Oversikt over kvadratiske kongruenser og Legendresymboler

Like dokumenter
Oversikt over bevis at det finnes uendelig mange primtall med bestemte egenskaper

Forelesning 19 torsdag den 23. oktober

MA1301 Tallteori Høsten 2014 Løsninger til Eksamen

Oversikt over kryptografi

Forelesning 20 mandag den 27. oktober

Oversikt over lineære kongruenser og lineære diofantiske ligninger

Oversikt over det kinesiske restteoremet

MA1301 Tallteori Høsten 2014 Oversikt over pensumet

Forelesning 14 torsdag den 2. oktober

MA1301 Tallteori Høsten 2014

Forelesning 21 torsdag den 30. oktober

TMA4140 Diskret Matematikk Høst 2018

6 Kryptografi Totienten Eulers teorem Et eksempel på et bevis hvor Eulers teorem benyttes RSA-algoritmen...

MA1301 Tallteori Høsten 2014 Oversikt over pensumet for midtsemesterprøven

Forelesning 24 mandag den 10. november

Løsningsforslag Øving 5 TMA4140 Diskret matematikk Høsten 2010

Forelesning 6 torsdag den 4. september

Største felles divisor. (eng: greatest common divisors)

Relativt primiske tall

b) 17 går ikke opp i 84 siden vi får en rest på 16 når 84 deles med 17 c) 17 går opp i 357 siden

Dette brukte vi f.eks. til å bevise binomialteoremet. n i. (a + b) n = a i b n i. i=0

Forelesning 2 torsdag den 21. august

Eksempler på praktisk bruk av modulo-regning.

Modulo-regning. hvis a og b ikke er kongruente modulo m.

Forelesning 7 mandag den 8. september

Forelesning 1 mandag den 18. august

Diskret matematikk tirsdag 13. oktober 2015

KONTINUASJONSEKSAMEN I TMA4140 LØSNINGSFORSLAG

Forelesning 4 torsdag den 28. august

Heltallsdivisjon og rest div og mod

Forelesning 17 torsdag den 16. oktober

Matematikk for IT, høsten 2016

Heltallsdivisjon og rest div og mod

Forelesning 5 mandag den 1. september

Forelesning 10 torsdag den 18. september

Øvingsforelesning 4. Modulo hva er nå det for no? TMA4140 Diskret Matematikk. 24. og 26. september 2018

Vi bruker desimaltall for Ô oppgi verdiene mellom de hele tallene. Tall med komma kaller vi desimaltall, og sifrene bak komma kaller vi desimaler.

Eksamen i MNFMA205/SIF5021, 19. mai 1999-Løsningsforslag a b Oppgave 2. (a) Vi skal vise at H = 0 a b under matrisemultiplikasjon. Vi har at det.

Kompleksitet. IN algoritmer og datastrukturer Plenumstime / repetisjon

LØSNINGSFORSLAG, SIF 5015, DISKRET MATEMATIKK 12. august 2003 Oppgave 1. La oss begynne med å bygge en ikke-deterministisk maskin:

LF, KONTINUASJONSEKSAMEN TMA

Forelesning 9 mandag den 15. september

Forelesning 11 mandag den 22. september

Steg 1: Rest etter divisjon

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MNF130 VÅREN 2010 OPPGAVE 1

Relasjoner. Ekvivalensrelasjoner. En relasjon R på en mengde A er en delmengde av produktmengden. La R være en relasjon på en mengde A.

Løsningsforslag til eksamenen i MAT103, våren 2015

Verktøyopplæring i kalkulator

Øvingsforelesning 5. Binær-, oktal-, desimal- og heksidesimaletall, litt mer tallteori og kombinatorikk. TMA4140 Diskret Matematikk

Kryptering Kongruensregning Kongruensregning i kryptering Litteratur. Hemmelige koder. Kristian Ranestad. 9. Mars 2006

Il UNIVERSITETET I AGDER

To nyttige begreper. Ekvivalensrelasjoner

Matematisk samtale Refleksjonsspørsmål trinn. Kjerneelementene i matematikk. Gi utfordrende oppgaver

1 Primtall og divisorer

Hint til oppgavene. Uke 34. Uke 35. Fullstendige løsningsforslag finnes på emnesidene for 2017.

