Un câmp finit , sau un câmp Galois în algebră generală , este un câmp format dintr-un număr finit de elemente ; acest număr se numește ordinea câmpului.
Câmpul final este de obicei notat sau (prescurtarea de la engleză Galois field ) și se numește câmpul de ordine Galois , unde este numărul de elemente de câmp [1] . Până la izomorfism , un câmp finit este complet determinat de ordinea sa, care este întotdeauna o putere a unui număr prim , adică unde este un număr prim și este orice număr natural . În acest caz, va fi o caracteristică a acestui domeniu [2] .
Conceptul de câmp finit este folosit în teoria numerelor [3] , teoria grupurilor [3] , geometria algebrică [3] , criptografia [4] .
Un câmp finit este o mulțime finită pe care sunt definite operații arbitrare, numite adunare , înmulțire , scădere și împărțire (cu excepția împărțirii cu 0) în conformitate cu axiomele câmpului [5] .
Grupul multiplicativ al unui câmp finit este ciclic . Adică, toate elementele non-nule ale câmpului formează un grup în ceea ce privește operația de înmulțire (acest grup se numește grupul multiplicativ al câmpului și este notat cu ). Acest grup este ciclic , adică are un element generator , iar toate celelalte elemente se obțin prin ridicarea generatorului la putere [5] . Adică, există un element generator astfel încât pentru orice , putem scrie:
.
Elementul generator este numit și elementul primitiv al câmpului Câmpul conține elemente primitive, unde este funcția Euler . [6]
Câmpul are și o serie de alte proprietăți:
Orice câmp de ordin prim poate fi reprezentat printr -un inel rezidual (adică orice câmp de elemente este izomorf cu un inel rezidual ). Cel mai cunoscut exemplu de câmp finit este câmpul claselor de reziduuri modulo un număr prim , notat [10] . Acest câmp poate fi reprezentat după cum urmează. Pentru un număr prim , elementele câmpului vor fi numere . Adunarea și înmulțirea sunt definite ca adunarea și înmulțirea numerelor cu reducerea modulo a rezultatului [11] . Următoarele sunt exemple de astfel de câmpuri cu două elemente și trei elemente .
Câmpurile finite și inelele de reziduuri nu trebuie confundate . Numai atunci când exponentul este un număr prim , inelul de reziduuri este un câmp. [12]
Pentru n > 1, inelul rezidual nu este un câmp. Exemplu.
În câmp pentru orice element este adevărat . În inel , calculând , obținem 0 numai în două cazuri, când . Acest inel are divizori zero : .Caracteristica fiecărui câmp finit este un număr prim. Să fie un câmp finit. Apoi este format din elemente, unde este caracteristica câmpului , iar numărul natural este gradul câmpului peste subcâmpul său simplu [2] .
Conform teoremei privind existența și unicitatea câmpurilor finite, pentru fiecare număr prim și număr natural există un câmp finit de elemente, iar orice câmp finit de elemente este izomorf cu câmpul de descompunere a unui polinom peste un câmp . Această teoremă ne permite să vorbim despre un câmp bine definit de un ordin dat (adică un câmp de elemente Galois ) [13] .
Câmpul pentru n > 1 poate fi construit ca un inel coeficient , unde este un polinom ireductibil de grad n peste câmp . Astfel, pentru a construi un câmp din elemente, este suficient să găsim un polinom de grad care să fie ireductibil peste câmp (un astfel de polinom există întotdeauna). Elementele câmpului sunt clasele reziduale de polinoame de grad mai mic cu coeficienți din modulo idealul principal generat de polinom .
Un element este o rădăcină a unui polinom , iar câmpul este generat de acest element peste câmp , deci trecerea de la câmp la câmp se numește unirea rădăcinii unui polinom ireductibil la câmp . [14] [15]
Câmpul este format din două elemente, dar poate fi specificat în moduri diferite în funcție de alegerea elementelor și de definirea operațiilor de adunare și înmulțire asupra acestora: [16]
|
|
|
|
Aceste câmpuri sunt izomorfe între ele, adică sunt de fapt două moduri diferite de a specifica același câmp.
Câmp . Adunările și înmulțirile sunt definite ca adunări și înmulțiri de numere modulo 3. Tabelele de operații sunt:
|
|
Resturile din împărțirea cu 3 formează din trei elemente (unde pentru că pentru resturile din împărțirea cu 3).
Restul împărțirii la 4 câmpuri nu se formează, deoarece elementul 2 nu are invers.
Câmpul poate fi reprezentat ca o mulțime (unde este rădăcina polinomului peste câmp , adică ). Tabelele de operații arată astfel: [17]
|
|
Pentru a construi câmpul, este suficient să găsim un polinom normalizat de gradul 2 care este ireductibil peste . Aceste polinoame sunt:
Pentru , există un câmp dorit (dacă luăm un alt polinom în schimb , obținem un câmp nou izomorf cu cel vechi). În tabelele de mai jos, simbolul denotă clasa de echivalență a unui polinom din inelul factorilor care satisface ecuația .
