Конечное поле - Finite field

«Поле Галуа» перенаправляется сюда. Для расширений поля Галуа см. Расширение Галуа.

В математика, а конечное поле или же Поле Галуа (назван так в честь Эварист Галуа ) это поле который содержит конечное число элементы. Как и любое поле, конечное поле - это набор на котором определены операции умножения, сложения, вычитания и деления, удовлетворяющие определенным основным правилам. Наиболее распространенные примеры конечных полей даются целые числа п когда п это простое число.

Конечные поля являются фундаментальными в ряде областей математики и Информатика, включая теория чисел, алгебраическая геометрия, Теория Галуа, конечная геометрия, криптография и теория кодирования.

Характеристики

Конечное поле - это конечное множество, которое является поле; это означает, что умножение, сложение, вычитание и деление (исключая деление на ноль) определены и удовлетворяют правилам арифметики, известным как аксиомы поля.

Количество элементов конечного поля называется его порядок или, иногда, его размер. Конечное поле порядка q существует тогда и только тогда, когда порядок q это основная сила п^k (куда п простое число и k положительное целое число). В сфере заказа п^k, добавив п копии любого элемента всегда приводят к нулю; это характеристика поля п.

Если ${displaystyle q=p^{k},}$ все поля заказа q находятся изоморфный (видеть § Существование и уникальность ниже).^[1] Более того, поле не может содержать двух различных конечных подполя в том же порядке. Следовательно, все конечные поля можно отождествить с одним и тем же порядком, и они однозначно обозначаются ${displaystyle mathbb {F} _{q}}$, F_q или же GF (q), где буквы GF означают «поле Галуа».^[2]

В конечном поле порядка q, то многочлен Икс^q − Икс есть все q элементы конечного поля как корни. Ненулевые элементы конечного поля образуют мультипликативная группа. Эта группа циклический, поэтому все ненулевые элементы могут быть выражены как степени одного элемента, называемого примитивный элемент поля. (Как правило, для данного поля будет несколько примитивных элементов.)

Простейшими примерами конечных полей являются поля простого порядка: для каждого простое число п, то основное поле порядка п, обозначенный GF (п), Z/пZ, ${displaystyle mathbb {F} _{p}}$, или же F_п, можно построить как целые числа по модулю п.

Элементы простого поля порядка п могут быть представлены целыми числами в диапазоне 0, ..., п − 1. Сумма, разница и произведение являются остаток от деления к п результата соответствующей целочисленной операции. Мультипликативная обратная величина элемента может быть вычислена с использованием расширенного алгоритма Евклида (см. Расширенный алгоритм Евклида § Модульные целые числа ).

Позволять F - конечное поле. Для любого элемента Икс в F и любой целое число п, обозначим через п ⋅ Икс сумма п копии Икс. Наименее положительный п такой, что п ⋅ 1 = 0 это характеристика п поля. Это позволяет определить умножение ${displaystyle (k,x)mapsto kcdot x}$ элемента k из GF (п) элементом Икс из F путем выбора целого представителя для k. Это умножение делает F в GF (п)-векторное пространство. Отсюда следует, что количество элементов F является п^п для некоторого целого числа п.

В личность

${displaystyle (x+y)^{p}=x^{p}+y^{p}}$

(иногда называют мечта первокурсника ) истинно в поле характеристики п. Это следует из биномиальная теорема, поскольку каждый биномиальный коэффициент расширения (Икс + у)^п, кроме первого и последнего, кратно п.

К Маленькая теорема Ферма, если п простое число и Икс находится в поле GF (п) тогда Икс^п = Икс. Отсюда следует равенство

${displaystyle X^{p}-X=prod _{ain {m {GF}}(p)}(X-a)}$

для многочленов от GF (п). В общем, каждый элемент в GF (п^п) удовлетворяет полиномиальному уравнению Икс^пп − Икс = 0.

Любое конечное расширение конечного поля отделимо и просто. То есть, если E конечное поле и F является подполем E, тогда E получается из F путем присоединения одного элемента, минимальный многочлен отделима. Выражаясь жаргоном, конечные поля - это идеально.