Søking i strenger. Prefiks-søking Naiv algoritme Knuth-Morris-Pratt-algoritmen Suffiks-søking Boyer-Moore-algoritmen Hash-basert Karp-Rabin-algoritmen

Primtall. Et heltall p > 0 kalles et primtall hvis kun 1 og p går opp i p.

Verktøyopplæring i kalkulator

Hva man må kunne i kapittel 2 - Algebra

Løysingsforslag til eksamen i MA1301-Talteori, 30/

1. Bevis følgende logiske ekvivalens: ((p q) p) (p q) 2. Bestem de sannhetsverdier for p, q og r som gjør følgende utsagn galt: (p (q r)) (q r p)

3. kurskveld. Gjennomgang av hjemmeleksa. Hvilke tall tenker jeg på?

Matematikk for IT, høsten 2015

Slides til 4.1 og 4.2: Eksempler på feil i induksjonsbevis. Andreas Leopold Knutsen

Teorem 10 (Z n, + n ) er en endelig abelsk gruppe. 8. november 2005 c Vladimir Oleshchuk 35. Teorem 11 (Z n, ) er en endelig abelsk gruppe.

Innføring i bevisteknikk

Eksamen MAT H Løsninger

Turingmaskiner.

Karakteriseringen av like mengder. Mengder definert ved en egenskap.

TALL. 1 De naturlige tallene. H. Fausk

LØSNINGSFORSLAG KONT 07, TMA4140

INDUKSJONSPRINSIPPET MAT111 - H16

Konvertering mellom tallsystemer

Niels Henrik Abels matematikkonkurranse Finale Løsninger

Matematikk for IT, høsten 2017

1. Cæsarchiffer er en av de enkleste krypteringsteknikkene. Hva går teknikken ut på?

Underveiseksamen i MAT-INF 1100, 17. oktober 2003 Tid: Oppgave- og svarark

Kompleksitet og Beregnbarhet

Tall Vi på vindusrekka

MAT1030 Plenumsregning 5

Niels Henrik Abels matematikkonkurranse Løsninger

STØRRELSER OG TALL Om størrelser skriver Euklid i Bok 5: 1. En størrelse er en del av en annen størrelse, den mindre av den større når den måler (går

Forberedelseskurs i matematikk

Fire kort. Mål. Gjennomføring. Film. Problemløsing Fire kort Planleggingsdokument

TALLÆRE UKE 34. Rest. Hvis vi deler a med b og det ikke går opp har vi rest som er mindre enn b.

Oppgave 4.4 Skriv ned setninger som svarer til den konverse og den kontrapositive av følgende utsagn.

Oblig 1 - MAT2400. Fredrik Meyer

Et detaljert induksjonsbevis

Repetisjon: høydepunkter fra første del av MA1301-tallteori.

Euklids algoritmen. p t 2. 2 p t n og b = p s 1. p min(t 2,s 2 )

Matematikk Hjemmeeksamen i gruppe, Høst Mandag 17. desember, kl.9.00 Torsdag 20. desember, kl Sett B

Niels Henrik Abels matematikkonkurranse

Fagdag 4 - R

MAT1030 Diskret matematikk

Notater fra forelesning i MAT1100 mandag

FAKTORISERING FRA A TIL Å

Prøveunderveiseksamen i MAT-INF 1100, H-03

Løsningsforslag. Oppgavesettet består av 9 oppgaver med i alt 20 deloppgaver. Ved sensur vil alle deloppgaver telle omtrent like mye.

MIDTSEMESTERPRØVE I FAG TMA4140 DISKRET MATEMATIKK Mandag 20. oktober 2003 Tid : INSTRUKSJONER:

= 3 11 = = 6 4 = 1.

