Մնացորդների մասին չինական թեորեմ

testwiki-ից
19:03, 15 դեկտեմբերի 2024 տարբերակ, 2a00:f3c:8403:0:318d:b38c:a756:f240 (քննարկում)
(տարբ) ←Նախորդ տարբերակ | Ընթացիկ տարբերակ (տարբ) | Հաջորդ տարբերակ→ (տարբ)
Jump to navigation Jump to search

Մնացորդների մասին չինական թեորեմ, մի քանի գծային համակարգի կապակցված պնդումների համեմատում։

Պատմություն

Այս թեորեմը իր թվաբանական ձևակերպմամբ նկարագրվել է չինացի մաթեմատիկոս Սուն Ցզիի «Սուն Ցզի Սուան Ցզին» տրակտատում (Կաղապար:Lang-zh), մոտավորապես թվագրվել է մ․թ․ա երրորդ դարում և այնուհետև ընդհանրացվել է Ցին Ցզյուշաոյի կողմից իր «Մաթեմատիկական դատողություններ 9 գլխով», տպագրված 1247 թվականին, որտեղ բերված էր ճշգրիտ լուծումըԿաղապար:Sfn։

Ձևակերպում

Եթե a1,a2,,an բնական թվերը զույգ առ զույգ փոխադարձաբար պարզ են, ապա ցանկացած ամբողջ r1,r2,,rn այնպիսին է, որ 0ri<ai բոլոր i{1,2,,n} համար կգտնվի N, որը ai վրա բաժանելիս տալիս է ri մնացորդ։ Ավելին, եթե գտնվեն այնպիսի երկու՝ N1 և N2, ապա N1N2(moda1a2an)։

Ապացույցներ

Ինդդուկցիա հավասարումների քանակով

Օգտվենք մաթեմատիկական ինդուկցիայի մեթոդից։ n=1 դեպքում թեորեմի պնդումը ակնհայտ է։ Թող թեորեմը ճշմարիտ լինի n=k1 դեպքում, ապա գոյություն ունի m թիվը, որը ai i{1,2,,k1} դեպքում թվի վրա բաժանելիս տալիս է ri մնացորդը։ Նշանակենք

d=a1a2ak1։

Ընտրում ենք ak կամայական թիվը, որը փոխադաչձ պարզ է բոլոր a1ak1 հետ և դիտարկենք M={m,m+d,m+2d,,m+(ak1)d}={m+td}0t<ak թվերը։Ցույց տանք, որ բոլոր t{0,,ak1} հանդիսանում են մնացորդներ M ֊ի ինչ֊որ էլեմենտների՝ ak վրա բաժանելիս։ Ենթադրենք, որ դա այդպես չէ, այսինքն գոյություն ունեն որոշակի rk<ak, որոնք չեն պատկանում M էլեմենտների՝ ak վրա բաժանելիս ստացված մնացորդների բազմությանը։Քանի որ այդ էլեմենտների թիվը հավասար է |M|=ak,իսկ M ֊ի ինչ֊որ էլեմենտների՝ ak վրա բաժանելիս հնարավոր մնացորդները հնարավոր է շատ չեն, քան ak1 (քանի որ ոչ մի թիվ չի տալիս rk մնացորդ), ապա նրանց մեջ կգտնվեն երկու թիվ, որոնք ունեն հավասար մնացորդներ (Դիրիխլեի արկղի սկզբունք). Թող այդ թվերը լինեն m+t1d և m+t2d , t1t2 դեպքում. Այդ դեպքում իրենց (m+t1d)(m+t2d)=(t1t2)d տարբերությունը բաժանվում է ak վրա, ինչը հնարավոր է, քանի որ t1<ak, t2<ak, 0<|t1t2|<ak և d=a1a2ak1 ak հետ փոխադարձ պարզ են, այլապես a1,a2,,ak թվերը զույգ առ զույգ փոխադարձ պարզ են (ըստ պայմանի). Հակասություն։ Այսպիսով, դիտարկվող թվերի մեջ կգտնվի math>N = m + t\cdot d</math> թիվ, որը ak վրա բաժանելիս տալիս է rk մնացորդ. Միևնույն ժամանակ a1,a2,,ak1 վրա բաժանելիս N թիվը համապատասխանաբար տալիս է r1,r2,,rk1 մնացորդ,քանի որ m+tdm(modai)։ Այժմ ապացուցենք, որ N1N2(moda1a2an). Իրականում N1N2ri(modai), այսինքն N1N20(modai). այսպիսով, N1N2 թիվը բոլոր ai բաժանում է առանց մնացորդի, ինչպես նաև իրենց արտադրյալները։ Ինչն էլ պահանջվում էր ապացուցել։