Более общая алгебраическая структура, удовлетворяющая всем остальным аксиомам поля, но чье умножение не обязательно должно быть коммутативным, называется делительное кольцо (или иногда тело). К Маленькая теорема Веддерберна, любое конечное тело коммутативно и, следовательно, является конечным полем.

Существование и уникальность

Позволять q = п^п быть основная сила, и F быть поле расщепления полинома

${displaystyle P=X^{q}-X}$

над простым полем GF (п). Это означает, что F конечное поле низшего порядка, в котором п имеет q различные корни ( формальная производная из п является п ' = -1, подразумевая, что gcd (п, п ') = 1, что в общем случае означает, что поле расщепления является отделяемое расширение оригинала). В выше идентичности показывает, что сумма и произведение двух корней из п корни п, а также мультипликативный обратный корня из п. Другими словами, корни п формировать поле заказа q, что равно F минимальностью поля расщепления.

Из единственности с точностью до изоморфизма полей расщепления следует, таким образом, что все поля порядка q изоморфны. Также, если поле F имеет поле заказа q = п^k как подполе, его элементами являются q корни Икс^q - Икс, и F не может содержать другое подполе порядка q.

Таким образом, мы имеем следующую классификационную теорему, впервые доказанную в 1893 г. Э. Х. Мур:^[1]

Порядок конечного поля - это степень простого числа. Для каждой главной власти q есть поля заказа q, и все они изоморфны. В этих полях каждый элемент удовлетворяет

${displaystyle x^{q}=x,}$

и многочлен Икс^q − Икс факторы как

${displaystyle X^{q}-X=prod _{ain F}(X-a).}$

Следует, что GF (п^п) содержит подполе, изоморфное GF (п^м) если и только если м является делителем п; в этом случае это подполе уникально. Фактически, многочлен Икс^пм − Икс разделяет Икс^пп − Икс если и только если м является делителем п.

Явная конструкция

Непростые поля

Учитывая главную власть q = п^п с п премьер и п > 1, поле GF (q) может быть явно сконструирован следующим образом. Сначала выбирают неприводимый многочлен п в GF (п)[Икс] степени п (такой неприводимый многочлен существует всегда). Тогда кольцо частного

${displaystyle {m {GF}}(q)={m {GF}}(p)[X]/(P)}$

кольца многочленов GF (п)[Икс] идеалом, порожденным п это поле заказа q.

Точнее, элементы GF (q) являются полиномами над GF (п) чья степень строго меньше, чем п. Сложение и вычитание относятся к полиномам от GF (п). Произведение двух элементов - это оставшаяся часть Евклидово деление к п продукта в GF (п)[Икс].Мультипликативная обратная величина ненулевого элемента может быть вычислена с помощью расширенного алгоритма Евклида; видеть Расширенный алгоритм Евклида § Простые расширения алгебраических полей.

За исключением строительства GF (4), есть несколько возможных вариантов п, которые дают изоморфные результаты. Чтобы упростить евклидово деление, для п обычно выбирают многочлены вида

${displaystyle X^{n}+aX+b,}$

которые делают необходимые евклидовы деления очень эффективными. Однако для некоторых полей, как правило, в характеристике 2, неприводимые многочлены вида Икс^п + aX + б может не существовать. В характеристике 2, если полином Икс^п + Икс + 1 сводится, рекомендуется выбирать Икс^п + Икс^k + 1 с минимально возможным k что делает полином неприводимым. Если все эти трехчлены приводимы, выбираются «пентаномы» Икс^п + Икс^а + Икс^б + Икс^c + 1, как многочлены степени выше 1с четным числом членов никогда не являются неприводимыми по характеристике 2, имея 1 как корень.^[3]

Возможный выбор такого многочлена дается формулой Многочлены Конвея. Они обеспечивают определенную совместимость между представлением поля и представлениями его подполей.

В следующих разделах мы покажем, как описанный выше общий метод построения работает для малых конечных полей.