Transkript:

Oversikt over kvadratiske kongruenser og Legendresymboler Richard Williamson 3. desember 2014 Oppgave 1 Heltallet er et primtall. Er 11799 en kvadratisk rest modulo? Hvordan løse oppgaven? Oversett først til et utsagn om Legendresymboler. Da blir oppgaven: er L 11799 = 1 eller er L 11799 = 1? Hva er et Legendresymbol? Det er ikke noe dypt! Symbolet L 11799 noterer ganske enkelt om 11799 er en kvadratisk rest modulo eller ikke. (1) Dersom 11799 er en kvadratisk rest modulo, er L 11799 = 1. (2) Dersom 11799 ikke er en kvadratisk rest modulo, er L 11799 = 1. Poenget med å oversette oppgaven til et utsagn om Legendresymboler er at vi har en kraftig metode for å bestemme om L 11799 = 1 eller L11799 = 1. Noe som ikke er så viktig Det eneste unntaket til at L 11799 at 11799, hadde da L 11799 = 1 eller L11799 = 1 er: dersom det hadde vært sant vært likt 0. Ut ifra Definisjon 5.2.1, er det imidlertid bare lov å spørre om et 11799 er en kvadratisk rest modulo dersom det ikke er sant at 11799. Derfor kan du ta det som gitt at det ikke er sant at 11799, altså at L 11799 = 1 eller L 11799 = 1. 1

Hva er en kvadratisk rest for noe? Å si at 11799 er en kvadratisk rest modulo er å si at det finnes et heltall y slik at y 2 11799 (mod ). Dette sier at 11799 har en kvadratrot som er et heltall i aritmetikk modulo. Å si at L 11799 = 1 er altså å si at det finnes et heltall y slik at y 2 11799 (mod ). Vi vet ikke hva y er, uten å benytte en algoritme som vi ikke har sett på i kurset, men vi vet at det finnes. Å si at L 11799 = 1 er å si at det ikke finnes et heltall y slik at y 2 11799 (mod ). Hvordan regne ut et Legendresymbol? Vi benytter følgende regler, hvor a og b er heltall, r er et naturlig tall, og p og q er primtall slik at p > 2, q > 2, og p q. (A) L a b p = L a p L b p. (B) Dersom a b (mod p), er L a p = L b p. (C) L 1 p = 1. (D) L r2 p = 1. (E) L 1 p = ( 1) p 1 2. (F) L 2 p = 1 dersom enten p 1 (mod 8) eller p 7 (mod 8), og L 2 p = 1 dersom enten p 3 (mod 8) eller p 5 (mod 8). (G) L p q = L q p dersom p 1 (mod 4) eller q 1 (mod 4) eller begge, og L p q = L q p dersom både p 3 (mod 4) og q 3 (mod 4). Hvilke av disse reglene bør jeg huske? Reglene (F) og (G) blir gitt, men de andre må huskes. Dette blir ikke noe problem: vi må bare øve oss nok! Det er ikke nødvendig å huske (E), fordi vi alltid kan benytte (B) for å erstatte et negativt heltall øverst med et naturlig tall. Imidlertid kan vi noen ganger fullføre en utregning fortere ved å benytte (E). Hvordan benytter jeg disse reglene i praksis? Først sjekker vi om 11799 er et primtall: det er ikke, siden 3 11799. Da finner vi en primtallsfaktorisering til 11799: vi får 11799 = 3 3 19 23. 2

