密码学数学基础第十一讲 有限域
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有限域
i i =0 i =0 M M
定义
f (x).g (x)= ( a j bi -j )x i .
i =0 j =0
M
i
设f (x),g (x) F[x],有 0 (f (x)+g (x)) max ( 0 f (x), 0 g (x)) [什么时候<成立?] 0 (f (x).g (x))= 0 f (x)+ 0 g (x) 由此可推导出： F[x]中的元素对于所定义的加法和乘法不能成为域. 本章将利用域上的多项式，通过多项式求余和 有理分式的方法来构造域.
系理1 设F 是个域,而F0是F 的一个子域.那么F 的零元和单位元 一定都属于F0 ,而且分别就是F0的零元和单位元. 证：设0是F 的零元， 00是F0的零元. 因为00 F ，所以00 0=00 . 又因为00 F0 , 所以00 00 =00 . 由此， 00 0=00 00，所以0=00 . 同样的方法可以证明单位元. 系理2 设F 是个域,a F 而a a 0,那么a -1 0. 证：假定a -1 0, 那么e aa 1 a 0 0, 与域的定义不符.
有 限 域 (Finite Fields)
信息安全实验室
参考书目
• 《代数与编码》万哲先，科学出版社出 版，华中科技大学出版社影印。
• 《有限域》冯克勤，走向数学丛书，湖 南教育出版社。 • 《近世代数》熊全淹，武汉大学出版社。
一、域的基本性质
1.0 有限域的起源
•17世纪起，费尔马(Fermat,1601-1665)、欧拉(Euler,17071783),勒让德(Legendre,1752-1833)和高斯(Gauss,17771855)等大数学家研究数论得到了同余式的许多性质，实质上 也就研究了p元有限域的许多性质。 •第一个明确讨论任意有限域的是法国年青数学家伽罗华 (Galois,1811-1832),1828年《关于五次方程的代数解法问 题》，产生群的概念，1830年《关于数论》在p元有限域的基 础上，利用扩张方法构造了全部可能的有限域。所以有限域 通常也叫伽罗华域。
定义
f (x).g (x)= ( a j bi -j )x i .
i =0 j =0
M
i
设f (x),g (x) F[x],有 0 (f (x)+g (x)) max ( 0 f (x), 0 g (x)) [什么时候<成立?] 0 (f (x).g (x))= 0 f (x)+ 0 g (x) 由此可推导出： F[x]中的元素对于所定义的加法和乘法不能成为域. 本章将利用域上的多项式，通过多项式求余和 有理分式的方法来构造域.
系理1 设F 是个域,而F0是F 的一个子域.那么F 的零元和单位元 一定都属于F0 ,而且分别就是F0的零元和单位元. 证：设0是F 的零元， 00是F0的零元. 因为00 F ，所以00 0=00 . 又因为00 F0 , 所以00 00 =00 . 由此， 00 0=00 00，所以0=00 . 同样的方法可以证明单位元. 系理2 设F 是个域,a F 而a a 0,那么a -1 0. 证：假定a -1 0, 那么e aa 1 a 0 0, 与域的定义不符.