Поле с четырьмя элементами

Над GF (2), здесь только один неприводимый многочлен степени 2:

${displaystyle X^{2}+X+1}$

Следовательно, для GF (4) конструкция предыдущего раздела должна включать этот многочлен, и

${displaystyle {m {GF}}(4)={m {GF}}(2)[X]/(X^{2}+X+1).}$

Если обозначить α корень этого многочлена от GF (4), таблицы операций в GF (4) следующие. Таблица для вычитания отсутствует, потому что вычитание идентично сложению, как и в случае с каждым полем характеристики 2. В третьей таблице для деления Икс к у, Икс следует читать слева, и у на вершине.

Добавление	Умножение	Разделение
+ 0 1 α 1 + α 0 0 1 α 1 + α 1 1 0 1 + α α α α 1 + α 0 1 1 + α 1 + α α 1 0	× 0 1 α 1 + α 0 0 0 0 0 1 0 1 α 1 + α α 0 α 1 + α 1 1 + α 0 1 + α 1 α	Икс/у 0 1 α 1 + α 0 — 0 0 0 1 — 1 1 + α α α — α 1 1 + α 1 + α — 1 + α α 1

GF (п²) для нечетного простого числа п

Для применения над общей конструкцией конечных полей в случае GF (п²), нужно найти неприводимый многочлен степени 2. Для п = 2, это было сделано в предыдущем разделе. Если п - нечетное простое число, всегда существуют неприводимые многочлены вида Икс² − р, с р в GF (п).

Точнее, полином Икс² − р неприводимо над GF (п) если и только если р это квадратичный невычет по модулю п (это почти определение квадратичного невычета). Есть ${displaystyle {frac {p-1}{2}}}$ квадратичные невычеты по модулю п. Например, 2 квадратичный невычет для п = 3, 5, 11, 13, ..., и 3 квадратичный невычет для п = 5, 7, 17, .... Если п ≡ 3 мод 4, то есть п = 3, 7, 11, 19, ..., можно выбрать −1 ≡ п − 1 как квадратичный невычет, что позволяет нам иметь очень простой неприводимый многочлен Икс² + 1.

Выбрав квадратичный невычет р, позволять α быть символическим квадратным корнем из р, то есть символ, обладающий свойством α² = р, так же, как комплексное число я символический квадратный корень из −1. Тогда элементы GF (п²) все линейные выражения

${displaystyle a+balpha ,}$

с а и б в GF (п). Операции на GF (п²) определяются следующим образом (операции между элементами GF (п) латинскими буквами представлены операции в GF (п)):

${displaystyle {egin{aligned}-(a+balpha )&=-a+(-b)alpha (a+balpha )+(c+dalpha )&=(a+c)+(b+d)alpha (a+balpha )(c+dalpha )&=(ac+rbd)+(ad+bc)alpha (a+balpha )^{-1}&=a(a^{2}-rb^{2})^{-1}+(-b)(a^{2}-rb^{2})^{-1}alpha end{aligned}}}$

GF (8) и GF (27)

Полином

${displaystyle X^{3}-X-1}$

неприводимо над GF (2) и GF (3), т. е. неприводима по модулю 2 и 3 (чтобы показать это, достаточно показать, что у него нет корня в GF (2) ни в GF (3)). Отсюда следует, что элементы GF (8) и GF (27) может быть представлен выражения

${displaystyle a+balpha +calpha ^{2},}$

куда а, б, c являются элементами GF (2) или же GF (3) (соответственно) и ${displaystyle alpha }$ такой символ, что

${displaystyle alpha ^{3}=alpha +1.}$

Сложение, аддитивное обратное и умножение на GF (8) и GF (27) таким образом, может быть определено следующим образом; в следующих формулах операции между элементами GF (2) или же GF (3), представленные латинскими буквами, являются операциями в GF (2) или же GF (3), соответственно:

${displaystyle {egin{aligned}-(a+balpha +calpha ^{2})&=-a+(-b)alpha +(-c)alpha ^{2}qquad { ext{(for }}mathrm {GF} (8),{ ext{this operation is the identity)}}(a+balpha +calpha ^{2})+(d+ealpha +falpha ^{2})&=(a+d)+(b+e)alpha +(c+f)alpha ^{2}(a+balpha +calpha ^{2})(d+ealpha +falpha ^{2})&=(ad+bf+ce)+(ae+bd+bf+ce+cf)alpha +(af+be+cd+cf)alpha ^{2}end{aligned}}}$