Hva gjør jeg da? Benytt (A). Vi får: L 11799 = L 33 19 23 = L 33 L 19 L 23. Husk: etter å ha funnet en primtallsfaktorisering, benytter vi alltid (A). Hva gjør vi nå? Vi regner ut L 33, L19, og L23 hvert for seg. Husk: etter å ha benyttet (A), regner vi alltid ut alle de nye Legendresymbolene vi har fått hvert for seg. Hvordan regne ut L 33? Vi benytter (A): Nå benytter vi (B): L 32 = 1. Dermed er L 33 = L 32 3 = L 32 L 3. L 33 = 1 L 3. Vi trenger ikke å jobbe med potenser større enn 1 Et lignende triks virker alltid. Hvis vi ønsker å regne ut L 357, kan vi benytte (A) og (B) for å få: L 357 = L 356 3 = L 356 L 3 = L (328 ) 2 L3 = 1 L 3 = L 3. Det er ikke noe spesielt med 3 her: akkurat det samme argumentet viser at L a57 = L a for et hvilket som helst naturlig tall a. Det er heller ikke noe spesielt med 57 her: L ak = La for et hvilket som helst oddetall k. Hvis vi ønsker å regne ut L 358, kan vi benytte (B) for å få: L 358 = L (329 ) 2 = 1. Igjen er det ikke noe spesielt med 3 her: akkurat det samme argumentet viser at L a58 = 1 for et hvilket som helst naturlig tall a. Det er heller ikke noe spesielt med 58 her: L ak = La for et hvilket som helst partall k. Hvordan regne ut L 3? Vi benytter (G). Vi må sjekke om minst ett av 3 og er kongruent til 1 modulo 4. Dette er ikke sant: vi har både 3 (mod 4) 3

og Derfor sier (G) at vi har: 3 (mod 4). L 3 = L 3. Når vi benytter (G), snu vi alltid de to primtallene. Poenget er å bestemme om vi har et minustegn foran den snudde Legendresymbolet eller ikke, og vi gjør dette ved å sjekke om minst ett av 3 og er kongruent til 1 modulo 4. Hvorfor hjelper det å snu sånn? Nå benytter vi (B). Vi har: Da sier (B) at L 3 = L 1 3. Nå kan vi benytte (C): vi får Husk: 1 (mod 3). L 1 3 = 1. (1) Når vi har et primtall øverst som ikke er 2, benytter vi alltid (G) og deretter (B). Hvis vi da kan benytte (C), (D), (E), eller (F), gjør vi det. (2) Ellers fortsetter vi. Hvis vi har et primtall, benytter vi igjen (G) og deretter (B). (3) Hvis vi ikke har et primtall, finner vi en primtallsfaktorisering, og vi regner deretter ut alle de nye Legendresymbolene vi får hvert for seg. Så langt Nå har vi regnet ut L 3. For å oppsummere: Hvordan regne ut L 19? L 3 = L 3 = L 1 3 = 1. Husk metoden: når vi har et primtall som ikke er 2, benytter vi alltid (G) og deretter (B). Når vi benytter (G), må vi sjekke om minst ett av 19 og er kongruent til 1 modulo 4. Dette er ikke sant: både og Derfor sier (G) at L 19 = L 19. Nå benytter vi (B). Vi har: Derfor sier (B) at L 19 = L 14 19. 19 3 (mod 4) 3 (mod 4). 14 (mod 19). 4

Hva gjør jeg når jeg får noe som ikke er et primtall? Husk: hver gang vi får et nytt Legendresymbol, sjekk først om vi kan benytte (C), (D), (E), eller (F). Hvis ikke, sjekk om heltallet øverst er et primtall. Hvis det er et primtall, benytt (G). Hvis det ikke er primtall, finn en primtallsfaktorisering. I dette tilfellet har vi 14 øverst, som ikke er et primtall. Da finner vi en primtallsfaktorisering: 14 = 2 7. Husk nå metoden: etter å ha funnet en primtallsfaktorisering, benytt (A), og så regn ut alle de nye Legendresymbolene vi får hvert for seg. Når vi benytter (A), får vi: Da må vi regne ut L 2 19 og L7 19 L 14 19 = L 2 7 19 = L 2 19 L 7 19. hvert for seg. Hvordan regne ut L 2 19? Vi benytter (F). Vi har: Da sier (F) at L 2 19 = 1. 19 3 (mod 8). Hvordan regne ut L 7 19? Siden vi har et primtall øverst, benytter vi (G) og deretter (B). Vi må sjekke om minst ett av 7 og 19 er kongruent til 1 modulo 4. Dette er ikke sant: både 7 og 19 er kongruent til 3 modulo 4. Da sier (G) at L 7 19 = L19 7. Siden 19 5 (mod 7), sier (B) at L 19 7 = L5 7. Hvordan regne ut L 5 7? Siden vi har et primtall øverst, benytter vi (G) og deretter (B). Vi må sjekke om minst ett av 5 og 7 er kongruent til 1 modulo 4. Dette er sant: 5 1 (mod 4). Da sier (G) at L 5 7 = L7 5. Siden sier (B) at L 7 5 = L2 5. 7 2 (mod 5), Hvordan regne ut L 2 7? Vi benytter (F). Siden sier (F) at L 2 5 = 1. 5 5 (mod 8), 5