Tabelul de adăugare în este determinat pe baza raportului :
+ | 0 | unu | 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | unu | 2 | ||||||
unu | unu | 2 | 0 | ||||||
2 | 2 | 0 | unu | ||||||
0 | unu | 2 | |||||||
unu | 2 | 0 | |||||||
2 | 0 | unu | |||||||
0 | unu | 2 | |||||||
unu | 2 | 0 | |||||||
2 | 0 | unu |
Tabelul înmulțirii în se determină din raportul :
× | 0 | unu | 2 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
unu | 0 | unu | 2 | ||||||
2 | 0 | 2 | unu | ||||||
0 | 2 | unu | |||||||
0 | unu | 2 | |||||||
0 | unu | 2 | |||||||
0 | unu | 2 | |||||||
0 | 2 | unu | |||||||
0 | 2 | unu |
Elementul are ordinul 8 și este primitiv. Elementul nu este primitiv deoarece (cu alte cuvinte, polinomul nu este primitiv ) [17] .
Când un câmp este construit folosind un polinom ireductibil , elementele de expansiune sunt date de mulțimile de coeficienți ai polinomului care rezultă în rest atunci când este împărțit la , scris în ordinea crescătoare a puterilor. Grupul multiplicativ este generat de elementul , care se scrie ca (0, 1, 0, 0) [18] .
Polinom | grad | |
---|---|---|
unu | (1, 0, 0, 0) | |
(0, 1, 0, 0) | ||
(0, 0, 1, 0) | ||
(0, 0, 0, 1) | ||
(1, 1, 0, 0) | ||
(0, 1, 1, 0) | ||
(0, 0, 1, 1) | ||
(1, 1, 0, 1) | ||
(1, 0, 1, 0) | ||
(0, 1, 0, 1) | ||
(1, 1, 1, 0) | ||
(0, 1, 1, 1) | ||
(1, 1, 1, 1) | ||
(1, 0, 1, 1) | ||
(1, 0, 0, 1) | ||
(1, 0, 0, 0) |
Începuturile teoriei câmpurilor finite datează din secolele al XVII -lea și al XVIII-lea . Pe acest subiect au lucrat oameni de știință precum Pierre Fermat , Leonard Euler , Joseph Louis Lagrange și Adrien Marie Legendre , care pot fi considerați fondatorii teoriei câmpurilor finite de ordin primar. Cu toate acestea, de mai mare interes este teoria generală a câmpurilor finite, care provine din lucrările lui Gauss și Galois [19] . Până la un timp, această teorie a fost folosită doar în algebră și teoria numerelor, dar ulterior au fost găsite noi puncte de contact cu geometria algebrică , combinatoria și teoria codificării [3] .
În 1830, Evariste Galois , în vârstă de optsprezece ani, a publicat o lucrare [20] care a pus bazele teoriei generale a câmpurilor finite. În această lucrare, Galois (în legătură cu cercetările privind teoria grupurilor de permutare și ecuațiile algebrice [21] ) introduce o rădăcină de comparație imaginară , unde este un polinom arbitrar de grad ireductibil modulo p . După aceea, se consideră expresia generală , unde sunt câteva numere întregi modulo p . Dacă atribuiți toate valorile posibile acestor numere, expresia va lua valori. Mai mult, Galois arată că aceste valori formează un câmp, iar grupul multiplicativ al acestui câmp este ciclic. Astfel, această lucrare este prima piatră în fundamentul teoriei generale a câmpurilor finite. Spre deosebire de predecesorii săi, care au considerat doar câmpurile , Galois consideră deja câmpurile , care au început să fie numite câmpuri Galois în cinstea sa [22] .
Prima lucrare în această direcție a fost scrisă de Gauss în jurul anului 1797, dar în timpul vieții sale acest studiu nu a fost niciodată publicat. Probabil că acest studiu a fost ignorat de redactorul scrierilor sale, astfel că această lucrare a apărut doar într-o ediție postumă în 1863 [23] .
În 1893, matematicianul Eliakim Moore a demonstrat o teoremă privind clasificarea câmpurilor finite, afirmând că orice câmp finit este un câmp Galois , adică orice câmp de elemente este izomorf cu câmpul claselor reziduale de polinoame cu coeficienți modulo un polinom ireductibil. de grad [24] . Prima încercare de a oferi o abordare axiomatică a teoriei câmpurilor finite aparține aceluiași an, realizată de Heinrich Weber , care a încercat să îmbine în lucrarea sa conceptele apărute în diferite ramuri ale matematicii, inclusiv conceptul de câmp finit. [25] . Mai departe, în 1905, Joseph Wedderburn demonstrează mica teoremă a lui Wedderburn că orice corp finit este comutativ, adică este un câmp. Definiția axiomatică modernă a unui câmp (cu câmpuri finite ca caz special) se datorează lui Ernst Steinitz și este prezentată în lucrarea sa din 1910 [26] .