GF (16)

Полином

${displaystyle X^{4}+X+1}$

неприводимо над GF (2), т. е. неприводима по модулю 2. Отсюда следует, что элементы GF (16) может быть представлен выражения

${displaystyle a+balpha +calpha ^{2}+dalpha ^{3},}$

куда а, б, c, d либо 0 или же 1 (элементы GF (2)), и α такой символ, что

${displaystyle alpha ^{4}=alpha +1.}$

Как характеристика GF (2) является 2, каждый элемент является его аддитивным обратным по GF (16).Сложение и умножение на GF (16) можно определить следующим образом; в следующих формулах операции между элементами GF (2)латинскими буквами обозначены операции в GF (2).

${displaystyle {egin{aligned}(a+balpha +calpha ^{2}+dalpha ^{3})+(e+falpha +galpha ^{2}+halpha ^{3})&=(a+e)+(b+f)alpha +(c+g)alpha ^{2}+(d+h)alpha ^{3}(a+balpha +calpha ^{2}+dalpha ^{3})(e+falpha +galpha ^{2}+halpha ^{3})&=(ae+bh+cg+df)+(af+be+bh+cg+df+ch+dg)alpha ;+&quad ;(ag+bf+ce+ch+dg+dh)alpha ^{2}+(ah+bg+cf+de+dh)alpha ^{3}end{aligned}}}$

Мультипликативная структура

Множество ненулевых элементов в GF (q) является абелева группа при умножении порядка q – 1. К Теорема Лагранжа, существует дивизор k из q – 1 такой, что Икс^k = 1 для каждого ненулевого Икс в GF (q). Поскольку уравнение Икс^k = 1 имеет самое большее k решения в любой сфере, q – 1 это наименьшее возможное значение для k. структурная теорема конечных абелевых групп следует, что эта мультипликативная группа циклический, то есть все ненулевые элементы являются степенями одного элемента. В итоге:

Мультипликативная группа ненулевых элементов в GF (q) циклический, и существует элемент а, так что q – 1 ненулевые элементы GF (q) находятся а, а², ..., а^q−2, а^q−1 = 1.

Такой элемент а называется примитивный элемент. Пока не q = 2, 3, примитивный элемент не уникален. Количество примитивных элементов φ(q − 1) куда φ является Функция Эйлера.

Из приведенного выше результата следует, что Икс^q = Икс для каждого Икс в GF (q). Частный случай, когда q простое Маленькая теорема Ферма.

Дискретный логарифм

Если а примитивный элемент в GF (q), то для любого ненулевого элемента Икс в F, есть единственное целое число п с 0 ≤ п ≤ q − 2 такой, что

Икс = а^п.

Это целое число п называется дискретный логарифм из Икс к базе а.

Пока а^п можно вычислить очень быстро, например, используя возведение в степень возведением в квадрат, не существует известного эффективного алгоритма вычисления обратной операции - дискретного логарифма. Это использовалось в различных криптографические протоколы, видеть Дискретный логарифм для подробностей.

Когда ненулевые элементы GF (q) представлены их дискретными логарифмами, умножение и деление просты, поскольку они сводятся к сложению и вычитанию по модулю q – 1. Однако сложение сводится к вычислению дискретного логарифма а^м + а^п. Личность

а^м + а^п = а^п(а^м−п + 1)

позволяет решить эту проблему путем построения таблицы дискретных логарифмов а^п + 1, называется Логарифмы Заха, за п = 0, ..., q − 2 (дискретный логарифм нуля удобно определить как −∞).

Логарифмы Зеха полезны для больших вычислений, таких как линейная алгебра над полями среднего размера, то есть полями, которые достаточно велики, чтобы сделать естественные алгоритмы неэффективными, но не слишком большими, так как нужно предварительно вычислить таблицу того же размера, что и порядок поля.

