Okruh Lineární rovnice v Z m Těleso Gaussova eliminace (GEM) Okruh Z m. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 1/20

Podobné dokumenty
0.1 Úvod do lineární algebry

Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

21ˆx 0 mod 112, 21x p 35 mod 112. x p mod 16. x 3 mod 17. α 1 mod 13 α 0 mod 17. β 0 mod 13 β 1 mod 17.

0.1 Úvod do lineární algebry

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Soustavy lineárních rovnic

Základy matematiky pro FEK

Hlubší věty o počítání modulo

Základy matematiky pro FEK

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Lineární algebra nad obecným Z m, lineární kódy

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

[1] x (y z) = (x y) z... (asociativní zákon), x y = y x... (komutativní zákon).

označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,

Matematika B101MA1, B101MA2

Polynomy nad Z p Konstrukce faktorových okruhů modulo polynom. Alena Gollová, TIK Počítání modulo polynom 1/30

Základy elementární teorie čísel

Vektorový prostor. Př.1. R 2 ; R 3 ; R n Dvě operace v R n : u + v = (u 1 + v 1,...u n + v n ), V (E 3 )...množina vektorů v E 3,

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava luk76/la1

grupa těleso podgrupa konečné těleso polynomy komutativní generovaná prvkem, cyklická, řád prvku charakteristika tělesa

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

Úvod do lineární algebry

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

Jednoduché specifikace

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Dosud jsme se zabývali pouze soustavami lineárních rovnic s reálnými koeficienty.

1 Řešení soustav lineárních rovnic

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Vektory a matice. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Lineární algebra. Soustavy lineárních rovnic

Soustavy linea rnı ch rovnic

4 Počítání modulo polynom

Hlubší věty o počítání modulo

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

Operace s maticemi

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

7. Lineární vektorové prostory

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Úvod do lineární algebry

8 Matice a determinanty

Věta o dělení polynomů se zbytkem

Základy elementární teorie čísel

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Operace s maticemi. 19. února 2018

1 Vektorové prostory.

Úvodní informace Soustavy lineárních rovnic. 12. února 2018

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Determinant matice řádu 5 budeme počítat opakovaným použitím rozvoje determinantu podle vybraného řádku nebo sloupce. Aby byl náš výpočet

ftp://math.feld.cvut.cz/pub/olsak/linal/

z textu Lineární algebra

Principy indukce a rekurentní rovnice

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA VEKTORY, MATICE

A0M15EZS Elektrické zdroje a soustavy ZS 2011/2012 cvičení 1. Jednotková matice na hlavní diagonále jsou jedničky, všude jinde nuly

V: Pro nulový prvek o lineárního prostoru L platí vlastnosti:

Množinu všech matic typu m n nad tělesem T budeme označovat M m n (T ), množinu všech čtvercových matic stupně n nad T pak M n (T ).

Báze a dimense. Odpřednesenou látku naleznete v kapitolách a 3.6 skript Abstraktní a konkrétní lineární algebra.

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

Základy algebraických specifikací

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Matematika. Kamila Hasilová. Matematika 1/34

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Řešení. Hledaná dimenze je (podle definice) rovna hodnosti matice. a a 2 2 1

Základy matematiky pro FEK

VEKTOROVÝ PROSTOR. Vektorový prostor V n je množina všech n-složkových vektorů spolu s operacemi sčítání, odčítání vektorů a reálný násobek vektoru.

Subexponenciální algoritmus pro diskrétní logaritmus

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

Lineární algebra Kapitola 1 - Základní matematické pojmy

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Odpřednesenou látku naleznete v kapitole 3.3 skript Diskrétní matematika.

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

Nechť M je množina. Zobrazení z M M do M se nazývá (binární) operace

Vektorový prostor. d) Ke každému prvku u V n existuje tzv. opačný prvek u, pro který platí, že u + u = o (vektor u nazýváme opačný vektor k vektoru u)

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

Střípky z LA Letem světem algebry

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Relace a kongruence modulo

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

Transformace souřadnic

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

Číselné vektory, matice, determinanty

1 Soustavy lineárních rovnic

2. Lineární algebra 2A. Matice a maticové operace. 2. Lineární algebra

Algoritmus pro hledání vlastních čísel kvaternionových matic

Transkript:

Okruh Z m Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 1/20

Minule: 1 Slepování prvků Z modulo m: množina Z m. 2 Operace na Z m : m (sčítání), m (násobení). 3 Speciální prvky: [0] m a [1] m. 4 Vlastnosti Z m, m, m, [0] m, [1] m? Velmi podobné Z, +,, 0, 1! Jde o komutativní okruh s jednotkou. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 2/20

