数论与有限域-第六章.ppt

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数论与有限域-第六章.ppt

第六章 有限域的抽象性质 第一节 有限域的加法结构 一、域的特征 二、有限域F中的元素个数 一、域的特征 设e为有限域F中的乘法单位元。定义F中的序列{u0, u1, u2,…}如下 u0=0, un=un-1+e, 其中n=1, 2,... 则易知?n?Z,有un=ne,于是在此序列中,?m和n,有 um+n=(m+n)e=me+ne=um+un 且 umn=(mn)e=(mn)e2=me·ne=um×un。 由于F是有限域,因而序列{u0, u1, u2,…}中的元素不可能都不相同,故可设存在整数c,使得u0=0, u1, u2,…, uk+c-1互不相同且uk+c=uk。又uk+c-uk=uc,即uc=ce=0。因而我们找到了一个整数c,使得ce=0。一般地 一、域的特征 定义6.1.1记有限域F的乘法单位元为e,如果存在正整数n,使得ne=0,则称满足此条件的最小正整数n为域F的特征。如果这样的正整数不存在,则称域F的特征为零。 例6.1.1 容易验证由前一章的例5.4.5得到的域GF(8)的特征为 2, 由例5.4.4得到域GF(9)的特征为 3, 而实数域与有理数域的特征则为 0。 一、域的特征 定理6.1.1若F是有限域,则F的特征c必定为素数。 证明:假设相反,设正整数c=a×b,其中1≤a≤c,1≤b≤c,则由上述有限域F中的序列{u0, u1, u2,…}所具有的性质知 uc=ua×ub。 但uc=0,而ua与ub均不为0,如此与域中无零因子的性质相矛盾,因而c必定为素数。 在以下的叙述中,记有限域的特征为字母p,则易知序列{u0, u1, u2,…}中第一个出现重复的元素是 up=0,进而u0, u1, u2,…, up-1互不相同。 二、有限域F中的元素个数 定理6.1.2有限域F中的元素个数q必定是某个素数p的幂次,即q=pm。 证明:首先,容易验证域F的子集{u0, u1, u2,…, up-1}构成了F的一个子域,记为Fp。 若F=Fp,则q=p,结论得证。 否则设ω1?F-Fp,则?a, b?Fp,在F中都可以对应地找到一个元素aω1+b,显然在F中共有p2个元素具有这样的形式,因而若域F中元素的数目q=p2,则定理得证。 二、有限域F中的元素个数 否则在F中选择不具有形式aω1+b的元素ω2,则?a, b, c?Fp,在F中都可以对应地找到一个元素aω2+bω1+c,显然在F中共有p3个元素具有此形式,因而若域F中元素的数目q=p3,则定理得证。 否则,我们在F中选择不具有形式aω2+bω1+c的元素ω3,…。 最终,在F中可以选定一组元素{ω1,ω2,…,ωm-1},使得F中的每个元素α都有唯一的表达式:α=a1+a2ω1+a3ω2+…+am-1ωm-1,其中ai?Fp,i=1, 2, …, m-1。由于每个ai有p个可能的取值,因而F中恰有pm个元素。定理得证 二、有限域F中的元素个数 通过定理6.1.2,对有限域F的加法结构我们可以得到如下认识: 有限域F中的元素可以看做是域Fp中元素构成的m元组,且 (a1, a2,…,am)+(b1,b2,…,bm)=(a1b1, a2+b2,…, am+bm) 接下来,我们来研究域F的乘法结构。 第二节 有限域的乘法结构 一、元素的阶 二、本原元 三、最小多项式与本原多项式 一、元素的阶 以下设F为有限域,F*为有限域F中的所有非零元素构成的集合,?α?F*,考察由α的各个幂次所构成的序列{e, α, α2,…, αn,…}的性质。 首先由域F对乘法运算的封闭性,知?i,αi?F,又F是有限域,因而序列{e, α, α2,…, αn,…}中必然会出现重复。 设{e, α, α2,…, αk+t-1}互不相同且αk=αk+t,则 k=0; 否则若k0,则由αk=αk+t得到 αk-1=αk+t-1, 这与{e, α, α2,…, αk+t-1}互不相同相矛盾,进而αt=e。 一般地 一、元素的阶 定义6.2.1 记有限域F的乘法单位元为e,则称使得等式αt=e成立的最小正整数t,t≥1,为α的阶,记为ord(α)。 通常,α取不同值,α的阶相应地也会有不同的取值,并且计算有可能也会很困难。但是,在域F中利用以下结论可以很明确地确定出t,t≥1,阶元素的个数。 一、元素的阶 定理6.2.1设有限域F具有q个元素,?α?F*,若α的阶为t,则t|(q-1)。 证明:由域的定义,F*构成了乘法群,由于α的阶为t,即 αt=e, 因而{e, α, α2,…, αt-1}构成了F*的子群。拉格朗日定理子群中的元素个数一定会是整个群的元素个数的因子,因而 t|(q-1)。 一、元素

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