Корни единства

Каждый ненулевой элемент конечного поля является корень единства, так как Икс^q−1 = 1 для каждого ненулевого элемента GF (q).

Если п положительное целое число, пth первобытный корень единства является решением уравнения Икс^п = 1 это не решение уравнения Икс^м = 1 для любого положительного целого числа м < п. Если а это п-й первообразный корень из единицы в поле F, тогда F содержит все п корни единства, которые 1, а, а², ..., а^п−1.

Поле GF (q) содержит п-й первообразный корень из единицы тогда и только тогда, когда п является делителем q − 1; если п является делителем q − 1, то количество примитивных пкорни единства в GF (q) является φ(п) (Функция Эйлера ). Количество пкорни единства в GF (q) является gcd (п, q − 1).

В области характеристик п, каждый (нп)корень из единства также пкорень единства. Отсюда следует, что примитивный (нп)корни единства никогда не существуют в области характеристик п.

С другой стороны, если п является совмещать к п, корни пth круговой полином различны в каждом поле характеристики п, поскольку этот многочлен является делителем Икс^п − 1, чей дискриминант ${displaystyle n^{n}}$ отличен от нуля по модулю п. Отсюда следует, что пth круговой полином факторы сверх GF (п) на различные неприводимые многочлены одинаковой степени, скажем, d, и это GF (п^d) наименьшее поле характеристики п который содержит ппервобытные корни единства.

Пример: GF (64)

Поле GF (64) имеет несколько интересных свойств, которые не разделяются полями меньшего размера: у него есть два подполя, ни одно из которых не содержится в другом; не все генераторы (элементы с минимальный многочлен степени 6 над GF (2)) примитивные элементы; и не все примитивные элементы сопряжены Группа Галуа.

Порядок этого поля 2⁶, а делители 6 существование 1, 2, 3, 6, подполя GF (64) находятся GF (2), GF (2²) = GF (4), GF (2³) = GF (8), и GF (64) сам. В качестве 2 и 3 находятся совмещать, пересечение GF (4) и GF (8) в GF (64) простое поле GF (2).

Союз GF (4) и GF (8) таким образом 10 элементы. Остальные 54 элементы GF (64) генерировать GF (64) в том смысле, что никакое другое подполе не содержит их. Отсюда следует, что они являются корнями неприводимых многочленов степени 6 над GF (2). Это означает, что более GF (2), есть ровно 9 = 54/6 неприводимые монические многочлены степени 6. Это можно проверить факторингом. Икс⁶⁴ − Икс над GF (2).

Элементы GF (64) примитивны пкорни единства для некоторых п разделение 63. Поскольку 3-й и 7-й корни единства принадлежат GF (4) и GF (8)соответственно 54 генераторы примитивны пкорни единства для некоторых п в {9, 21, 63}. Функция Эйлера показывает, что есть 6 примитивный 9корни единства, 12 примитивный 21корни единства, и 36 примитивный 63корни единства. Суммируя эти числа, снова находим 54 элементы.

С учетом циклотомические многочлены над GF (2), обнаруживается, что:

• Шесть примитивных 9корни единства корни

${displaystyle X^{6}+X^{3}+1,}$

и все они сопряжены под действием группы Галуа.

• Двенадцать примитивов 21корни единства корни

${displaystyle (X^{6}+X^{4}+X^{2}+X+1)(X^{6}+X^{5}+X^{4}+X^{2}+1).}$

Они образуют две орбиты под действием группы Галуа. Поскольку два фактора взаимный друг другу корень и его (мультипликативный) обратный не принадлежат одной орбите.

• В 36 примитивные элементы GF (64) корни

${displaystyle (X^{6}+X^{4}+X^{3}+X+1)(X^{6}+X+1)(X^{6}+X^{5}+1)(X^{6}+X^{5}+X^{3}+X^{2}+1)(X^{6}+X^{5}+X^{2}+X+1)(X^{6}+X^{5}+X^{4}+X+1),}$

Под действием группы Галуа они разбиваются на 6 орбит из 6 элементов.

