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path: root/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004
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authorLordMcFungus <mceagle117@gmail.com>2021-03-22 18:05:11 +0100
committerGitHub <noreply@github.com>2021-03-22 18:05:11 +0100
commit76d2d77ddb2bed6b7c6b8ec56648d85da4103ab7 (patch)
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-rw-r--r--buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004.tex234
-rw-r--r--buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004/matrix.m22
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diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004.tex
new file mode 100644
index 0000000..046ac94
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004.tex
@@ -0,0 +1,234 @@
+Der Körper $\mathbb{F}_2$ ist besonders einfach, da er nur zwei Elemente
+$0$ und $1$ enthält.
+\begin{teilaufgaben}
+\item
+Bestimmen Sie die Additions- und Multiplikationstabelle für $\mathbb{F}_2$.
+\item
+Lösen Sie das lineare Gleichungssystem
+\[
+\begin{linsys}{4}
+x_1&+& x_2& & & & &=& 0\\
+ & & x_2&+&x_3&+&x_4&=& 1\\
+x_1&+& x_2&+&x_3&+&x_4&=& 1\\
+ & & x_2&+&x_3& & &=& 0\\
+\end{linsys}
+\]
+über dem Körper $\mathbb{F}_2$ mit dem Gauss-Algorithmus.
+\item Bestimmen Sie die Inverse $A^{-1}\in \operatorname{GL}_2(\mathbb{F}_2)$
+der Koeffizientenmatrix $A$ des Gleichungssystems.
+\item Kontrollieren Sie das Resultat durch Ausmultiplizieren des Produktes
+$AA^{-1}$.
+\end{teilaufgaben}
+
+\begin{loesung}
+\begin{teilaufgaben}
+\item
+Die Additions- und Multiplikationstabellen sind
+\begin{center}
+\begin{tikzpicture}[>=latex,thick]
+\def\ds{0.5}
+\def\punkt#1#2{({(#1)*\ds},{(-#2)*\ds})}
+\def\tabelle{
+ \foreach \x in {-0.5,0.5,2.5}{
+ \draw \punkt{\x}{-0.5} -- \punkt{\x}{2.5};
+ }
+ \foreach \y in {-0.5,0.5,2.5}{
+ \draw \punkt{-0.5}{\y} -- \punkt{2.5}{\y};
+ }
+ \node at \punkt{1}{0} {$0$};
+ \node at \punkt{2}{0} {$1$};
+ \node at \punkt{0}{1} {$0$};
+ \node at \punkt{0}{2} {$0$};
+}
+\begin{scope}[xshift=-2cm]
+ \tabelle
+ \node at (0,0) {$+$};
+ \node at \punkt{1}{1} {$0$};
+ \node at \punkt{2}{1} {$1$};
+ \node at \punkt{1}{2} {$1$};
+ \node at \punkt{2}{2} {$0$};
+\end{scope}
+\begin{scope}[xshift=2cm]
+ \tabelle
+ \node at (0,0) {$\cdot$};
+ \node at \punkt{1}{1} {$0$};
+ \node at \punkt{2}{1} {$0$};
+ \node at \punkt{1}{2} {$0$};
+ \node at \punkt{2}{2} {$1$};
+\end{scope}
+\end{tikzpicture}
+\end{center}
+Betrachtet als Bitoperationen entspricht die Addition dem XOR, die
+Multiplikation dem AND.
+\item
+Die Gauss-Tableaux sind
+\begin{align*}
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0\\
+ 1 & 1 & 1 & 1 & 0\\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0\\
+ 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+%\\
+%&
+\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0\\
+ 0 & 0 & 1 & 1 & 1\\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+\\
+\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 1\\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+%\\
+&
+\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+%\\
+%&
+\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 0 & 0 & 0 & 0\\
+ 0 & 1 & 0 & 0 & 1\\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 0\\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 1\\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{align*}
+In der ersten Zeile stehen die Schritt der Vorwärtsreduktion, in der
+zweiten die Schritte des Rückwärtseinsetzens.
+Als Lösung liest man ab
+\[
+x=\begin{pmatrix}0\\1\\0\\1 \end{pmatrix},
+\]
+die Korrektheit kann man leicht durch Einsetzen überprüfen.
+\item
+Wir wenden erneut den Gauss-Algorithmus an:
+\begin{align*}
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 \\
+ 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 \\
+ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\\
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 \\
+ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 & 1 & 0 \\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\\
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\\
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 \\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\\
+&\to
+\begin{tabular}{|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|}
+\hline
+ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\
+ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & 0 \\
+ 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{align*}
+Daraus liest man die Inverse $A^{-1}$ der Koeffizientenmatrix $A$ ab als
+\[
+A^{-1}
+=
+\begin{pmatrix}
+ 0 & 1 & 1 & 0 \\
+ 1 & 1 & 1 & 0 \\
+ 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 1 & 0 & 1
+\end{pmatrix}
+\]
+\item Wir prüfen das Resultat durch Ausmultiplizieren:
+\[
+AA^{-1}
+=
+\begin{pmatrix}
+ 1 & 1 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 1 & 1 \\
+ 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 1 & 1 & 0
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+ 0 & 1 & 1 & 0 \\
+ 1 & 1 & 1 & 0 \\
+ 1 & 1 & 1 & 1 \\
+ 0 & 1 & 0 & 1
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+ 1 & 0 & 0 & 0 \\
+ 0 & 1 & 0 & 0 \\
+ 0 & 0 & 1 & 0 \\
+ 0 & 0 & 0 & 1
+\end{pmatrix}
+\]
+Dabei kann man verwenden, dass der Eintrag in Zeile $i$ und Spalte $k$ des
+Produktes die Anzahl der Positionen ist, wo in der Zeile $i$ von $A$
+und in der Spalte $j$ von $A^{-1}$ eine $1$ steht.
+\end{teilaufgaben}
+\end{loesung}
diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004/matrix.m b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004/matrix.m
new file mode 100644
index 0000000..42e9d9f
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/uebungsaufgaben/3004/matrix.m
@@ -0,0 +1,22 @@
+#
+# matrix.m
+#
+# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
+#
+
+n = 4
+N = 20;
+p = 2;
+
+d = 0;
+while d == 0
+ A = round(N * rand(n,n));
+ B = mod(A, p);
+ d = det(B);
+ d = mod(d, p);
+ d = d * B(1,1);
+end
+A
+det(A)
+B
+det(B)