Nå kan vi fullføre utregningen av L 19 Vi har sett at: Hvordan regne ut L 23? L 19 = L 19 = L 14 19 = L 2 19 L 7 19 = L 2 ( L ) 19 19 7 = L 2 19 ( L 5 ) 7 = L 2 19 ( L 7 ) 5 = L 2 19 ( L 2 ) 5 = ( 1) ( ( 1)) = 1 1 = 1. Vi har nå sett alt som må forstås for å regne ut et hvilket som helst Legendresymbol. La oss øve oss litt mer. Husk hva vi gjør når vi har et primtall øverst: vi benytter (G). Vi må sjekke om minst ett av 23 og er kongruent til 1 modulo 4. Dette er ikke sant: både 23 og 12673 er kongruent til 3 modulo 4. Derfor sier (F) at L 23 = L 23. Husk nå hva vi gjør etter å ha benyttet (G): vi benytter (B). Siden sier (B) at L 12673 23 = L 21 23. 21 er ikke et primtall 21 (mod 23), Husk: hver gang vi får et nytt Legendresymbol, sjekk først om vi kan benytte (C), (D), (E), eller (F). Det kan vi ikke gjøre her. Sjekk så om vi har et primtall. Det har vi ikke her: 21 er ikke et primtall. Da finner vi en primtallsfaktorisering til 21 og benytter (A). Vi får: L 21 23 = L 3 23 L 7 23. Nå regner vi ut L 3 23 og L7 23 hvert for seg. Hvordan regne ut L 3 23? Siden vi har et primtall øverst, benytter vi (G). Både 3 og 23 er kongruent til 3 modulo 4. Da sier (G) at L 3 23 = L23 3. 6

Som alltid etter å ha benyttet (G), benytter vi da (B). Siden sier (B) at L 23 3 = L2 3. Siden sier (F) at L 2 3 = 1. Dermed har vi: Hvordan regne ut L 7 23? 23 2 (mod 3), 3 3 (mod 8), L 3 23 = L 23 3 = L 2 3 = ( 1) = 1. Siden vi har et primtall øverst, benytter vi (G). Både 7 og 23 er kongruent til 3 modulo 4. Da sier (G) at L 7 23 = L23 7. Som alltid etter å ha benyttet (G), benytter vi da (B). Siden 23 2 (mod 7), sier (B) at L 23 7 = L2 7. Siden sier (F) at L 2 7 = 1. Dermed har vi: 7 7 (mod 8), L 7 23 = L 23 7 = L 2 7 = 1. Nå kan vi fullføre utregningen av L 23 Vi har sett: Nå knytter vi alt sammen Vi har sett: L 23 = L 23 = L 21 23 = L 3 23 L 7 23 = 1 ( 1) = 1. L 11799 = L 33 L 19 L 23 = L 32 12673 L 3 L 19 L 23 = 1 ( 1) 1 1 = 1. 7

Konklusjon Siden L 11799 = 1, konkluderer vi at 11799 ikke er en kvadratisk rest modulo. Oppsummering For å regne ut Legendresymboler, gjør vi følgende. (1) Hvis vi ikke har et primtall øverst, finn en primtallsfaktorisering til det, og benytt da (A). Regn ut de nye Legendresymbolene vi får hvert for seg. (2) Hvis vi har et primtall øverst, benytt (G) og deretter (B). (3) Hver gang vi får et nytt Legendresymbol, sjekk om vi kan benytte (C), (D), (E), (F). Hvis vi kan: gjør det! Gjennomfør ellers (1) eller (2). Øv deg, øv deg, og øv deg igjen på å regne ut Legendresymboler, og du blir snart fortrolig med metoden! 8