Это показывает, что лучший выбор для построения GF (64) состоит в том, чтобы определить это как GF (2) [Икс]/(Икс⁶ + Икс + 1). Фактически, этот генератор является примитивным элементом, а этот многочлен является неприводимым многочленом, который производит простейшее евклидово деление.

Автоморфизм Фробениуса и теория Галуа

В этой секции, п простое число и q = п^п это сила п.

В GF (q), личность (Икс + у)^п = Икс^п + у^п означает, что карта

${displaystyle varphi :xmapsto x^{p}}$

это GF (п)-линейный эндоморфизм и полевой автоморфизм из GF (q), который фиксирует каждый элемент подполя GF (п). Это называется Автоморфизм Фробениуса, после Фердинанд Георг Фробениус.

Обозначается φ^k то сочинение из φ с собой k раз у нас есть

${displaystyle varphi ^{k}:xmapsto x^{p^{k}}.}$

В предыдущем разделе было показано, что φ^п это личность. За 0 < k < п, автоморфизм φ^k не является тождеством, поскольку в противном случае многочлен

${displaystyle X^{p^{k}}-X}$

было бы больше, чем п^k корни.

Нет другого GF (п)-автоморфизмы GF (q). Другими словами, GF (п^п) точно п GF (п)-автоморфизмы, которые

${displaystyle mathrm {Id} =varphi ^{0},varphi ,varphi ^{2},ldots ,varphi ^{n-1}.}$

С точки зрения Теория Галуа, это означает, что GF (п^п) это Расширение Галуа из GF (п), который имеет циклический Группа Галуа.

Из того факта, что отображение Фробениуса сюръективно, следует, что каждое конечное поле является идеально.

Полиномиальная факторизация

Основная статья: Факторизация многочленов над конечными полями

Если F конечное поле, непостоянное монический многочлен с коэффициентами в F является несводимый над F, если это не произведение двух непостоянных монических многочленов с коэффициентами в F.

Как каждый кольцо многочленов над полем уникальная область факторизации каждый приведенный многочлен над конечным полем может быть факторизован единственным способом (с точностью до порядка множителей) в произведение неприводимых монических многочленов.

Существуют эффективные алгоритмы проверки полиномиальной неприводимости и факторизации многочленов над конечным полем. Они являются ключевым шагом для разложения многочленов на целые числа или рациональное число. По крайней мере, по этой причине каждый система компьютерной алгебры имеет функции для факторизации многочленов над конечными полями или, по крайней мере, над конечными простыми полями.

Неприводимые многочлены заданной степени

Полином

${displaystyle X^{q}-X}$

множители в линейные множители по полю порядка q. Точнее, этот многочлен является произведением всех монических многочленов первой степени над полем порядка q.

Отсюда следует, что если q = п^п тогда Икс^q − Икс является произведением всех унитарных неприводимых многочленов над GF (п), степень которой делит п. Фактически, если п является неприводимым множителем над GF (п) из Икс^q − Икс, его степень делит п, поскольку его поле расщепления содержится в GF (п^п). Наоборот, если п является неприводимым моническим полиномом над GF (п) степени d разделение п, он определяет расширение поля степени d, который содержится в GF (п^п), и все корни п принадлежать GF (п^п), и являются корнями Икс^q − Икс; таким образом п разделяет Икс^q − Икс. В качестве Икс^q − Икс не имеет кратных множителей, следовательно, это произведение всех неприводимых монических многочленов, которые его делят.

Это свойство используется для вычисления произведения неприводимых множителей каждой степени многочленов над GF (п); видеть Факторизация четкой степени.

Число монических неприводимых многочленов заданной степени над конечным полем

Номер N(q, п) монических неприводимых многочленов степени п над GF (q) дан кем-то^[4]

${displaystyle N(q,n)={frac {1}{n}}sum _{dmid n}mu (d)q^{n/d},}$

куда μ это Функция Мёбиуса. Эта формула является почти прямым следствием указанного выше свойства Икс^q − Икс.

По приведенной выше формуле количество неприводимых (не обязательно монических) многочленов степени п над GF (q) является (q − 1)N(q, п).