Definice Ať K je neprázdná množina, na ní dvě binární operace + : K K K (čteme: sčítání) a : K K K (čteme: násobení). Uspořádaná trojice K, +, je okruh, pokud platí: 1 Operace + je komutativní, asociativní, má neutrální prvek 0 (čteme: nula) a existují inversní prvky vzhledem k +. 2 Operace je asociativní. 3 Operace je distributivní vzhledem k operaci +. Okruh K, +, je komutativní, pokud i operace je komutativní. Okruh K, +, je okruh s jednotkou, pokud i operace má neutrální prvek 1 (čteme: jednička, jednotka). Značíme: K, +,, 0, 1. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 3/20

Příklady okruhů 1 Celá čísla: Z, +,, 0, 1. Komutativní okruh s jednotkou. 2 Celá čísla modulo m: Z m, +,, 0, 1. Komutativní okruh s jednotkou. 3 Reálné matice Mat n n (R), n 2: okruh s jednotkou, není komutativní. 4 Reálná čísla: R, +,, 0, 1. Komutativní okruh s jednotkou. Navíc: pro každé x 0 existuje inverse vzhledem k násobení. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 4/20

Příklad Vyřešte 6x = 12 v R. 6x = 12 (6 má inversi a násobení je operace) 6 1 (6x) = 6 1 12 (násobení je asociativní) (6 1 6) x = 6 1 12 (6 1 6 = 1) 1 x = 6 1 12 (1 je neutrální k násobení) x = 6 1 12 Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 5/20

Příklad Vyřešte 6x = 12 v Z 13. Uhodneme: 6 1 = 11 v Z 13, protože 6 11 = 66 = 5 13 + 1 = 1 v Z 13. Pak počítáme stejně: 6x = 12 (6 má inversi a násobení je operace) 6 1 (6x) = 6 1 12 (násobení je asociativní) (6 1 6) x = 6 1 12 (6 1 6 = 1) 1 x = 6 1 12 (1 je neutrální k násobení) x = 6 1 12 (= 11 12 = 132 = 10 13 + 2 = 2) Vada na kráse: hádali jsme inversi. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 6/20

Příklad Vyřešte: 6x = 12 v Z 15. Číslo 6 nemá v Z 15 inversi. (Vyzkoušením všech kandidátů.) Daná rovnice má přesně tři různá řešení: x 1 = 2, x 2 = 7 a x 3 = 12. (Vyzkoušením všech kandidátů.) Vada na kráse: hrubá síla. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 7/20

Věta o řešitelnosti lineárních rovnic v Z m Ať a a m jsou přirozená čísla, m 2. Ať gcd(a, m) = d > 0. Potom lineární rovnice ax = b v Z m má řešení právě tehdy, když d b. Navíc, jestliže d b, má tato rovnice v Z m právě d různých řešení. Důsledek: existence inversí Rovnice ax = 1 má v Z m řešení právě tehdy, když gcd(a, m) = 1. Toto řešení je jednoznačné. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 8/20

Příklad Nalezněte (pokud existuje) inversi k 6 v Z 13. Postup: 1 gcd(13, 6) = 1, takže inverse existuje. 2 Bezoutova rovnost: gcd(13, 6) = 1 = 1 13 + ( 2) 6 v Z. 3 Bezoutova rovnost, přečtená v Z 13 : 1 = ( 2) 6 v Z 13. 4 Inverse 6 v Z 13 : 6 1 = ( 2) = 11 v Z 13. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 9/20

Příklad Vyřešte: 6x = 12 v Z 15. Číslo 6 nemá v Z 15 inversi, protože gcd(15, 6) = 3 1. Protože 3 12, má daná rovnice řešení. Řešení jsou přesně tři. Jejich nalezení: 1 6x = 12 v Z 15 iff 6x + 15k = 12 v Z pro nějaké k iff 2x + 5k = 4 v Z pro nějaké k iff 2x = 4 v Z 5. 2 gcd(5, 2) = 1, tudíž x = 2 v Z 5. 3 x 1 = 2, x 2 = 2 + 1 5 = 7, x 3 = 2 + 2 5 = 12 v Z 15. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 10/20

Definice Komutativní okruh s jednotkou K, +,, 0, 1 je těleso, když platí: x 0 iff existuje x 1. Důsledek Z m je těleso právě když m je prvočíslo. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 11/20

