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[网络协议]近世代数——群笔记(1)

lemma 1

(Euclid’s Lemma) If a ∣ b c a|bc abc and ( a , b ) = 1 (a,b)=1 (a,b)=1, then a ∣ c a|c ac

Proof: Since ( a , b ) = 1 (a,b)=1 (a,b)=1, there exists s , t ∈ N s,t\in\mathbb N s,tN such that a s + b t = 1 as+bt=1 as+bt=1. Hence, c = c ? 1 = c ( a s + b t ) = a ( c s ) + t ( b c ) c=c\cdot 1=c(as+bt)=a(cs)+t(bc) c=c?1=c(as+bt)=a(cs)+t(bc). Since a ∣ a ( c s ) , a ∣ ( b c ) a|a(cs),a|(bc) aa(cs),a(bc), a ∣ c a|c ac.

lemma 2

If ( a , b ) = 1 (a,b)=1 (a,b)=1, then the equation a x ≡ c ? m o d ? b ax\equiv c ~\rm mod ~b axc?mod?b is solvable.

Proof: Since ( a , b ) = 1 (a,b)=1 (a,b)=1, ? s , t ∈ N \exist s,t\in \mathbb N ?s,tN, s.t. a s + b x = 1 as+bx=1 as+bx=1. Hence, a s c + b x c = c , asc+bxc=c, asc+bxc=c, b ∣ ( a ( s c ) ? c ) b|(a(sc)-c) b(a(sc)?c), that is s c sc sc is a solution. In fact, all solutions are A : = { s c + b k ∣ k ∈ Z } A:=\{sc+bk|k\in\mathbb Z\} A:={sc+bkkZ}. Set B B B are the set of all solutions of the equation. It’s clear that A ? B A\subset B A?B. Next we will show B ? A B\subset A B?A. If x 0 x_0 x0? is a solution, then we get a x 0 ≡ c ? m o d ? b ax_0\equiv c~\rm mod~b ax0?c?mod?b, b ∣ ( a x 0 ? c ) b|(ax_0-c) b(ax0??c), hence b ∣ ( a x 0 ? c ) + ( a s ? c ) ? b ∣ a ( x 0 ? s ) b|(ax_0-c)+(as-c)\Rightarrow b|a(x_0-s) b(ax0??c)+(as?c)?ba(x0??s). Since ( b , a ) = 1 (b,a)=1 (b,a)=1, b ∣ ( x 0 ? s ) b|(x_0-s) b(x0??s), by Euclid’s Lemma. There exists some k 0 k_0 k0? such that s + b k 0 = x 0 s+bk_0=x_0 s+bk0?=x0?, hence B ? A B\subset A B?A, B = A B=A B=A.

Chinese Reminder’s Theorem

If ( m , m ′ ) = 1 (m,m')=1 (m,m)=1, then x ≡ a ? m o d ? m x\equiv a ~\rm mod~m xa?mod?m and x ≡ b ? m o d ? m ′ x\equiv b ~\rm mod~m' xb?mod?m have solutions.

