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Diffstat (limited to 'buch/chapters/30-endlichekoerper')
-rw-r--r--buch/chapters/30-endlichekoerper/euklid.tex193
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diff --git a/buch/chapters/30-endlichekoerper/euklid.tex b/buch/chapters/30-endlichekoerper/euklid.tex
index cb2f7ca..db326f8 100644
--- a/buch/chapters/30-endlichekoerper/euklid.tex
+++ b/buch/chapters/30-endlichekoerper/euklid.tex
@@ -16,6 +16,9 @@ In diesem Abschnitt soll der Algorithmus zunächst für ganze Zahlen
vorgestellt werden, bevor er auf Polynome verallgemeinert und dann
in Matrixform niedergeschrieben wird.
+%
+% Der euklidische Algorithmus für ganze Zahlen
+%
\subsection{Ganze Zahlen}
Gegeben sind zwei ganze Zahlen $a$ und $b$ und wir dürfen annehmen,
dass $a\ge b$.
@@ -59,6 +62,7 @@ Der letzte nicht verschwindende Rest $r_n$ muss daher der grösste gemeinsame
Teiler sein: $g=r_n$.
\begin{beispiel}
+\label{buch:endlichekoerper:beispiel1}
Wir bestimmen den grössten gemeinsamen Teiler von $76415$ und $23205$
mit Hilfe des eben beschriebenen Algorithmus.
Wir schreiben die gefundenen Zahlen in eine Tabelle:
@@ -116,7 +120,11 @@ die Zahlen $t=-58$ und $s=191$ sind also genau die eingangs versprochenen
Faktoren.
\end{beispiel}
-\subsection{Matrixschreibweise}
+%
+% Matrixschreibeweise für den euklidischen Algorithmus
+%
+\subsection{Matrixschreibweise
+\label{buch:endlichekoerper:subsection:matrixschreibweise}}
Die Durchführung des euklidischen Algorithmus lässt sich besonders elegant
in Matrixschreibweise dokumentieren.
In jedem Schritt arbeitet man mit zwei ganzen Zahlen $a_k$ und $b_k$, die wir
@@ -263,8 +271,7 @@ Q
\begin{pmatrix} 1 & -2 \\ -3 & 7 \end{pmatrix}
\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & -3 \end{pmatrix}
}_{}
-\\
-&=
+\\ &=
\begin{pmatrix} 3 & -7 \\ -14 & 33 \end{pmatrix}
\begin{pmatrix} -3 & 10 \\ 7 & -23 \end{pmatrix}
=
@@ -315,6 +322,186 @@ berechnen.
Dies ist die Art von Matrix, die wir für die Implementation der
Wavelet-Transformation anstreben.
+%
+% Vereinfachte Durchführung des euklidischen Algorithmus
+%
+\subsection{Vereinfachte Durchführung
+\label{buch:endlichekoerper:subsection:matrixschreibweise}}
+Die Durchführung des euklidischen Algorithmus mit Hilfe der Matrizen
+$Q(q_k)$ ist etwas unhandlich.
+In diesem Abschnitt sollen die Matrizenprodukte daher in einer Form
+dargestellt werden, die leichter als Programm zu implementieren ist.
+
+In Abschnitt~\ref{buch:endlichekoerper:subsection:matrixschreibweise}
+wurde gezeigt, dass das Produkt der aus den Quotienten $q_k$ gebildeten
+Matrizen $Q(q_k)$ berechnet werden müssen.
+Dazu beachten wir zunächst, dass die Multiplikation mit der Matrix
+$Q(q_k)$ die zweite Zeile in die erste Zeile verschiebt:
+\[
+Q(q_k)
+\begin{pmatrix}
+u&v\\
+c&d\\
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}0&1\\1&-q_k\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+u&v\\
+c&d
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+c&d\\
+u-q_kc&v-q_kd
+\end{pmatrix}.
+\]
+Die Matrizen
+\[
+Q_k = Q(q_k)Q(q_{k-1})\dots Q(q_0)
+\]
+haben daher jeweils für aufeinanderfolgende Werte vo $k$ eine Zeile
+gemeinsam.
+Wir bezeichnen die Einträge der ersten Zeile der Matrix $Q_k$ mit
+$c_k$ und $d_k$.
+Es gilt dann
+\[
+Q_k
+=
+\begin{pmatrix}
+c_{k} &d_{k} \\
+c_{k+1}&d_{k+1}
+\end{pmatrix}
+=
+Q(q_k)
+\begin{pmatrix}
+c_{k-1}&d_{k-1}\\
+c_{k} &d_{k}
+\end{pmatrix}
+\]
+Daraus ergeben sich die Rekursionsformeln
+\begin{equation}
+\begin{aligned}
+c_{k+1}&=c_{k-1}-q_kc_k\\
+d_{k+1}&=d_{k-1}-q_kd_k.