O ecuație diofantică este o ecuație cu coeficienți întregi în care variabilele iau și valori întregi. Un val mare de discuții despre astfel de ecuații a fost cauzat de Fermat , care și-a formulat teoremele. Mica Teoremă a lui Fermat afirmă că dacă este un număr prim care nu este un divizor al unui alt număr , atunci . În teoria câmpurilor finite, această teoremă este o consecință a teoremei Lagrange , aplicată subgrupului multiplicativ generat de elementul , întrucât întregul grup de câmpuri multiplicative este format din elemente [5] .
Fermat observă că singurele numere prime care pot fi descompuse într-o sumă de două pătrate sunt acele numere prime care dau un rest de 1 când sunt împărțite la 4. În special, el observă că
În scrisoarea sa către Marin Mersenne , din 25 decembrie 1640, Fermat propune să rezolve ecuația [27] .
Julius Dedekind a studiat această ecuație într-un câmp finit , unde ea ia forma . Dacă , atunci soluția este trivială. În caz contrar, puteți împărți ambele părți și, introducând o înlocuire, obțineți o ecuație de forma . Înmulțirea cu dă o ecuație . Presupunând că generatorul este un subgrup multiplicativ de ordinul 4, se pot obține condiții necesare și suficiente pe p în care ecuația are o soluție. O dovadă suplimentară a teoremei Fermat-Euler , realizată de Dedekind, nu folosește conceptul de câmpuri finite și poate fi găsită în articolul corespunzător [28] .
Anul creării teoriei codurilor corective este considerat a fi 1948 , în care a fost publicat un articol de Claude Shannon , în care arată că prezența erorilor în transmiterea informațiilor pe orice canal depinde, printre altele, de raportul dintre viteza de transmisie și capacitatea canalului. Rata de transfer trebuie să fie mai mare decât lățimea de bandă. Shannon a furnizat dovezi, dar au fost declarate nule [29] .
O abordare constructivă a fost propusă de Richard Hamming , stabilind astfel vectorul pentru dezvoltarea multor articole ulterioare pe această temă. În munca sa, Hamming a construit un cod simplu care corectează erorile într-un anumit mod. Hamming a luat în considerare codurile de corectare numai peste câmpul [30] . Curând, coduri similare au fost construite pe câmpuri finite arbitrare de către Golay în 1949 [31] . Cu toate acestea, cea mai mare contribuție la această teorie îi aparține lui Hamming [30] .
Câmpurile finite au primit cea mai largă aplicație în criptografie. Articolul lui Diffie și Helman despre criptografia cu chei publice, care a propus un protocol de schimb de chei [4] , este considerat o lucrare fundamentală . În această lucrare s-au folosit câmpuri finite de un anumit tip. Mai târziu, a apărut o mare varietate de protocoale criptografice și criptosisteme bazate pe utilizarea câmpurilor finite. Acestea includ schema ElGamal , Standardul de criptare avansat [32] , schema Schnorr , algoritmul Chaum (semnătură oarbă) , criptosistemul XTRși multe altele. Algoritmii de curbă eliptică , care sunt unul dintre obiectele cheie de studiu în criptografia modernă, folosesc, de asemenea, câmpuri finite [33] .
De asemenea, calitatea criptării depinde adesea de capacitatea de a genera rapid numere prime mari. În consecință, se pune sarcina de a construi un algoritm pentru descompunerea unui număr în factori primi (determinarea simplității unui anumit număr). Michael Rabin a publicat un studiu în care propune un test de primalitate bazat pe proprietățile grupului de câmp multiplicativ [34] .
În 1960, R. K. Bowes și D. K. Roy-Chowdhury au publicat o lucrare în care au studiat familiile de polinoame pe câmpuri finite. A. Hockwingham și-a generalizat teoria, ceea ce a dus la crearea codului BCH , un caz special al căruia este binecunoscutul cod Reed-Solomon , care are o aplicație foarte largă. Este folosit la scrierea și citirea în controlerele RAM , la arhivarea datelor, scrierea informațiilor pe hard disk ( ECC ), scrierea pe discuri CD/DVD. Este de remarcat faptul că, dacă o cantitate semnificativă de informații este deteriorată sau dacă mai multe sectoare ale suportului de disc sunt deteriorate, codul Reed-Solomon vă permite să recuperați majoritatea informațiilor pierdute. Codul BCH este folosit și în sistemul de comunicații al unor sonde NASA (cum ar fi Voyager ) [35] .