Ապացույցի կոնստրուկտիվ մեթոդ

Ներքևում նկարագրված թեորեմի ապացույցը օգնում է լուծել պրակտիկորեն կարևոր խնդիր՝ մոդուլով դծային հավասարումների համակարգի լուծման որոնում։Կաղապար:Sfn. Դիտարկենք

{xr1(moda1)xr2(moda2)xrn(modan)
(1)

հավասարումների համակարգը։

Եթե (r1,r2,,rn) և (a1,a2,,an) բավարարում են թեորեմի պայմաններին, ապա (1)համակարգի լուծումը գոյություն ունի և M մոդուլով ճշտությամբ միակն է, որտեղ M=i=1nai, ընդ որում ճշմարիտ է բանաձևըԿաղապար:SfnԿաղապար:SfnԿաղապար:Sfn

x=i=1nriMiMi1, որտեղ Mi=Mai, իսկ Mi1 — հակադարձ մուլտիպլիկատիվ Mimodai ai օղակի էլեմենտ է։

(2)

Ցույց տանք, որ այդ եղանակով որոշված x ֊ը հանդիսանում է լուծում։ Ստուգենք, որ նրա համար համակարգումգործում է i-е հավասարությունըԿաղապար:Sfn։ xj=1nrjMjMj1riMiMi1ri(modai) Երկրորդ հավասարությունը ճշմարիտ է, քանի որ Mjkjnak0(modai) , բոլոր ij դեպքում, երրորդը, քանի որ Mi1 հանդիսանում է հակադարձ ai մոդուլով Mi համար։ Բոլոր i համար կրկնելով դատողությունը, համոզվենք, որ (2) բանաձևով որոշված x ֊ը հանդիսանում է լուծում (1) համար։

Բոլոր xx(modM) թվերը, ընտրված M թվի համաձայն,կբավարարեն համակարգին։ Այժմ ցույց տանք, որ 0,1,,M1 (բազմություն A) թվերի մեջ մեր գտած լուծումից բացի ուրիշ լուծում չի գտնվի։ Այդ փաստի հակառակ ապացույցը։ Ենթադրենք, որ հաջողվել է մնացորդների որոշակի r հավաքածուի համար գտնել գոնե երկու՝ x1,x2A լուծում։ Քանի որ բոլոր թույլատրելի (r1,r2,,rn) հավաքածուների բազմությունը հանդիսանում է հավասարահզոր A բազմությանը, ապա Ax:=A{x1,x2} և Br:=B{r} համար գործում է |Ax|<|Br|։ Սակայն, վերը ապացուցվածի համաձայն, Br ֊ի ցանկացաց հավաքածուի համար գոյություն ունի Ax ֊ից լուծում, հետևաբար Դիրիխլեի սկզբունքի համաձայն կգտնվեն ամենաքիչը երկու մնացորդների հավաքածուներ, որոնց համապատասխանում է նույն xA ֊ն։ Այդպիսի x ֊ի համար կգտնվի այնպիսի ai, որ xr1,xr2(modai) և r1r2. ՀակասությունԿաղապար:Sfn. Ինչն էլ պահանջվում էր ապացուցել։

Դիտողություն

Վերը ապացուցվածից հետևում է, որ (a1,a2,,an) ցանկացած հավաքածուի B մնացորդների վեկտորի և A բազմության թվի միջև գոյություն ունի միարժեք փոխադարձ համապատասխանություն, ինչը նշանակում է, որ (2) ֊ով տրված B ֊ի արտապատկերումը A մեջ հանդիսանում է բիեկտիվԿաղապար:Sfn. Նկատենք, որ

(x(modM))(r1(moda1),r2(moda2),,rn(modan)); համապատասխանությունից բացի

ճշմարիտ են նաև Կաղապար:SfnԿաղապար:Sfn

(x1±x2(modM))(r11±r21(moda1),r12±r22(moda2),,r1n±r2n(modan));

(x1x2(modM))(r11r21(moda1),r12r22(moda2),,r1nr2n(modan)).

Մնացորդների վեկտորի անցումը թվի ժամանակավոր բարդությունը գնահատվում է O(k2), որտեղ k ֊ն վերականգնվող թիվն է բիթերոԿաղապար:Sfn։

Լուծումների որոշման ալգորիթմ

Բերենք ներքևում խնդիրների լուծման ալգորիթմ, որը դրվում է x թվի, որոշակի տրված փոխադարձ պարզ a1,a2,,an թվերի բաժանումով իր մնացորդների հավաքածուով, վերականգնման թեորեմում։

Էլեմենտար հանրահաշիվ

Որպես օրինակ դիտարկենք

{x1(mod2)x2(mod3)x6(mod7)

համակարգը։

Համակարգի լուծման համար առանձին արտագրենք առաջին, երկրորդ և երրորդ հավասարումների լուծումները Կաղապար:Nowrap):

x1{1,3,5,7,9,11,,39,𝟒𝟏,43,}
x2{2,5,8,11,14,,38,𝟒𝟏,44,}
x3{6,13,20,27,34,𝟒𝟏,48,}

Ակնհայտ է, որ համակարգի լուծումների բազմությունը կլինի վերը ներկայացված բազմությունների հատումը։ Թեորեմի պնդման համաձայն լուծումը գոյություն ունի և միակն է մինչև 42 մոդուլի վերցնելը ճշտությամբ։ Մեր դեպքում x{41,83,125,} կամ x41(mod42).