有 限 域 (Finite Fields)
信息安全实验室
参考书目
• 《代数与编码》万哲先，科学出版社出 版，华中科技大学出版社影印。
• 《有限域》冯克勤，走向数学丛书，湖 南教育出版社。 • 《近世代数》熊全淹，武汉大学出版社。
一、域的基本性质
1.0 有限域的起源
•17世纪起，费尔马(Fermat,1601-1665)、欧拉(Euler,17071783),勒让德(Legendre,1752-1833)和高斯(Gauss,17771855)等大数学家研究数论得到了同余式的许多性质，实质上 也就研究了p元有限域的许多性质。 •第一个明确讨论任意有限域的是法国年青数学家伽罗华 (Galois,1811-1832),1828年《关于五次方程的代数解法问 题》，产生群的概念，1830年《关于数论》在p元有限域的基 础上，利用扩张方法构造了全部可能的有限域。所以有限域 通常也叫伽罗华域。
密码学的数学基础
定理：若acbc mod m，d=gcd（c,m）， 则：ab mod m/d 因为 acbcmod m
所以 ac=km+bc 所以 c（a-b）=km 又因为 d=gcd（c,m） 所以 c=c1· d，m=c2· d，gcd（c1,c2）=1 所以 c1· d（a-b）=k· c1 · d 所以 c1（a-b）=k· c2 又因为 gcd（c1,c2）=1 所以 c1|k 所以k=h· c1 所以 a-b=k· h· c2 所以 ab mod c2 所以 ab mod （m/d）
按模指数运算：am mod n
将指数运算作为一系列乘法运算，每次做一次模运 算。 例：a8 mod n = ((a2 mod n)2 mod n)2 mod n 当m不是2的乘方时，将m表示成2的乘方和的形式。 例如：25=(11001)2，即25=24+23+20 a25 mod n = (a16 a8 a) mod n = ((((a2)2)2)2 ((a2)2)2 a) mod n = ((((a2 a)2)2)2 a) mod n 适当存储中间结果，则只需6次乘法： (((((((a2mod n) a)mod n)2mod n)2mod n)2mod n) a)mod n
3为6的因子，记为3|6，3除尽6
任意的a|b，a|c，称a为b，c的公因子
最大公因数：a与b的公因数中能被所有a，b 的公因数整除的正整数，记为gcd(a，b)。 互素（互质）：两个整数称为互素的，如果它 们除了1以外没有其他的公因数，即 gcd(a,b)=1。
定理：若a=b· q+r，则gcd（a,b）=gcd （b,r） 证明：d=（a,b），d’=（b,r） d| a – bq d | r，d为b,r的公因数； d|d’ d’=h· d d’|b· q+r d’|a，d’为a,b的公因数；d’|d d=k· d 所以 k· h=1 k=h=1；
密码学数学基础第十一讲有限域
x7 x6 1
④乘法逆元
由于m(x)是不可约的，故GF(28)中任一非零元素都与m(x) 互素，从而有乘法逆元(即模m(x)的逆)，这样GF(28)中非零元 素为除数的除法总是可以进行。
任何系数在二元域GF(2)中并且次数小于8的多项式b(x)， 利用欧几里德算法可以计算a(x)和c(x)使得
c(x)=a(x) b(x)=a(x) b (x)Mod M(x)
AES中选择 M(x)=x4 +1 ，则 c(x)=c3x3 +c2x2 +c1x+c0 的系数用矩阵相乘表示如下:
c0 a0 a3 a2 a1 b0
c1 c2 c3
域F的特征或是零，或是素数。
只含有限个元素的域称为有限域。 有限域的元素个数称为有限域的阶。 每个特征为零的域都是无限域。 有限域的特征一定是素数。 在特征是素数p的域F中，下列等式成立： (a＋b)p=ap＋bp， (a－b)p=ap－bp，a，bF。
二．有限域的结构
1．有限域的乘法群 有限域F中非零元组成的集合F*关于乘法做成
例2：求模14的原根。
解：3和11是模14的原根。
2. 域的同构
命题3 设F是一个域，若chF=0，则F含有一个与 有理数域同构的子域； 若chF=p，则F含有一个与 Z/（p）同构的子域。
3．有限域的结构
定理1：设F是一个特征为p的有限域，则F的元素 个数一定为p的一个幂pn，n≥1。
命题4：设Fq是一个含有q个元素的有限域，对任 意正整数n，Fq上的n次不可约多项式一定存在。