+\end{aligned}
+\label{buch:endlichekoerper:eqn:cdrekursion}
+\end{equation}
+Die Auswertung des Matrizenproduktes von links nach rechts beginnt mit
+der Einheitsmatrix, es ist
+\[
+Q_0
+=
+Q(q_0) I
+=
+\begin{pmatrix}
+0&1\\
+1&-q_0
+\end{pmatrix}
+\begin{pmatrix}
+1&0\\0&1\end{pmatrix},
+\]
+woraus man ablesen kann, dass
+\begin{equation}
+Q_{-1}
+=
+\begin{pmatrix}
+c_{-1}&d_{-1}\\
+c_0&d_0
+\end{pmatrix}
+=
+\begin{pmatrix}
+1&0\\
+0&1
+\end{pmatrix}
+\label{buch:endlichekoerper:eqn:cdinitial}
+\end{equation}
+gesetzt werden muss.
+
+Mit diesen Notationen kann man den Algorithmus jetzt in der früher
+verwendeten Tabelle durchführen, die man um die zwei
+Spalten $c_k$ und $d_k$ hinzufügt und die Werte in dieser
+Spalte mit Hilfe der
+Rekursionsformeln~\eqref{buch:endlichekoerper:eqn:cdrekursion}
+aus den initialen Werten~\eqref{buch:endlichekoerper:eqn:cdinitial}
+berechnet.
+
+\begin{beispiel}
+Wir erweitern das Beispiel von Seite~\pageref{buch:endlichekoerper:beispiel1}
+zur Bestimmung des grössten gemeinsamen Teilers von $76415$ und $23205$
+zur Berechnung der Koeffizienten $c_k$ und $d_k$
+Wir schreiben die gefundenen Zahlen in eine Tabelle:
+\begin{center}
+\renewcommand{\arraystretch}{1.1}
+\begin{tabular}{|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}>{$}r<{$}|}
+\hline
+k& a_k& b_k& q_k& r_k& c_k& d_k\\
+\hline
+ & & & & & 1& 0\\
+0& 76415& 23205& 3& 6800& 0& 1\\
+1& 23205& 6800& 3& 2805& 1& -3\\
+2& 6800& 2805& 2& 1190& -3& 10\\
+3& 2805& 1190& 2& 425& 7& -23\\
+4& 1190& 425& 2& 340& -17& 56\\
+5& 425& 340& 1& 85& 41& -135\\
+6& 340& 85& 4& 0& -58& 191\\
+7& 85& 0& & & 273& -899\\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+Aus den letzten zwei Spalten der Tabelle kann man ablesen, dass
+\begin{align*}
+-58\cdot 76415 + 191\cdot 23205 &= 85\\
+273\cdot 76415 - 899\cdot 23205 &= 0,
+\end{align*}
+wie erwartet.
+Die gesuchten Zahlen $s$ und $t$ sind also $s=-58$ und $t=191$.
+\end{beispiel}
+
+Die Matrizen $Q_k$ kann man auch as der Tabelle ablesen, sie bestehen
+aus den vier Elementen in den Zeilen $k$ und $k+1$ in den
+Spalten $c_k$ und $d_k$.
+Auf jeder Zeile gilt $b_k = c_ka_0 + d_kb_0$, für $k>0$ ist dies
+$c_ka_0+d_kb_0=r_{k-1}$.
+
+Bis jetzt gingen wir immer davon aus, dass $a>b$ ist.
+Dies ist jedoch nicht nötig, wie die Durchführung des Algorithmus
+für das obige Beispiel mit vertauschten Werten von $a$ und $b$ zeigt.
+Wir bezeichnen die Elemente zur Unterscheidung von der ursprünglichen
+Durchführung mit einem Strich:
+\begin{center}
+\renewcommand{\arraystretch}{1.1}
+\begin{tabular}{|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}|>{$}r<{$}>{$}r<{$}|}
+\hline
+k& a_k'& b_k'& q_k'& r_k'& c_k'& d_k'\\
+\hline
+ & & & & & 1& 0\\
+0& 23205& 76415& 0& 23205& 0& 1\\
+1& 76415& 23205& 3& 6800& 1& 0\\
+2& 23205& 6800& 3& 2805& -3& 1\\
+3& 6800& 2805& 2& 1190& 10& -3\\
+4& 2805& 1190& 2& 425& -23& 7\\
+5& 1190& 425& 2& 340& 56& -17\\
+6& 425& 340& 1& 85& -135& 41\\
+7& 340& 85& 4& 0& 191& -58\\
+8& 85& 0& & & -899& 273\\
+\hline
+\end{tabular}
+\end{center}
+Da für $a<b$ der erste Quotient $q_0'=0$ ist, werden die ersten neuen
+Elemente $c_1'=1=d_0$ und $d_1'=0=c_0$ sein.
+Die nachfolgenden Quotienten sind genau die gleichen, also $q_k = q_{k+1}'$
+und damit werden auch
+\[
+c_{k}=d_{k+1}' \qquad\text{und}\qquad d_{k} = c_{k+1}'
+\]
+sein.
+Man findet also die gleichen Einträge in einer Tabelle, die eine Zeile
+mehr hat und in der die letzten zwei Spalten gegenüber der ursprünglichen
+Tabelle vertauscht wurden.
+
+%
+% Der euklidische Algorithmus für Polynome
+%
\subsection{Polynome}
Der Ring $\mathbb{Q}[X]$ der Polynome in der Variablen $X$ mit rationalen
Koeffizienten\footnote{Es kann auch ein beliebiger anderer Körper für