Proof: By lemma 2, the equation x ≡ a ? m o d ? m x\equiv a~\rm mod~m xa?mod?m has solution k m + a , ? k ∈ Z km+a,~k\in\mathbb Z km+a,?kZ. Insititude k m + a km+a km+a into x ≡ b ? m o d ? m ′ x\equiv b~\rm mod~m' xb?mod?m, we get k m + a ≡ b ? m o d ? m ′ km+a\equiv b~\rm mod~m' km+ab?mod?m, m k ≡ b ? a ? m o d ? m ′ mk\equiv b-a~\rm mod~m' mkb?a?mod?m for some k k k. Since ( m , m ′ ) = 1 (m,m')=1 (m,m)=1, ? k 0 ∈ Z \exists k_0\in\mathbb Z ?k0?Z, s.t. m k 0 ≡ b ? a ? m o d ? m ′ mk_0\equiv b-a~\rm mod~m' mk0?b?a?mod?m. So x 0 = m k 0 + a x_0=mk_0+a x0?=mk0?+a is a solution of equations.
Assume that y y y is also a solution of equation, then { y ≡ a ? m o d ? m y ≡ b ? m o d ? m ′ \begin{cases}y\equiv a~\rm mod ~m\\y\equiv b~\rm mod ~m'\end{cases} {ya?mod?myb?mod?m?, hence { y ? x 0 ≡ 0 ? m o d ? m y ? x 0 ≡ 0 ? m o d ? m ′ \begin{cases}y-x_0\equiv 0~\rm mod ~m\\y-x_0\equiv 0~\rm mod ~m'\end{cases} {y?x0?0?mod?my?x0?0?mod?m?
Since m ∣ ( y ? x 0 ) , ? m ′ ∣ ( y ? x 0 ) , ? ( m , m ′ ) = 1 m|(y-x_0),~m'|(y-x_0),~(m,m')=1 m(y?x0?),?m(y?x0?),?(m,m)=1, we have m m ′ ∣ ( y ? x 0 ) ( ? ) mm'|(y-x_0)(*) mm(y?x0?)(?).
So ? l ∈ Z \exists l\in\mathbb Z ?lZ, y ? x 0 = l m m ′ , ? y = x 0 + l m m ′ y-x_0=lmm',~y=x_0+lmm' y?x0?=lmm,?y=x0?+lmm. Set X : = { s o l u t i o n s ? o f ? e q u a t i o n s } X:=\{\rm solutions~of~equations\} X:={solutions?of?equations}, Y : = { x 0 + m m ′ l ∣ l ∈ Z } Y:=\{x_0+mm'l|l\in\mathbb Z\} Y:={x0?+mmllZ}. Now we have got X ? Y X\subset Y X?Y, next we show Y ? X Y\subset X Y?X. ? x 0 + m m ′ l \forall x_0+mm'l ?x0?+mml, x 0 + m m ′ l ≡ x 0 ? m o d ? m x_0+mm'l\equiv x_0~\rm mod~m x0?+mmlx0??mod?m, x 0 + m m ′ l ≡ x 0 ? m o d ? m ′ x_0+mm'l\equiv x_0~\rm mod~m' x0?+mmlx0??mod?m. Hence, x 0 + m m ′ l x_0+mm'l x0?+mml is also a solution for any l ∈ Z l\in\mathbb Z lZ, Y ? X Y\subset X Y?X, furthermore X = Y X=Y X=Y. Hence the solution of equations is { x 0 + m m ′ l ∣ l ∈ Z } \{x_0+mm'l|l\in\mathbb Z\} {x0?+mmllZ}.

proof of ( ? ) (*) (?): For m ∣ ( y ? x 0 ) m|(y-x_0) m(y?x0?), ? u ∈ Z \exists u\in\mathbb Z ?uZ, s.t. y ? x 0 = m u y-x_0=mu y?x0?=mu. Since m ′ ∣ ( y ? x 0 ) m'|(y-x_0) m(y?x0?), m ′ ∣ m u m'|mu mmu. Hence, m ′ ∣ u m'|u mu, by Euclid’s lemma. Hence, m m ′ ∣ m u = y ? x 0 mm'|mu=y-x_0 mmmu=y?x0?.

An application of Chinese Remainder’s Theorem

Chinese Remainder’s Theorem is the key of the proof of the following statement:
If ( m , n ) = 1 (m,n)=1 (m,n)=1, then Z m n ? Z m × Z n \mathbb Z_{mn}\cong \mathbb Z_m\times\mathbb Z_n Zmn??Zm?×Zn?.
The detail will be ignored. Construct a map ? : Z → Z m × Z n , a ? ( [ a ] m , [ a ] n ) \phi: \mathbb Z\to \mathbb Z_m\times\mathbb Z_n, a\mapsto([a]_m,[a]_n) ?:ZZm?×Zn?,a?([a]m?,[a]n?). In fact, ? \phi ? is a bijection. Chinese Remainder’s theorem assures its surjection. ? a , b ∈ Z \forall a,b\in\mathbb Z ?a,bZ, we want to find a x x x such that
{ x ≡ a ? m o d ? m x ≡ b ? m o d ? n \begin{cases} x\equiv a~\rm mod ~m\\ x\equiv b~\rm mod ~n \end{cases} {xa?mod?mxb?mod?n?
Since ( m , n ) = 1 (m,n)=1 (m,n)=1, by Chinese Remainder’s theorem, the equations have solutions, such as x 0 x_0 x0?, [ x 0 ] m n ? ( [ x 0 ] m , [ x 0 ] n ) = ( [ a ] m , [ b ] n ) [x_0]_{mn}\mapsto([x_0]_m,[x_0]_n)=([a]_m,[b]_n) [x0?]mn??([x0?]m?,[x0?]n?)=([a]m?,[b]n?).

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加:2022-01-16 13:28:51  更:2022-01-16 13:30:33 
 
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