本讲内容
一．域的特征 二．有限域的结构 三．密码学上的简单应用
一．域的特征
④乘法逆元
由于m(x)是不可约的，故GF(28)中任一非零元素都与m(x) 互素，从而有乘法逆元(即模m(x)的逆)，这样GF(28)中非零元 素为除数的除法总是可以进行。
任何系数在二元域GF(2)中并且次数小于8的多项式b(x)， 利用欧几里德算法可以计算a(x)和c(x)使得
c(x)=a(x) b(x)=a(x) b (x)Mod M(x)
AES中选择 M(x)=x4 +1 ，则 c(x)=c3x3 +c2x2 +c1x+c0 的系数用矩阵相乘表示如下:
c0 a0 a3 a2 a1 b0
c1 c2 c3
域F的特征或是零，或是素数。
只含有限个元素的域称为有限域。 有限域的元素个数称为有限域的阶。 每个特征为零的域都是无限域。 有限域的特征一定是素数。 在特征是素数p的域F中，下列等式成立： (a＋b)p=ap＋bp， (a－b)p=ap－bp，a，bF。
二．有限域的结构
1．有限域的乘法群 有限域F中非零元组成的集合F*关于乘法做成
例2：求模14的原根。
解：3和11是模14的原根。
2. 域的同构
命题3 设F是一个域，若chF=0，则F含有一个与 有理数域同构的子域； 若chF=p，则F含有一个与 Z/（p）同构的子域。
3．有限域的结构
定理1：设F是一个特征为p的有限域，则F的元素 个数一定为p的一个幂pn，n≥1。
命题4：设Fq是一个含有q个元素的有限域，对任 意正整数n，Fq上的n次不可约多项式一定存在。
本讲内容
一．域的特征 二．有限域的结构 三．密码学上的简单应用
一．域的特征
现代密码学理论与实践-有限域
– (A3) 单位元Identity element: G中存在一个元素e， 对于G中任意元素a，都有a•e=e•a=a成立
– (A4) 逆元Inverse element: 对于G中任意元素a, G中 都存在一个元素a’，使得a•a’=a’•a=e成立
2019/9/6
3/51
群、有限群和无限群
• 用Nn表示n个不同符号的集合，{1,2,…,n}. n个不同符号的一 个置换是一个Nn到Nn的一一映射。定义Sn为n个不同符号的所有 置换组成的集合。Sn中的每一个元素都代表集合{1,2,…,n}的 一个置换，容易验证Sn是一个群：
②对称性：若a=b mod n，则b=a mod n ③传递性: 若a=b mod n 且b=c mod n，则a=c mod n ④如果 a=b mod n且 c=d mod n，则
a+c=(b+d) mod n a-c=(b-d) mod n a•c=(b•d) mod n
⑤ (a+b) mod n = (a mod n + b mod n) mod n (a-b) mod n = (a mod n - b mod n) mod n (a•b) mod n = (a mod n • b mod n) mod n
现代密码学理论与实践
有限域
本章要点
• 域是一些元素的集合，其上定义了两个算术运算(加 法和乘法)，具有常规算术性质，如封闭性、结合律、 交换律、分配律、加法逆和乘法逆等。
• 模算术是一种整数算术，它将所有整数约减为一个固
定的集合[0,1,…,n-1]，n为某个整数。任何这个集 合外的整数通过除以n取余的方式约减到这个范围内。
模n。对于任意整数a，我们总可写出： a =⌊a/n」x n + (a mod n)
– (A4) 逆元Inverse element: 对于G中任意元素a, G中 都存在一个元素a’，使得a•a’=a’•a=e成立
2019/9/6
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群、有限群和无限群
• 用Nn表示n个不同符号的集合，{1,2,…,n}. n个不同符号的一 个置换是一个Nn到Nn的一一映射。定义Sn为n个不同符号的所有 置换组成的集合。Sn中的每一个元素都代表集合{1,2,…,n}的 一个置换，容易验证Sn是一个群：
②对称性：若a=b mod n，则b=a mod n ③传递性: 若a=b mod n 且b=c mod n，则a=c mod n ④如果 a=b mod n且 c=d mod n，则
a+c=(b+d) mod n a-c=(b-d) mod n a•c=(b•d) mod n
