(лекция 7)
Кольцом называется алгебра
,
в которой для сложения действительны все аксиомы абелевой группы, для умножения достаточно только аксиомы ассоциативности А
1 и установлена специальная аксиома дистрибутивности умножения относительно сложения А5:![]()
Можно сказать, что кольцо представляет соединение абелевой группы по сложению (так называемой аддитивной группы кольца) с мультипликативной полугруппой общего вида. Задавая дополнительно аксиомы о свойствах умножения, можно получить коммутативное кольцо. кольцо с единицей и т.п.
Телом
называется кольцо, у которого все отличные от нуля элементы образуют группу общего вида (не обязательно коммутативную). Особое положение нуля в этом определении объясняется тем, что не может быть одного и того же нейтрального элемента для двух операций кольца. Поэтому присутствие нуля в мультипликативной группе неизбежно приводит к противоречию: здесь он не может быть нейтральным элементом, а использование его в качестве одного из обычных элементов противоречит его роли в сложении. В итоге нуль получает уникальные свойства: умножать на него можно, но делить уже нельзя, так как нуль не имеет обратного элемента.Полем называется тело с коммутативным умножением. Поле представляет соединение двух абелевых групп: аддитивной и мультипликативной, причем нуль имеет те же уникальные свойства, что в кольце или теле.
Перейдем к описанию примеров конечных колец и полей постепенно усложняя аксиоматику умножения. Для сложения, как уже было установлено, необходимы все четыре аксиомы аддитивной абелевой группы: А
1 (ассоциативность), А2 (коммутативность), А3 (наличие нуля) и А4 (наличие противоположного элемента).Пример
1. Рассмотрим алгебру
.
Следовательно, аддитивная группа имеется. Нейтральный элемент для умножения отсутствует, так как для построения единичной матрицы
,
требуется нечетное число 1, отсутствующее по определению данной алгебры. Если нет нейтрального элемента, не может быть и обратного. Кроме того, умножение матриц, вообще говоря, не коммутативно:
,
.
Следовательно, в данном примере мы получили кольцо общего вида.
Пример 2. Берем такое же множество матриц, но теперь элементами матриц будут целые числа, положительные и отрицательные. Теперь для умножения будет иметься нейтральный элемент: единичная матрица, которая является и левой и правой единицей мультипликативной полугруппы кольца. Обратные элементы могут иногда найтись, например:
,
но в общем случае их существование не гарантировано. Это можно доказать так. Возьмем равенство
,
в котором первый сомножитель выбран произвольно, а во втором элементы имеют буквенные обозначения. Чтобы узнать, существует ли такое равенство при целых значениях всех чисел, составим и решим систему уравнений, вытекающую из данного равенства.


Равенство удовлетворяется только при дробном значении с. Следовательно, аксиома о существовании обратного элемента здесь не имеет места. Кроме того, умножение остается некоммутативным, вследствие чего в этом примере получается тело.
Пример 3. Возьмем множество чисел М = {0, 1, 2, 3} и определим на нем операции
Таблица 7.1
| 0 | 1 | 2 | 3 | |
| 0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 1 | 1 | 2 | 3 | 0 |
| 2 | 2 | 3 | 0 | 1 |
| 3 | 3 | 0 | 1 | 2 |
Таблица 7.2
| 0 | 1 | 2 | 3 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 2 | 0 | 2 | 0 | 2 |
| 3 | 0 | 3 | 2 | 1 |
Таблица 7.1 показывает все необходимые для аддитивной группы свойства: ассоциативность и коммутативность операции, наличие нуля и противоположного элемента. Последнее видно из наличия нуля в каждой строке. Таблица 7.2 показывает все свойства умножения, кроме наличия обратного элемента. Таким образом, в этом примере получилось коммутативное кольцо с единицей.
Пример 4. Построим алгебру, аналогичную предыдущей, но сложение и умножение теперь будем выполнять по модулю 5. Построим таблицы Кэли (табл. 7.3 и 7.4).
Таблица 7.3
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 0 |
| 2 | 2 | 3 | 4 | 0 | 1 |
| 3 | 3 | 4 | 0 | 1 | 2 |
| 4 | 4 | 0 | 1 | 2 | 3 |
Таблица 7.4
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 2 | 0 | 2 | 4 | 1 | 3 |
| 3 | 0 | 3 | 1 | 4 | 2 |
| 4 | 0 | 4 | 3 | 2 | 1 |
Таблица сложения показывает наличие аддитивной коммутативной группы. Таблица умножения показывает ассоциативность и коммутативность операции. Кроме того, в каждой строке или столбце содержится единица, что указывает на аксиомы о существовании единицы и обратного элемента. В данном примере мы получили поле.
Конечные числовые поля вроде полученного в примере 4 называются полями Галуа по имени Эвариста Галуа, который их впервые описал, и который ввёл термины "группа", "поле" и т.п.
