 整除,只有 f(x)=x2+1 不可约.
    再设 f(x)=x2+ax1, f(±1)=±a,a=±1 时不可约,故有 x2+1,x2+x1,x2x1 不可约.
  2. 3 次,讨论 f(x)=x3+ax2+bx+1,代入 ±1{a+b10ab0.
    列举得 x3x2+1,x3x2+x+1,x3x+1,x3+x2x+1.
    常数项为 1 对应 x3+x21,x3+x2+x1,x3x1,x3x2x1.
  3. 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+c10a+bc10.
    1. 3 项有:
      {a=0b=1c=0{a=0b=0c=0
      {x4+1x4x2+1
      常数项为 1 对应 {x41x4+x21.
      除去首一限制有:
      ±(x4+1),±(x4x2+1),
      ±(x41),±(x4+x21).
    2. 5 项有:
      {a=1b=1c=1{a=1b=1c=1
      {x4+x3+x2x+1x4x3+x2x+1
      常数项为 1 对应 {x4+x3x2x1x4x3x2x1.
      除去首一限制有:
      ±(x4+x3+x2x+1),±(x4x3+x2x+1),
      ±(x4+x3x2x1),±(x4x3x2x1).

PDF Resource

Preview