⑤ (a+b) mod n = (a mod n + b mod n) mod n (a-b) mod n = (a mod n - b mod n) mod n (a•b) mod n = (a mod n • b mod n) mod n
现代密码学理论与实践
有限域
本章要点
• 域是一些元素的集合，其上定义了两个算术运算(加 法和乘法)，具有常规算术性质，如封闭性、结合律、 交换律、分配律、加法逆和乘法逆等。
• 模算术是一种整数算术，它将所有整数约减为一个固
定的集合[0,1,…,n-1]，n为某个整数。任何这个集 合外的整数通过除以n取余的方式约减到这个范围内。
模n。对于任意整数a，我们总可写出： a =⌊a/n」x n + (a mod n)
有限域介绍
a+e=e+a=aa+e=e+a=a 那么这个半群被称为幺半群，元素 e 被称为单位元或者幺元。
例子：(R, +)中，实数 0 符合这一要求，所以(R, +)是幺半群，0 是它的单位元。
群
如果一个幺半群(S, +)中的每一个元素 a 都有唯一一个元素 b 与之对应且满 足以下性质：
a+b=b+a=e，其中 e 是单位元 a+b=b+a=e，其中 e 是单位元
例子：(R, ⋅)中，除了实数 0（(R, +)的单位元）以外所有数都有倒数，一个数和 他的倒数之积为 1（单位元），也就是一个实数的倒数就是它的乘法逆元。所以 (R, +, ⋅)是一个除环。但是如果把其中的实数集改为整数集，就不满足这个性质 了，因为大于 1 的整数倒数不在整数集中，因此没有乘法逆元。
抽象代数基础
抽象代数，其实就是对我们日常使用的代数运算进行了抽象，将其泛化到更一般 的领域。我们学习加法和乘法，里面有说它们满足结合律、交换律、分配律。这 么多年我们一直把这些性质当成自然而然的东西，但是在抽象代数中，定义某些 运算时，他们未必就像在普通加法乘法里那么显然。
集合
这是高中数学就有的内容。集合具有三个性质：
1. 无序性。集合中的元素是无序的。 2. 唯一性。集合中每个元素都是唯一、不重复的。 3. 确定性。给定一个元素和一个集合，这个元素要么属于这个集合，要么不属于这个集
合，不存在其它情况。
比较常见的集合有：整数集（ZZ）、有理数集（QQ）、实数集（RR）等。
半群
在一个集合 S 中定义了某种运算（记作加法“+”，但这个加法指代广泛意义 上的运算，并不是指日常使用的加法），那么在这个集合上，如果这种运算满足 以下性质，那么他和集合 S 共同组成一个半群，记作(S, +)：
例子：(R, +)中，实数 0 符合这一要求，所以(R, +)是幺半群，0 是它的单位元。
群
如果一个幺半群(S, +)中的每一个元素 a 都有唯一一个元素 b 与之对应且满 足以下性质：
a+b=b+a=e，其中 e 是单位元 a+b=b+a=e，其中 e 是单位元
例子：(R, ⋅)中，除了实数 0（(R, +)的单位元）以外所有数都有倒数，一个数和 他的倒数之积为 1（单位元），也就是一个实数的倒数就是它的乘法逆元。所以 (R, +, ⋅)是一个除环。但是如果把其中的实数集改为整数集，就不满足这个性质 了，因为大于 1 的整数倒数不在整数集中，因此没有乘法逆元。
抽象代数基础
抽象代数，其实就是对我们日常使用的代数运算进行了抽象，将其泛化到更一般 的领域。我们学习加法和乘法，里面有说它们满足结合律、交换律、分配律。这 么多年我们一直把这些性质当成自然而然的东西，但是在抽象代数中，定义某些 运算时，他们未必就像在普通加法乘法里那么显然。
集合
这是高中数学就有的内容。集合具有三个性质：
1. 无序性。集合中的元素是无序的。 2. 唯一性。集合中每个元素都是唯一、不重复的。 3. 确定性。给定一个元素和一个集合，这个元素要么属于这个集合，要么不属于这个集
合，不存在其它情况。
比较常见的集合有：整数集（ZZ）、有理数集（QQ）、实数集（RR）等。
半群
在一个集合 S 中定义了某种运算（记作加法“+”，但这个加法指代广泛意义 上的运算，并不是指日常使用的加法），那么在这个集合上，如果这种运算满足 以下性质，那么他和集合 S 共同组成一个半群，记作(S, +)：
密码学的数学基础
素数
如何判断一个数是否为素数？
本章授课提纲
（1）整除
（2）素数
（3）最大公约数 （4）欧几里德算法
最大公约数