(Немного более простая) нижняя оценка для N(q, п) является

${displaystyle N(q,n)geq {frac {1}{n}}left(q^{n}-sum _{pmid n, p{ ext{ prime}}}q^{n/p}ight).}$

Легко вывести, что для каждого q и каждый п, существует хотя бы один неприводимый многочлен степени п над GF (q). Эта нижняя оценка точна для q = п = 2.

Приложения

В криптография, сложность задача дискретного логарифмирования в конечных полях или в эллиптические кривые является основой нескольких широко используемых протоколов, таких как Диффи – Хеллмана протокол. Например, в 2014 году безопасное интернет-соединение с Википедией включало протокол Диффи – Хеллмана с эллиптической кривой (ECDHE ) над большим конечным полем.^[5] В теория кодирования, многие коды строятся как подпространства из векторные пространства над конечными полями.

Конечные поля широко используются в теория чисел, так как многие проблемы с целыми числами можно решить, уменьшив их по модулю один или несколько простые числа. Например, самые быстрые известные алгоритмы для полиномиальная факторизация и линейная алгебра над полем рациональное число продолжаем редукцией по модулю одного или нескольких простых чисел, а затем реконструируем решение с помощью Китайская теорема об остатках, Хензель лифтинг или LLL алгоритм.

Точно так же многие теоретические проблемы теории чисел можно решить, рассматривая их редукцию по модулю некоторых или всех простых чисел. См., Например, Принцип Хассе. Многие недавние разработки алгебраическая геометрия были мотивированы необходимостью расширить возможности этих модульных методов. Доказательство Уайлса Великой теоремы Ферма является примером глубокого результата с использованием множества математических инструментов, включая конечные поля.

В Гипотезы Вейля касаются количества точек на алгебраические многообразия над конечными полями, и теория имеет множество приложений, включая экспоненциальный и сумма символов оценки.

Конечные поля имеют широкое применение в комбинаторика, два хорошо известных примера - определение Графики Пейли и связанная конструкция для Матрицы Адамара. В арифметическая комбинаторика конечные поля^[6] и модели конечного поля^[7][8] широко используются, например, в Теорема Семереди по арифметическим прогрессиям.

Расширения

Алгебраическое замыкание

Конечное поле F не является алгебраически замкнутым. Чтобы продемонстрировать это, рассмотрим полином

${displaystyle f(T)=1+prod _{alpha in mathbf {F} }(T-alpha ),}$

который не имеет корней в F, поскольку ж (α) = 1 для всех α в F.

В прямой предел системы:

{F_п, F_п², ..., F_п^п, ...},

с включением - бесконечное поле. Это алгебраическое замыкание всех полей в системе, и обозначается: ${displaystyle {overline {mathbf {F} _{p}}}}$.

Включения коммутируют с отображением Фробениуса, поскольку оно определено одинаково для каждого поля (Икс ↦ Икс ^п ), поэтому отображение Фробениуса определяет автоморфизм ${displaystyle {overline {mathbf {F} _{p}}}}$, который возвращает себе все подполя. Фактически F_п^п можно восстановить как неподвижные точки пй итерация отображения Фробениуса.

Однако, в отличие от случая конечных полей, автоморфизм Фробениуса на ${displaystyle {overline {mathbf {F} _{p}}}}$ имеет бесконечный порядок и не порождает полную группу автоморфизмов этого поля. То есть есть автоморфизмы ${displaystyle {overline {mathbf {F} _{p}}}}$ которые не являются силой карты Фробениуса. Однако группа, порожденная отображением Фробениуса, является плотной подгруппой группы автоморфизмов в Топология Крулля. Алгебраически это соответствует аддитивной группе Z быть плотным в проконечные целые числа (прямое произведение п-адические целые числа по всем простым числам п, с топология продукта ).

Если мы действительно построим наши конечные поля таким образом, что F_п^п содержится в F_п^м в любое время п разделяет м, то этот прямой предел можно построить как союз всех этих полей. Даже если мы не построим наши поля таким образом, мы все равно можем говорить об алгебраическом замыкании, но при его построении требуется немного больше тонкости.