Интересна биография Э.Галуа. Обычно знаменитый ученый, оставляющий глубокий след в истории науки, достигает этого в итоге большого трудового жизненного пути. Наследие такого ученого бывает великим не только по своему значению, но и просто по объему материала. И. Ньютон прожил 85 лет, А.Н. Крылов - 82, Леонард Эйлер -76 ( да еще имел 13 детей от двух жен!), Галилео Галилей - 78, Н.Е. Жуковский -74. Бывают и короткие биографии, но насыщенные плодотворным трудом, как у Блеза Паскаля, который прожил всего 39 лет и из них последние девять - в монастыре, в болезненном состоянии, когда он уже не работал. Но за предшествующие одиннадцать лет он создал гидростатику, заложил основы комбинаторного анализа, построил первые вычислительные машины и другие замечательные механизмы. Иначе сложилась судьба Галуа. Вся его теоретическая работа уместилась на нескольких страницах письма, написанного им в ночь перед дуэлью, на которой он был убит в возрасте 21 года (в 1832 г). Ранее он дважды подавал свои записки во французскую Академию, но оба раза маститые академики Коши и Фурье теряли рукопись, не поняв её значения.
Для обозначения в общем виде числовых полей Галуа принята запись
GF(p), где р - простое число, являющееся модулем пересчета при сложении и умножении. При составном р получается не поле, а кольцо G(p), как в нашем третьем примере. Поля и кольца Галуа иначе называются просто полями или кольцами вычетов по модулю р. Самым простым из таких полей является GF(2), описываемое таблицами 7.5 и 7.6. Оно играет важную роль в теории кодирования цифровой информации, с его помощью образуются более сложные алгебраические системы.Таблица 7.5
| 0 | 1 | |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Таблица 7.6
| 0 | 1 | |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
Кольцо полиномов GF(pk) является расширением понятия поля вычетов по модулю простого числа р. Здесь элементами поля являются не числа, а полиномы (многочлены) k - ой степени от фиктивной переменной х, имеющие вид:
где коэффициенты а
Полиномы можно складывать и умножать, соблюдая правила действий по модулю р. Примеры при р
= 5:
Как и при умножении полиномов обычной алгебры, степени перемножаемых членов складываются. Полиномы над
GF(p) можно делить с остатком или нацело, если определить для коэффициентов операцию вычитания по модулю р. Пример деления без остатка при р = 5:
Проще всего операции с полиномами выполняются при р = 2, так как операции сложения и вычитания по модулю 2 дают одинаковый результат, и вводить отдельную операцию вычитания не нужно. Кроме того, умножение на множестве {0, 1} очень просто. Знак умножения и коэффициенты 0 и 1 не пишутся.
Примеры операций с полиномами над полем
GF(2). Умножение:
;
Деление с остатком:

Приведенные здесь примеры дают представление о полиномах над
GF(p) и о действиях над ними при различных модулях р.Перейдем к определению кольца полиномов над
GF(p). Для того, чтобы вместо бесконечного множества полиномов всевозможных степеней получить конечное и при этом замкнутое множество, нужно задаться некоторым полиномом Q(х) степени k и использовать его так, как в числовом кольце используется число р, а именно - в качестве модуля, по которому приводится результат операции. Если элементами числового кольца являются числа от 0 до р-1, т.е. остатки от деления произвольного целого числа на р, то элементами кольца полиномов будут остатки от деления произвольных полиномов высоких степеней на полиномиальный модуль Q(х). Зададимся полиномом второй степени над GF(2)![]()
Множество остатков от деления на
Q(х) должно содержать все полиномы степени меньше двух, так как любой полином более высокой степени будет делиться на Q(X) с остатком или без него. В данном случае множество остатков определяется легко: М = {0, 1, х, хТаблица 7.7
| 0 | 1 | x | x |
|
| 0 | 0 | 1 | x | x |
| 1 | 1 | 0 | x |
x |
| x | x | x |
0 | 1 |
| x |
x |
x | 1 | 0 |
Таблица 7.8
| 0 | 1 | x | x |
|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | x | x |
| x | 0 | x | 1 | x |
| x |
0 | x |
x |
0 |
Исследование таблиц показывает, что по сложению получается абелева группа, а по умножению группа не получается, так как в последней строке таблицы 9 нет единицы, иначе говоря, для х
Q(
х) = х2Для получения поля полиномов над
GF(2) нужно взять в качестве модуля Q(х) не разлагающийся на сомножители, т.е. неприводимый полином, напримерQ(
х) = х2Множество остатков будет таким же, но группа теперь будет получаться не только по сложению, но и по умножению (табл.7.9).
Таблица 7.9
| 0 | 1 | х | х |
|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | х | х |
| х | 0 | х | х |
1 |
| х |
0 | х |
1 | х |
Аналогично получаются кольца и поля полиномов над GF(p) при других р и при различных степенях полиномиального модуля вычетов.
Для прикладных теорий очень важно, что множеству полиномов, образующих расширенное поле Галуа
GF(pk), изоморфно поле р -ичных чисел длиной до k разрядов по операциям поразрядное сложение и поразрядное умножение по mod p.Степени фиктивной переменной х при этом заменяются степенями основания системы счисления. иначе говоря, любому полиному из
GF(рk) однозначно соответствует р -ичное число, цифры которого равны соответствующим коэффициентам полинома. Например: полиному2х5
х4
2 над GF(3)
соответствует троичное число 210002.
Эта простая связь между алгебраическим выражением и позиционным числом позволяет описывать формулами самые различные преобразования цифровых кодов. Например, сдвиг влево на два разряда с приписыванием справа двух нулей выражается умножением на х
2.Сложение, умножение и деление полиномов над
GF(p) можно заменить операциями над числами. Например при р = 2 умножение и деление цифровых кодов по правилам, определенным для полиномов дает результаты, не сводимые к обычному сложению и умножению чисел:
В приведенных здесь примерах обычные операции (при переводе в десятичную систему) давали бы 27