最大公约数的定义 a和b的最大公约数（Greatest Common Divisor ） 是能够同时整除a和b的最大正整数，记为gcd(a,b) 或者(a,b)。 例如：gcd(6,4)=2，gcd(5,7)=1，gcd(24,60)=12 互素的定义 如果gcd(a,b)=1，就称a和b互素
证明：记a-b=nk，b-c=nl，那么两式相减得ac=n(k-l)，所以a≡c(mod n)。
模运算和同余
模运算和同余的性质 性质五：如果m|(a-b)，则a≡b(mod m) 证明：由已知条件可得a-b=km，k为某一整数； 进而可得a=b+km，故a(mod m)=(b+km)除以m的余 数=b除以m的余数=b(mod m)，由同余的第二个定 义可以得证。
[11(mod 8)-15(mod 8)](mod 8)=(3-7)(mod 8)=4
=(11-15)(mod 8)=-4(mod 8)=4
模运算和同余
模运算的乘法的结合律 [a(mod n)〓b(mod n)](mod n)=(a〓b)(mod n) 举例： [11(mod 8)〓15(mod 8)](mod 8)=(3〓7)(mod 8)=21(mod 8)=5 =(11〓15)(mod 8)=165(mod 8)=5
欧几里德算法
欧几里德算法的精确描述 两个整数用a,b表示，商用q表示，余数用r表示 Step1 取a,b较大者为a，较小者为b Step2 做除法，计算并保留余数r=mod(a,b) Step3 将原来的除数改做被除数，余数作为除数 a=b,b=r 重复Step1和Step2直到r=0，返回b
有限域基础选讲
有限域的深入研究有助于推动数学和其他学科的发 展。
有限域的基本概念
01 有限域是一种特殊的代数结构，由有限个元素组 成，且满足一定的代数运算规则。
02 有限域中的元素个数是有限的，且每个元素都有 逆元，满足交换律、结合律和分配律。
03 有限域可以是有理数域的子域，也可以是其他数 域的子域，其元素个数是素数幂。
有限域的应用软件
密码学软件
密码学软件中常常用到有限域的计算，例如RSA算法、DiffieHellman密钥交换等。
编码理论软件
编码理论软件中常常用到有限域的计算，例如Goppa码、ReedSolomon码等。
计算机图形学软件
计算机图形学软件中常常用到有限域的计算，例如离散傅里叶变换、 离散余弦变换等。
有限域上的离散对数问题
离散对数问题的定义
离散对数问题是指给定两个元素 (a) 和 (b) 在有限域 (F) 中， 求 (x) 使得 (a^x = b) （mod (n)) 的问题。
求解离散对数问题的方法
求解离散对数问题的方法有多种，如指数演算法、 Pollard's rho算法、Shanks's baby-step/giant-step方法
02
有限域的代数性质
子域和商域
子域
如果一个域的元素个数小于原有限域的元素个数，那么这个域就是原有限域的 一个子域。例如，在整数模n的剩余类环中，模n的剩余类环是原有限域的一个 子域。
商域
如果一个域的元素个数等于原有限域的元素个数，那么这个域就是原有限域的 一个商域。例如，在整数模n的剩余类环中，模n的剩余类环是原有限域的一个 商域。
THANKS
感谢观看
03
有限域的应用
编码理论
有限域的基本概念
01 有限域是一种特殊的代数结构，由有限个元素组 成，且满足一定的代数运算规则。
02 有限域中的元素个数是有限的，且每个元素都有 逆元，满足交换律、结合律和分配律。
03 有限域可以是有理数域的子域，也可以是其他数 域的子域，其元素个数是素数幂。
有限域的应用软件
密码学软件
密码学软件中常常用到有限域的计算，例如RSA算法、DiffieHellman密钥交换等。
编码理论软件
编码理论软件中常常用到有限域的计算，例如Goppa码、ReedSolomon码等。
计算机图形学软件
计算机图形学软件中常常用到有限域的计算，例如离散傅里叶变换、 离散余弦变换等。
有限域上的离散对数问题
离散对数问题的定义
离散对数问题是指给定两个元素 (a) 和 (b) 在有限域 (F) 中， 求 (x) 使得 (a^x = b) （mod (n)) 的问题。
求解离散对数问题的方法
求解离散对数问题的方法有多种，如指数演算法、 Pollard's rho算法、Shanks's baby-step/giant-step方法
02
有限域的代数性质
子域和商域
子域
