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信息安全数学基础复习笔记

时间:2023-11-29 18:47:35浏览次数:35  
标签:剩余 phi frac 复习 原根 信息安全 笔记 素数 除法

1. 整除、欧几里得除法的的定义

好像别的没啥好说的,就挑点自己记不太清的写上来.

1.1 Eratosthenes(厄拉托塞斯)筛法

该方法用于快速获得小于整数N的素数集合,工作原理如下:

  1. 对寻找小于整数N的素数,先求\(\sqrt{N}\)(没法取整就写成\(\sqrt{N}<[\sqrt{N}]+1\)的形式),获取小于\(\sqrt{N}\)的素数\(P_0,P_1,...P_n\)。
  2. 对一个1~N的数集,从中去除\(P_0,P_1,...P_n\)的倍数,剩下的就是小于N的素数。

例:

有N=81,\(\sqrt{81}=9\),所以P={2,3,5,7}.

有小于81的素数集为{2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47...}

反正就是去除2,3,5,7的倍数,剩下的就是素数了。

1.2 欧几里得除法

1.2.1 欧几里得除法

对整数a,b,有唯一的q和r,与a,b有如下关系:

\(a = q *b+r,0\leq r \lt b\).

当a = 255,b = 15,有\(q = [\frac{255}{15}]=17,r=a-b*q=0\).

可用于判断某数是否为素数,有定理对整数N,对素数集P有\(P\leqq \sqrt{N},P_n\nmid\sqrt{N}\),可判定N为素数。

例:

对N=17,\(\sqrt{17}\lt5\),有P={2,3,5}.

有\(17=2*8+1,17=3*5+2,17=5*3+2,\therefore2\nmid17,3\nmid17,5\nmid17.\)

所以N为素数。

1.2.2 欧几里得除法拓展

也叫辗转相除法,对a,b,有:
\(记r_{-2} = a,r_{-1}=b\)
\(r_{-2} = q_0*r_{-1}+r_0\)
\(r_{-1} = q_1*r_{0}+r_1\)
\(r_{0} = q_2*r_{1}+r_2\)
......
\(r_{,-1} = q_{n+1}*r_{n}+r_{n+1},\ r_{n+1}=0\)
有\((a,b) = r_{n}\)

1.2.3 贝祖等式

懒了,直接贴图
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2. 用广义欧几里得除法求给定整数的逆

这个过程使用到了广义欧几里得除法以及贝祖等式,首先,给定整数a,要求相对于模m的乘法逆元x,即求x使得有式子\(ax \equiv 1\ mod\ m\)成立。

计算过程如下:

  • 对给定的a,m,先计算(a,m),获得a与m的最大公因数,这个过程使用到了广义欧几里得除法。若a,m不互质,则x不存在。
  • 若(a,m) = 1,逆推广义欧几里得除法,获得贝祖等式,\(s*a+m*t = 1\)。
  • 对s做模m运算,获得结果即为所要求的乘法逆元x。

3. 简述剩余类、完全剩余系、简化剩余类、简化剩余系的定义与性质

3.1 剩余类

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3.2 完全剩余系

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3.3 简化剩余类与简化剩余系

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4. 基于欧拉定理、费马小定理的证明

4.1 欧拉定理

4.1.1 欧拉函数

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若数m为素数,有\(\Phi(m) = m-1\)
若有m,n互素,有\(\Phi(mn) = \phi(m)*\phi(n) = (m-1)*(n-1)\)

4.1.2 欧拉定理

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4.2 费马小定理

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4.3 Wilson定理

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5. 使用中国剩余定理计算给定同余式组的解

5.1 求解一次同余式

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5.2 中国剩余定理求解同余式组

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一个可能出的题:
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5.3 中国剩余定理求解二次同余式组

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分解为多项同余式时,可以用勒让德符号检验是否有解,若无,整个同余式组无解。

6. 判断是否平方剩余

6.1 平方剩余的定义

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例:
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6.2 判断方法:勒让德符号

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计算方法:
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对a为素数,ap互素和a为1时有更方便计算的规则,还有勒让德的推广雅可比符号,以及一个高斯引理,但是懒得记了,就这样吧

6.3 二次互反定律

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7. 计算模平方根

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没啥好说的,自己去悟吧(

8. 简述指数与原根的定义

8.1 指数和原根的定义

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8.2 原根的计算

\(a\lt m,从1开始逐个计算a^k \equiv 1\ (mod\ m),若k=\varPhi(m),则a就是m的原根,ord_m(a)=k\)

例:
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8.3 原根/指数的一些性质

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8.4 求模m原根

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计算方法如图所示,这里解释其中一些点:

  • \(\because\) 对于原根,有\(g^{\varPhi(m)}\equiv 1\ mod\ m\),且\(g^i\)应当没有重复。
  • \(验证 g^{26} 和 g^4 是基于 \phi(m) 的质因子的选择。在模 m = 53 的情况下,我们有 \phi(53) = 52。分解 52 为质因子的乘积,得到 2^2*13。\)
  • \(所以,验证 g^{26} 和 g^4 实际上是验证了 \frac{\phi(53)}{2} 和 \frac{\phi(53)}{13}。这是因为如果 g 是模 m 的原根,那么 g^{\frac{\phi(m)}{q_i}} 对所有的 \phi(m) 的质因子 q_i 都应该与 1 不同余。\)
  • \(验证其他的位,例如 g^2, g^8, g^{10}, g^{12}, ...,也是可以的,但选取的位数通常是根据具体的计算方便和验证是否充分来选择的。在很多情况下,选取了涵盖质因子的指数,可以更有效地验证是否为原根。\)

9. 将给定的实数写成简单连分数的形式

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例:

对\(\frac{-97}{73}\),有计算过程如下:

  • \(a_0=[x]=-2,x_0=x-a_0=\frac{49}{73}\)
  • \(a_1=[\frac{1}{x_0}]=1,x_1=\frac{1}{x_0}-a_1=\frac{24}{49}\)
  • \(a_2=[\frac{1}{x_1}]=2,x_2=\frac{1}{x_1}-a_2=\frac{1}{24}\)
  • \(a_3=[\frac{1}{x_2}]=24,x_3=\frac{1}{x_2}-a_3=0\)

所以\(\frac{-97}{73}\)的简单连分数为[-2,1,2,24]

标签:剩余,phi,frac,复习,原根,信息安全,笔记,素数,除法
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