Квазиалгебраическое замыкание

Хотя конечные поля не алгебраически замкнуты, они квазиалгебраически замкнутый, что означает, что каждый однородный многочлен над конечным полем имеет нетривиальный нуль, компоненты которого находятся в поле, если число его переменных больше его степени. Это было предположение Артин и Диксон доказано Chevalley (видеть Теорема Шевалле – Предупреждение ).

Маленькая теорема Веддерберна

А делительное кольцо является обобщением поля. Делительные кольца не считаются коммутативными. Некоммутативных конечных тел не бывает: Маленькая теорема Веддерберна заявляет, что все конечные делительные кольца коммутативны, следовательно, конечные поля. Результат сохраняется, даже если мы ослабим ассоциативность и рассмотрим альтернативные кольца, посредством Теорема Артина – Цорна.^[9]

Смотрите также

• Квазиконечное поле
• Поле с одним элементом
• Конечнопольная арифметика
• Конечное кольцо
• Конечная группа
• Элементарная абелева группа
• Пространство Хэмминга

Примечания

1. Мур, Э. (1896 г.), «Бесконечная дважды система простых групп», у Э. Х. Мура; и другие. (ред.), Математические статьи, прочитанные на Международном математическом конгрессе, проводимом в связи с Всемирной колумбийской выставкой, Macmillan & Co., стр. 208–242.
2. Это последнее обозначение было введено Э. Х. Мур в речи, произнесенной в 1893 г. на Международном математическом конгрессе в Чикаго Mullen & Panario 2013, п. 10.
3. Рекомендуемые эллиптические кривые для государственного использования (PDF), Национальный институт стандартов и технологий, Июль 1999 г., стр. 3
4. Якобсон 2009, §4.13
5. В этом можно убедиться, просмотрев информацию на странице, предоставленную браузером.
6. Шпарлинский, Игорь Е. (2013), "Аддитивная комбинаторика над конечными полями: новые результаты и приложения", Конечные поля и их приложения, ДЕ ГРЮЙТЕР, Дои:10.1515/9783110283600.233, ISBN  9783110283600
7. Грин, Бен (2005), "Модели конечного поля в аддитивной комбинаторике", Обзоры по комбинаторике 2005 г., Cambridge University Press, стр. 1–28, arXiv:математика / 0409420, Дои:10.1017 / cbo9780511734885.002, ISBN  9780511734885
8. Вольф, Дж. (Март 2015 г.). «Конечнополевые модели в арифметической комбинаторике - десять лет спустя». Конечные поля и их приложения. 32: 233–274. Дои:10.1016 / j.ffa.2014.11.003. ISSN  1071-5797.
9. Шульт, Эрнест Э. (2011). Точки и линии. Описание классической геометрии. Universitext. Берлин: Springer-Verlag. п. 123. ISBN  978-3-642-15626-7. Zbl  1213.51001.

Рекомендации

• В. Х. Басси (1905) "Таблицы поля Галуа для п^п ≤ 169", Бюллетень Американского математического общества 12(1): 22–38, Дои:10.1090 / S0002-9904-1905-01284-2
• W. H. Bussey (1910) "Таблицы полей Галуа порядка <1000", Бюллетень Американского математического общества 16(4): 188–206, Дои:10.1090 / S0002-9904-1910-01888-7
• Джейкобсон, Натан (2009) [1985], Базовая алгебра I (Второе изд.), Dover Publications, ISBN  978-0-486-47189-1
• Mullen, Gary L .; Маммерт, Карл (2007), Конечные поля и приложения I, Студенческая математическая библиотека (АМБ), ISBN  978-0-8218-4418-2
• Mullen, Gary L .; Панарио, Даниэль (2013), Справочник конечных полей, CRC Press, ISBN  978-1-4398-7378-6
• Лидл, Рудольф; Нидеррайтер, Харальд (1997), Конечные поля (2-е изд.), Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-39231-4
• Скопин, А. И. (2001) [1994], "Поле Галуа", Энциклопедия математики, EMS Press

внешняя ссылка

• Конечные поля в исследованиях Wolfram.