如果一个域的元素个数小于原有限域的元素个数，那么这个域就是原有限域的 一个子域。例如，在整数模n的剩余类环中，模n的剩余类环是原有限域的一个 子域。
商域
如果一个域的元素个数等于原有限域的元素个数，那么这个域就是原有限域的 一个商域。例如，在整数模n的剩余类环中，模n的剩余类环是原有限域的一个 商域。
THANKS
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03
有限域的应用
编码理论
有限域的加法表和乘法表_解释说明以及概述
有限域的加法表和乘法表解释说明以及概述1. 引言1.1 概述在数学中，有限域是一种特殊的代数结构，具有有限个元素的特点。
有限域的加法表和乘法表是描述该结构中两种基本运算的工具，加法和乘法表格中显示了每个元素之间进行相应运算所得到的结果。
有限域是密码学和编码理论等领域中非常重要的概念。
1.2 文章结构本文将首先概述有限域以及其在数学和应用领域中的重要性。
接着详细介绍了有限域的加法表和乘法表，包括它们的定义、性质以及如何构建这些表格。
然后，我们将探讨这两种表格在实际应用中的一些例子和作用。
最后，我们将对加法表和乘法表进行解释说明，包括一些常见符号的解释、操作过程详细说明以及相关原理背后的解释。
1.3 目的本文旨在深入研究有限域以及其中加法和乘法运算，并通过对加法表和乘法表进行探讨来帮助读者更好地理解这一概念。
通过对不同方面和应用领域中实例的讨论，读者将能够理解有限域的加法表和乘法表在密码学、编码理论等领域中的重要性。
这篇文章还将提供一些具体的例子和背后的原理解释，以帮助读者更好地掌握相关概念。
2. 有限域的加法表2.1 定义和性质有限域，也称为伽罗瓦域，是一个包含有限个元素的数学结构。
有限域的加法和乘法运算都遵循一定的性质。
设F是一个有限域，其中包含p个元素，在加法运算下，F中的任意两个元素相加的结果仍属于F。
换句话说，对于F中任意的a和b，a + b = c，其中c也是F中的一个元素。
此外，在加法运算下，F中存在一个特殊元素0，对于任意a∈F, a + 0 = a。
每个元素a在加法运算下都有唯一相反数-b∈F，使得a + (-b) = 0。
2.2 构建加法表为了更好地理解和使用有限域中的加法运算，可以通过构建加法表来展示其中每个元素之间的相互关系。
假设我们考虑一个具有p个元素的有限域F={0, 1, 2, ..., p-1}。
我们可以使用一个p×p的方格来表示这个加法表。
方格中第i行j列位置上填写的数字代表着i+j (mod p) 的结果值。
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＋ 0 1 x x＋1 ＋ · 0 1 x x＋1 ＋
0 0 1 x x＋1 ＋ 0 0 0 0 0
1 1 0 x＋1 ＋ x 1 0 1 x x＋1 ＋
x x x＋1 ＋ 0 1 x 0 x x＋1 ＋ 1
x＋1 ＋ x＋1 ＋ x 1 0 x＋1 ＋ 0 x＋1 ＋ 1 x
5．有限域的表示 ]/(f( ))简记为GF(p 将GF(pn)[ ]=Zp[x]/( (x))简记为GF( n)。 GF( )[x]=Z ]/( ))简记为GF( 为素数， = GF(q) GF(q) 设p为素数，q=pn，GF( )*是GF( )中非零元的 为素数 集合， GF(q) 集合，则（GF( )*，·）是q－1阶循环群。 ） － 阶循环群。 GF(q)的本原元， GF(q) 的生成元， 设β是GF( )的本原元，即β是GF( )*的生成元， － =1}。 GF(q) ={β 则GF( )*={β，β2，…，βq－2，βq－1=1}。 ， － GF(q)={0， GF( )={0，1，β，β2，…，βq－2}。 )={0 ， －
对于有限域GF(28) ，选定不可约多项式 选定不可约多项式m(x)=x8+x4+x3+x+1 对于有限域 就可以进行以下运算。 ，就可以进行以下运算。 ①加法：就是字节的异或运算。 加法：就是字节的异或运算。 两个多项式相加，结果是一个多项式， 两个多项式相加，结果是一个多项式，其系数是两个元素 中对应系数的模2 中对应系数的模2加。 多项式的形式： 多项式的形式：