Ուրիշ ճանապարհ ցույց տալու համար խնդիրը վերաձևակերպենք։ Գտնենք թվերի (u, v, w) այնպիսի եռյակ, որ։

{x=1+2ux=2+3vx=6+7w

x ֊ը առաջին հավասարումից երկրորդի մեջ տեղափոխելով կստանանք 1+2u2(mod3), այդ դեպքում 2u1(mod3), կամ 4u2(mod3), կամ u2(mod3), կամ u=2+3s;

հետո x ֊ը տեղափոխելով առաջին հավասարումից երրորդի մեջ u տեսքի արտահայտության հաշվարկի համար, կստանանք 1+2(2+3s)6(mod7) կամ 6s1(mod7), 36s6(mod7) և հետևաբար s6(mod7);

այդ դեպքում x=1+2(2+36)=41.

Մնացորդների մասին չինական թեորեմի հիմքի վրա ալգորիթմ

Ալգորիթմը տարվում է դեպի թեորեմում տրված բանաձևով լուծումների որոնումԿաղապար:Sfn։

Քայլ 1. Հաշվում ենք M=i=1nai։

Քայլ 2. Բոլոր i{1,2,,n} համար գտնում ենք Mi=Mai։

Քայլ 3. Գտնում ենք Mi1=1Mimodai (օրինակ, օգտագործելով Էվկլիդեսի ընդլայնված ալգորիթմ)։

Քայլ 4. Հաշվում ենք հիմնական արժեքը x=i=1nriMiMi1modM բանաձևով։

Գեռների ալգորիթմ

Դիտարկենք մոդուլների (a1,a2,,an) խումբը, բավարարող թեորեմի պայմաններին։ Թվերի տեսության մեկ այլ թեորեմով հիմնավորվում է,որ ցանկացած 0x<M=a1a2an թիվ միանշանակ ներկայացնելի էԿաղապար:Sfn

x=x1+x2a1+x3a1a2++xna1a2an1 տեսքով։

Հերթականությամբ հաշվելով բոլոր xi для i{1,2,,n} գործակիցները, մենք կկարողանանք տեղադրել դրանք բանաձևում և գտնել հիմնական լուծումըԿաղապար:Sfn։

Նշանակենք rij=ai1modaj և դիտարկենք ai մոդուլով արտահայտություն x համար։

x1=r1;

r2=(x1+x2a1)moda2;

x2=(r2x1)r12moda2;

r3=(x1+x2a1+x3a1a2)moda3;

x3=((r3x1)r13x2)r23moda3

և այլն։

xi գործակիցների որոնման ալգորիթմը ակնառուության համար կիրառենք կոդով, ենթադրությամբ, որ a, remainders զանգվածները և հակադարձ էլեմենտների inverses երկչափ զանգվածը արդեն ստացել են անհրաժեշտ արժեքները։

for (int i = 0; i < n; i++) {
	x[i] = remainders[i];
	for (int j = 0; j < i; j++) {
		x[i] = inverses[j][i] * (x[i] - x[j]);
		x[i] = x[i] % a[i];
		if (x[i] < 0)
			x[i] += a[i];
	}
}

Տրված ալգորիթմի համար xi գործակիցների որոշման բարդությունը O(n2) է։ Բարդությունը նույնպիսին է նաև գտնված գործակիցներով իրական արժեքի վերականգման դեպքում։

Վարիացիաներ և ընդհանրացումներ

Բանաձևայնացում օղակների համար

Թող A,B1,,Bn —ն լինի միավորով կոմուտատիվ օղակներ, φi:ABi ֊ն՝ սյուրեկտիվ հոմոմորֆիզմներ, kerφi+kerφj=A հատկանիշներով օժտված, բոլոր i,j{1,,n},ij համար։ Այդ դեպքում

