diff --git a/07-teorie-cisel/teorie-cisel.tex b/07-teorie-cisel/teorie-cisel.tex index 5231c1c1d895e22e213745045970b6aff39e1594..744bc22da822bc2a0f4f93a681a495d514bc89fa 100644 --- a/07-teorie-cisel/teorie-cisel.tex +++ b/07-teorie-cisel/teorie-cisel.tex @@ -603,9 +603,9 @@ tedy na prvočíslo narazíme po průměrně $\Theta(b)$ pokusech. \section{Diskrétní logaritmy} Důležitou vlastností těles modulo prvočíslo je, že se v~nich dá logaritmovat. -Nejprve uvedeme bez důkazu následující větu: +Začneme následující větou (důkaz zájemce najde v~závěru tohoto oddílu). -\claim{ +\theorem{ Pro každé prvočíslo~$p$ je multiplikativní grupa~$\Zsp$ cyklická. Existuje tedy alespoň jedno~$g$ (generátor) takové, že $\Zsp = \{g^0,\ldots,g^{p-2}\}$. } @@ -670,6 +670,77 @@ Tehdy $\varphi(p-1) = \varphi(2q) = \varphi(2)\varphi(q) = 1\cdot (q-1) = q-1 \a Generátory tedy tvoří přibližně polovinu prvků~$\Zsp$, takže po průměrně dvou pokusech nějaký najdeme. +\subsectionstar{Důkaz věty o cykličnosti multiplikativní grupy} + +% několik hezkých důkazů viz https://www.di-mgt.com.au/docs/cyclicFp.pdf + +Nejprve definujme $N_p(d)$ jako počet prvků~$\Zsp$, které mají řád~$d$. +Řády prvků musí dělit řád celé grupy, což je $p-1$, takže $N_p(d)$ +může být nenulové jen pro $d\divs (p-1)$. + +Generátor celé grupy je prvek řádu $p-1$, takže tvrzení věty je ekvivalentní +s~$N_p(p-1) > 0$. + +\lemma{ +Nechť $d\divs (p-1)$ a $N_p(d) > 0$. Potom $N_p(d) = \varphi(d)$. +} + +\proof +Nechť $N_p(d) > 0$ a $a\in\Zsp$ je nějaký prvek řádu~$d$. +Uvažujme rovnici $x^d\equiv 1$ v~$\Zp$. To je polynomiální rovnice řádu~$d$ +v~tělese, takže má nejvýše $d$ kořenů. Všechny mocniny $a^0$ až $a_{d-1}$ +patří mezi kořeny (platí $(a^i)^d \equiv a^{id} \equiv (a^d)^i \equiv 1^i \equiv 1$), +tím pádem žádné další kořeny neexistují. + +Každý prvek řádu~$d$ ovšem musí být kořenem této rovnice, takže +ho jde zapsat jako~$a^i$ pro nějaké~$i$. Z~úvahy o~počítání generátorů +plyne, že $a^i$ generuje právě tehdy, když $i\perp d$. Takových~$i$ +je $\varphi(d)$. +\qed + +\corr{ +Pro každé $d\divs (p-1)$ platí $N_p(d) \le \varphi(d)$. +} + +Každý prvek~$\Zsp$ má nějaký řád. +Proto sečteme-li $N_p(d)$ přes všechna~$d$, musíme dostat $p-1$. +Zkombinováním s~předchozím důsledkem dostaneme: +$$ + p-1 = \sum_{d\divs (p-1)} N_p(d) + \le \sum_{d\divs (p-1)} \varphi(d). \eqno{(*)} +$$ +Platí ovšem i opačná nerovnost: + +\lemma{ +Pro každé $n>0$ platí $\sum_{d\divs n} \varphi(n) = n$. +} + +\proof +Budeme počítat zlomky +$$ + {1\over n}, + {2\over n}, + {3\over n}, + \dots + {n-1\over n}, + {n\over n}. +$$ +rozdělené do skupin podle jmenovatele po zkrácení. +Pokud se zlomek $i/n$ zkrátí na $j/d$, musí být $j\perp d$ a $d\divs n$. +Navíc $1\le i\le n$ je ekvivalentní s~$1\le j\le d$. +Pro dané~$d$ tedy připadají v~úvahu všechna $j$ od~1 do~$d$, +která jsou nesoudělná s~$d$. Těch je $\varphi(d)$. +Sečtením přes všechna~$d$ získáme rovnost z~tvrzení lemmatu. +\qed + +Spojením lemmatu s~nerovností~$(*)$ dostaneme +$$ + \sum_{d\divs(p-1)} N_p(d) = \sum_{d\divs(p-1)} \varphi(d). +$$ +Žádná z~nerovností $N_p(d) \le \varphi(d)$ tedy nemůže být ostrá. +Proto je $N_p(p-1) = \varphi(p-1)$, což je nenulové číslo. +Tím je věta dokázaná. + \section{Kvadratické zbytky} Prozkoumejme, jak se v~$\Zp$ chovají druhé odmocniny (v~tomto oddílu budeme říkat prostě odmocniny).