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数学 / finite-field

有限域

有限域是元素个数有限的域,其大小恰为素数幂,可用于精确的代数运算。

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有限域是只含有限个元素的域:其中定义了加法、减法、乘法以及除以任意非零元素的除法,且这些运算满足域公理。有限域也称为伽罗瓦域,含有 qq 个元素的域通常记作 Fq\mathbb F_q 或 GF(q)\mathrm{GF}(q)。有限域的分类定理指出,qq 必须是素数幂;对于每个素数幂,在同构意义下恰有一个有限域。有限域为代数运算提供了一个有限的环境,同时保留了对非零元素进行除法的能力。(kconrad.math.uconn.edu)

特征与可能的大小

有限域的特征是使下式成立的最小正整数 pp:

1+⋯+1⏟p 项=0.\underbrace{1+\cdots+1}_{p\text{ 项}}=0.

这个整数必须是素数。如果它是合数,例如 p=abp=ab,其中 1<a,b<p1<a,b<p,那么非零元素 a⋅1a\cdot1 和 b⋅1b\cdot1 的乘积就会等于零,而这在域中是不可能的。11 的整数倍构成该域的素子域,它与 Fp\mathbb F_p 同构。(math.mit.edu)

每个有限域都是这个子域上的向量空间。若其维数为 nn,则选定一组基后,每个元素都可由 Fp\mathbb F_p 中的 nn 个系数唯一表示。因此,其基数(也称为阶)为 pnp^n。所以,存在阶为 44、88、99 和 2525 的域,但不存在阶为 66 或 1010 的域。指数 nn 就是该域相对于 Fp\mathbb F_p 的域扩张次数。(math.mit.edu)

构造与示例

对于素数 pp,最简单的构造是

Fp=Z/pZ.\mathbb F_p=\mathbb Z/p\mathbb Z.

它的元素是整数的剩余类,运算按模算术进行。例如,在 F5\mathbb F_5 中,3+4=23+4=2,且 2⋅3=12\cdot3=1,因此 33 是 22 的乘法逆元。相比之下,以合数为模的算术得到的是环,而不是域:模 66 时,非零剩余类 22 和 33 的乘积为零。(kconrad.math.uconn.edu)

可以用多项式构造更大的域。在 Fp\mathbb F_p 上选取一个 nn 次不可约多项式 f(x)f(x),即它不能在该域上分解为两个次数均为正的多项式的乘积。此时,商环

Fp[x]/(f(x))\mathbb F_p[x]/(f(x))

就是一个含有 pnp^n 个元素的域。它的每个元素都有唯一的次数小于 nn 的多项式代表元。加法按对应系数相加;乘法则先进行多项式乘法,再对 f(x)f(x) 取模。不可约性保证了每个非零剩余类都有逆元。(math.mit.edu)

例如,x2+x+1x^2+x+1 在 F2\mathbb F_2 上不可约。用 α\alpha 表示 xx 所在的剩余类,所得的域为

F4={0,1,α,α+1},α2=α+1.\mathbb F_4=\{0,1,\alpha,\alpha+1\}, \qquad \alpha^2=\alpha+1.

因此,α(α+1)=1\alpha(\alpha+1)=1。这个域并不是模 44 的算术:在 F4\mathbb F_4 中,1+1=01+1=0,而模 44 时,1+1=21+1=2。次数相同的不同不可约多项式,可以给出彼此同构的域的不同表示。(maths.dur.ac.uk)

乘法结构与多项式恒等式

Fq\mathbb F_q 的非零元素在乘法下构成一个阶为 q−1q-1 的循环群。因此,存在一个本原元 gg,使每个非零元素都是 gg 的幂。这种乘法结构不同于其加法结构;后者是 Fp\mathbb F_p 上的 nn 维向量空间的加法结构。(kconrad.math.uconn.edu)

每个非零元素 a∈Fqa\in\mathbb F_q 都满足 aq−1=1a^{q-1}=1,而所有元素都满足 aq=aa^q=a。因此,

xq−x=∏a∈Fq(x−a).x^q-x=\prod_{a\in\mathbb F_q}(x-a).

反过来,xpn−xx^{p^n}-x 在其分裂域中的根构成一个恰含 pnp^n 个元素的域。这证明了有限域的存在性;分裂域的唯一性则证明了有限域在同构意义下的唯一性。该多项式的形式导数为 −1-1,所以它的根互不相同。(jmilne.org)

必须区分多项式表达式与多项式函数。非零多项式 xq−xx^q-x 在 Fq\mathbb F_q 上诱导的函数是零函数。更一般地,从 Fq\mathbb F_q 到自身的每个函数,都有唯一一个次数小于 qq 的多项式表示,可通过插值得到。(kconrad.math.uconn.edu)

弗罗贝尼乌斯自同构与子域

弗罗贝尼乌斯自同构

σ(a)=ap\sigma(a)=a^p

在特征为 pp 的域中保持加法和乘法。在 Fpn\mathbb F_{p^n} 上,它的阶为 nn;每个逐点固定 Fp\mathbb F_p 的自同构都是它的某个幂。因此,这个扩张是伽罗瓦扩张,其自同构群是循环群,为伽罗瓦理论提供了一个具体实例。(jmilne.org)

子域完全由整除关系决定:Fpn\mathbb F_{p^n} 含有一个具有 pmp^m 个元素的子域,当且仅当 mm 整除 nn,而且这个子域是唯一的。它由满足 apm=aa^{p^m}=a 的元素组成。例如,F64\mathbb F_{64} 有阶为 22、44 和 88 的真子域,但没有阶为 1616 的子域。(jmilne.org)

计算与应用

有限域算术采用精确的有限表示。在基于多项式的实现中,系数对 pp 取模,乘积则对选定的不可约多项式取模。在特征为 22 的情况下,系数相加对应于比特上的异或运算。逆元可用多项式的扩展欧几里得算法计算。(math.mit.edu)

有限域是代数纠错码的基础;这类编码利用多项式关系或线性代数关系来组织符号和码字。这些关系引入了冗余,从而能够检测并纠正传输错误。(math.mit.edu)

在密码学中,高级加密标准将字节视为 F28\mathbb F_{2^8} 的元素,并采用以下多项式进行模约简:

x8+x4+x3+x+1.x^8+x^4+x^3+x+1.

其代换变换先求乘法逆元(零单独处理),再进行仿射变换;其列混合变换也使用这个域中的算术运算。(nvlpubs.nist.gov)