Φ:Ai=1nBi հոմոմորֆիզմը,

տրված

Φ(a)=(φ1(a),,φn(a)) բանաձևով,

հանդիսանում է սյուրեկտիվ։ Առավել ևս, Φ որոշում է իզոմորֆիզմ

A/(i=1nkerφi)i=1nBi։

Եթե տեղադրել A=/(a1an),Bi=/ai (i=1,2,,n; ai) և հոմոմորֆիզմը որոշել հետևյալ կերպ․

φi(x)=xmodai,

ապա մենք կստանանք թեորեմի թվաբանական տարբերակը։

Այդպես հաճախ հանդիպում է օղակների էկվիվալենտ ձևակերպումը, որտեղ Bi ունեն A/Ii տեսքը, իդեալների որոշակի I1,,In խմբի, φi հոմոմորֆիզները հանդիսանում են իրական պրոյեկցիաներ A/Ii վրաև պահանջվում է, որ Ii+Ij=A ցանկացած i,j{1,,n},ij համար։ Ուրիշ բառերով, եթե I1,,In իդեալները զույգ առ զույգ փոխադարձ պարզ են (այսինքն երկու իդեալների գումարը հավասար է հենց օղակին), ապա նրանց արտադրյալը համընկնում է իրենց հատման հետ և ֆակտոր օղակը այդ արտադրյալով իզոմորֆ է ֆակտորների արտադրյալին․

A/(I1I2In)A/I1×A/I2××A/In։

Ապացույց էվկլիդյան օղակների համար

Թող R լինի էվլկիդյան օղակ և m,n ֊ն՝ փոխադարձ պարզ թվեր։ Այդ դեպքում կապացուցենք, որ գոյություն ունի կոռեկտ տրված իզոմորֆիզմ․

R/(mn)R/(m)×R/(n)

[x]mn([x]m, [x]n) ուղիղ արտապատկերումն ակնհայտ է։

Հակառակ արտապատկերման գոյության ապացուցման համար դիտարկենք [1] և [0] էկվիվալենտության դասերը։

([1]m, [0]n)[u]mn

([0]m, [1]n)[v]mn

[u]mn կգտնենք լուծելով հավասարումների հետևյալ համակարգը․

{u1 (modm)u0 (modn)

y: u=ny, ny1(modm)

Անալոգ ձևով գտնենք [v]mn:

x: u=mx, mx1(modm)

Ցույց տանք, որ ընդհանուր տեսքով գործում է․

([a]m, [b]n)[au+bv]mn

au+bva(modm), քանի որ v0(modm) և u1(modm)

au+bvb(modn), քանի որ u0(modn) և v1(modn)

Ստուգենք արտապատկերման կոռեկտությունը, այսինքն, որ [a]m, [b]n դասի տարբեր էլէմենտներ վերցնելու դեպքում արդյունքը չի փոխվում։

{aa(modm)bb(modn)

Նշանակում է au+bvau+bv(modmn), արտապատկերումը կոռեկտ է։

Կարելի է ստուգել, որ կառուցված արտապատկերումը ճիշտ հակառակն է։

Կիրառում

Մնացորդների մասին չինական թեորեմը լայն կիրառում ունի թվերի տեսության, ծածկագրության մեջ և այլ տեղերում։

  • Փոխադարձ միարժեք համապատասխանությունը կամայական թվի և իր մնացորդների միչև,փոխադարձ պարզ թվերի խմբով վորոշվող, որի գոյությունը հաստատվում է թեորեմում, պրակտիկայում օգնում է աշխատել ոչ երկար թվերի հետ, այլ իր մնացորդների կարճ երկարությամբ խմբերի հետ։ Բացի դրանից, մոդուլներից յուրաքանչյուրի հաշվումը կարելի է կատարել զուգահեռԿաղապար:Sfn։ Եթե, որպես բազիս վերցնենք, օրինակ, առաջին 500 պարզ թվերը, որոնցից յուրաքանչյուրի երկարությունը չի գերազանցում 12 բիթ, ապա դա բավարար է տասական թվերի ներկայացմանը մինչև 1519 նշան երկարությամբ։ (Թե,որտեղից է վերցրված 1519 թիվը, շատ հեշտ է հասկանալ․ առաջին 500 պարզ թվերի տասական լոգարիթմների գումարը հավասար է 1519,746…)։
Օրինակ, RSA ալգորիթմում հաշվումը կատարվում է n շատ մեծ թվի մոդուլով, ներկայացված երկու մեծ պարզ թվերի արտադրյալի տեսքով։ Թեորեմը թույլ է տալիս անցում կատարել այդ պարզ բաժանարարների մոդուլով հաշվմանը, որոնք մեծությամբ արդեն n արմատների կարգի են, նշանակում է ունեն երկու անգամ փոքր բիթային երկարությունԿաղապար:Sfn։
Նշենք նաև, որ հաշվարկների օգտագործումը, համաձայն մնացորդների մասին չինական թեորեմի, RSA ալգորիթմը ժամանակային հարձակումները դարձնում է ընկալելի։Կաղապար:Sfn.

Գրականություն

Ծանոթագրություններ

Կաղապար:Ծանցանկ

Արտաքին հղումներ

Կաղապար:Արտաքին հղումներ Կաղապար:Թվերի տեսություն