求有限域F 的所有本原元。 例1：求有限域F5=Z5的所有本原元。 解：2和3是F5的本原元。 的本原元。 例2：求模14的原根。 求模14的原根。 14的原根 是模14的原根 解：3和11是模 的原根。 和 是模 的原根。 2. 域的同构 命题3 是一个域， chF=0， 命题3 设F是一个域，若chF=0，则F含有一个 与有理数域同构的子域； chF=p， 与有理数域同构的子域； 若chF=p，则F含有一个 Z/（ 同构的子域。 与Z/（p）同构的子域。
三．密码学上的简单应用
1 GF 2n)与 2n的 法 较 ． ( Z 乘 比
次不可约多项式， 设f(x)是域Z2上一个 次不可约多项式， ( )是域Z 上一个n次不可约多项式 )[x]=Z ]/( )) ]/(f( 则GF(2n)[ ]=Z2[x]/( (x)) ={a ＋ ＋ － － ={ 0＋a1x＋…＋an－1xn－1|ai∈Z2}。 )=x 例5：设f(x)= 3＋x＋1为一个3次不可约多项 ( )= ＋ 为一个3 )[x]={0 ]={0， 式，则GF(23)[ ]={0，1，x，x＋1，x2，x2＋1， ， ＋ x2＋x，x2＋x＋1}。 ， ＋1}。 的一个本原元， 若x为GF(23)的一个本原元，则 为 )[x]={0 ]={0， GF(23)[ ]={0，1，x，x2，x3，x4，x5，x6}。 ，
非零元素
在Z8中的出现次数
在GF(23)中的出现次数
1 4 7
2 8 7
3 4 7
4 12 7ຫໍສະໝຸດ 5 4 76 8 7
7 4 7
非零元素2 无乘法逆元。 在Z8中，非零元素2，4和6无乘法逆元。 所有非零元素都有乘法逆元。 在GF(23)中，所有非零元素都有乘法逆元。
有限域GF(2 AES中的应用 2．有限域GF(28)在AES中的应用 高级加密标准（AES）使用的有限域GF(2 )[x]= 高级加密标准（AES）使用的有限域GF(28)[ ]= ]/(m( )) 其中m( )= ))， )=x Z2[x]/( (x))，其中 (x)= 8＋x4＋x3＋x＋1为不 ]/( ＋ 可约多项式。 可约多项式。 在AES中，把每个字节（8比特）看成是有限域 AES中 把每个字节（ 比特） 中的元素。 GF(28)中的元素。 字节b 对应的多项式为： 字节 7b6b5b4b3b2b1b0对应的多项式为： b7x7＋b6x6＋b5x5＋b4x4＋b3x3＋b2x2＋b1x＋b0. ＋
· 1 2 3 4 5 6 7 1 1 2 3 4 5 6 7 2 2 4 6 3 1 7 5 3 3 6 5 7 4 1 2 4 4 3 7 6 2 5 1 5 5 1 4 2 7 3 6 6 6 7 1 5 3 2 4 7 7 5 2 1 6 4 3
={0， Z8={0，1，2，…，7}乘法表 ，7}乘法表 · 1 2 3 4 5 6 7 1 1 2 3 4 5 6 7 2 2 4 6 0 2 4 6 3 3 6 1 4 7 2 5 4 4 0 4 0 4 0 4 5 5 2 7 4 1 6 3 6 6 4 2 0 6 4 2 7 7 6 5 4 3 2 1
已知x 上的不可约多项式， 例4：已知 2＋1是Z3上的不可约多项式，利用 该不可约多项式构造一个9阶有限域GF(3 )[x] 该不可约多项式构造一个9阶有限域GF(32)[ ]， 写出GF(3 )[x] 个元素，并判断1 写出GF(32)[ ]的9个元素，并判断1＋x是否为 是否为 的本原元。 GF(32)的本原元。 )[x]=Z ]/( ]/(x 解：GF(32)[ ]=Z3[x]/( 2＋1) ={a }={0， ={ 0＋a1x|a0，a1∈Z3}={0，1，2，x，1＋x， | ， ， 2＋x，2x，1＋2x，2＋2x}。 ， ， ， } 的本原元。 1＋x是GF(32)的本原元。 是 练习：找出其它所有本原元。 练习：找出其它所有本原元。
GF(p )[x] ]/(f( ))， 记GF( n)[ ] = Zp[x]/( (x))， ]/( )) ]={a 则GF(pn)[ ]={ 0＋a1x＋…＋an－1xn－1|ai∈Zp}， GF( )[x]={ ＋ ＋ － － 其系数的加法和乘法遵从模p的加法和乘法， 其系数的加法和乘法遵从模 的加法和乘法， 的加法和乘法 多项式的加法和乘法遵从模f( )的加法和乘法。 多项式的加法和乘法遵从模 (x)的加法和乘法。 例3：把a0＋a1x＋(x2＋x＋1)简记为 0＋a1x， ＋ ＋1)简记为a ， 简记为 ]/(x ]/( ＋1)的加法和乘法的运算表简化 则Z2[x]/( 2＋x＋1)的加法和乘法的运算表简化 如下： 如下：
3．有限域的结构 定理1 是一个特征为p的有限域 的有限域， 定理1：设F是一个特征为 的有限域，则F的元 素个数一定为p的一个幂 的一个幂p ≥1。 素个数一定为 的一个幂 n，n≥1。 ≥1 命题4 是一个含有q个元素的有限域 个元素的有限域， 命题4：设Fq是一个含有 个元素的有限域，对 任意正整数n， 上的n次不可约多项式一定存在 次不可约多项式一定存在。 任意正整数 ，Fq上的 次不可约多项式一定存在。 定理2 对任意素数p和任意正整数 和任意正整数n， 定理2：对任意素数 和任意正整数 ，一定存在 一个含有p 个元素的有限域。 一个含有 n个元素的有限域。
只含有限个元素的域称为有限域。 只含有限个元素的域称为有限域。 有限域的元素个数称为有限域的阶。 有限域的元素个数称为有限域的阶。 每个特征为零的域都是无限域。 每个特征为零的域都是无限域。 有限域的特征一定是素数。 有限域的特征一定是素数。 在特征是素数p的域F 下列等式成立： 在特征是素数 的域F中，下列等式成立： 的域 (a＋b)p=ap＋bp， ＋ ) (a－b)p=ap－bp，∀a，b∈F。 － ) ， ∈
是任意给定的一个素数， 是任一正整数 是任一正整数， 设p是任意给定的一个素数，n是任一正整数， 是任意给定的一个素数 次不可约多项式。 设f(x)是域Zp上一个 次不可约多项式。 ( )是域Z 上一个n次不可约多项式 GF(p ]/(f( ))的两种表示方法 GF( n)=Zp[x]/( (x))的两种表示方法： ]/( ))的两种表示方法： GF(p )={a =0， （1）GF( n)={ 0＋a1x＋…＋an－1xn－1|ai∈Zp，i=0， ＋ ＋ － － =0 1，…，n－1}。 ， －1}。 GF(q)的一个本原元， （2）设q=pn，β是GF( )的一个本原元，则 = GF(q)={0 )={0， GF( )={0，1，β，β2，…，βq－2}。 ， －
若记0=000=0，1=001=1， =010=2 =010=2， ＋ 若记0=000=0，1=001=1，x=010=2，x＋ 0=000=0 1=011=3， =100=4， 1=101=5， 1=011=3，x2=100=4，x2＋1=101=5，x2＋ x=110=6，x2＋x＋1=111=7； =110=6， =110=6 ＋1=111=7； )[x]= ]/(x 乘法表如下： 则GF(23)[ ]= Z2[x]/( 3＋x＋1)乘法表如下： ]/( ＋1)乘法表如下
4．利用不可约多项式构造有限域
是任意给定的一个素数， 是任一正整数 是任一正整数。 ( )是域Z 设p是任意给定的一个素数，n是任一正整数。令f(x)是域Zp 是任意给定的一个素数 上一个n次不可约多项式， ]/(f( ))是域 上一个 次不可约多项式，则Zp[x]/( (x))是域， 次不可约多项式 ]/( ))是域， ]/(f( ))={a ))|a Zp[x]/( (x))={ 0＋a1x＋…＋an－1xn－1＋(f(x))| i∈Zp}。 ]/( ))={ ＋ ＋ － － ( ))| ]/(f( ))共包含 域Zp[x]/( (x))共包含 n个元素。 ]/( ))共包含p 个元素。 ))简记为 把a0＋a1x＋…＋an－1xn－1＋(f(x))简记为： ＋ ＋ － － ( ))简记为： a0＋a1x＋…＋an－1xn－1。 ＋ ＋ － －
第11讲 有限域 讲
教师：李艳俊
本讲内容
一．域的特征 二．有限域的结构 三．密码学上的简单应用
一．域的特征
若R是无零因子环，则其加群中所有非零元的 是无零因子环， 阶相同，或是无限，或是一个素数。 阶相同，或是无限，或是一个素数。 是无零因子环，当其加群 加群中所有非零元的 设R是无零因子环，当其加群中所有非零元的 阶无限时，chR=0；当此阶为素数p时 chR=p。 阶无限时，chR=0；当此阶为素数 时，chR= 。 定义1 是域， 的单位元， (F，＋ ，＋) 定义1：设F是域，1是F的单位元，若1在(F，＋) 的阶数为无穷大，则称F的特征为0 (F，＋ ，＋) 的阶数为无穷大，则称F的特征为0；若1在(F，＋) 的阶数为素数p，则称F的特征为p。 的阶数为素数 ，则称F的特征为 。 域F的特征或是零，或是素数。 的特征或是零，或是素数。