Slogan (reklamní heslo, nikoli matematická věta): 1 V obecném Z m si můžu dovolit pouze to, co si můžu dovolit v Z. Jde totiž o komutativní okruhy s jednotkou. 2 V Z p, p prvočíslo, si můžu dovolit to, co si můžu dovolit v R. Jde totiž o tělesa. Důsledky sloganu: 1 Nad Z p by měla jít vybudovat lineární algebra. 2 Měla by mít stejné vlastnosti jako lineární algebra nad R. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 12/20

Gaussova eliminace nad R: Karl Friedrich Gauss (1777 1855) Převod na matici v horním blokovém tvaru povolenými úpravami: 1 Prohodit dva řádky matice. 2 Vynásobit řádek matice nenulovým reálným číslem. 3 Přičíst k danému řádku lineární kombinaci ostatních řádků. Gaussova eliminace nad Z p, p prvočíslo Převod na matici v horním blokovém tvaru povolenými úpravami: 1 Prohodit dva řádky matice. 2 Vynásobit řádek matice nenulovým číslem v Z p. 3 Přičíst k danému řádku lineární kombinaci ostatních řádků. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 13/20

Poznámky ke GEM (Gaussově eliminační metodě) 1 GEM používáme pouze v Z p, p prvočíslo. 2 Hodnost matice A je číslo rank(a). Jde o počet nenulových řádků po skončení GEM. 3 Algoritmy založené na GEM: řešení soustav lineárních rovnic, výpočet inversní matice apod. (A E) (E A 1 ) 4 V Z m, m složené, GEM nedefinujeme. Tudíž: řešení soustav lineárních rovnic nebudeme popisovat, výpočet inversní matice jiným algoritmem. Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 14/20

Věta (Frobeniova věta nad Z p ) Soustava Ax = b má řešení právě tehdy, když rank(a) = rank(a b). Obecné řešení je pak ve tvaru k x p + α i x i, i=1 α i Z p kde 1 k = počet sloupců(a) rank(a) 2 x p je jakékoli řešení Ax = b (tzv. partikulární řešení) 3 x 1,..., x k jsou lineárně nezávislá řešení Ax = 0 (tzv. fundamentální systém) Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 15/20

Příklad Vyřešte nad Z 13 : Postup: 2x + 7y + 8z + u + 2v = 3 3x + y + 4z + 2v = 4 9x + 4z + 5u + 5v = 5 1 13 je prvočíslo: smíme použít GEM a Frobeniovu větu. 2 Provedeme GEM (značení řádkových úprav = hygiena): 2 7 8 1 2 3 2 7 8 1 2 3 R 1 3 1 4 0 2 4 0 10 5 5 12 6 R 2 + 5R 1 9 0 4 5 5 5 0 1 7 7 9 11 R 3 + 2R 1 Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 16/20

Příklad (pokrač.) 2 7 8 1 2 3 0 10 5 5 12 6 0 1 7 7 9 11 GEM skončila. 2 7 8 1 2 3 0 10 5 5 12 6 0 0 0 0 0 0 R 1 R 2 3R 3 + R 2 3 rank(a) = rank(a b) = 2: řešení existuje. (Frobeniova věta!) 4 Frobeniova věta: řešení je ve tvaru x p + α 1 x 1 + α 2 x 2 + α 3 x 3, α 1, α 2, α 3 Z 13 (metoda organizovaného hádání). Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 17/20

Příklad (pokrač.) Partikulární řešení: 2 7 8 1 2 3 0 10 5 5 12 6 0 0 0 0 0 0 1 x p = (,, 0, 0, 0) (co nejvíce nul). 2 Dopočteme druhou souřadnici: 10 y = 6 v Z 13 iff y = 11 v Z 13. x p = (, 11, 0, 0, 0). 3 Dopočteme první souřadnici: 2 x + 77 = 3 v Z 13 iff 2x = 4 v Z 13 iff x = 2 v Z 13. x p = (2, 11, 0, 0, 0). Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 18/20

Příklad (pokrač.) Fundamentální systém: 2 7 8 1 2 0 0 10 5 5 12 0 0 0 0 0 0 0 1 Lineární nezávislost: x 1 = (,, 1, 0, 0) x 2 = (,, 0, 1, 0) x 3 = (,, 0, 0, 1) 2 Dopočteme x 1 analogicky předchozímu: 10 y + 5 = 0 v Z 13 iff 10y = 8 v Z 13 iff y = 6 v Z 13. x 1 = (, 6, 1, 0, 0). 2 x + 42 + 8 = 0 v Z 13 iff 2x = 2 v Z 13 iff x = 1 v Z 13. x 1 = (1, 6, 1, 0, 0). Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 19/20

Příklad (pokrač.) 3 Analogicky x 2 a x 3 : x 2 = (11, 6, 0, 1, 0), x 3 = (11, 4, 0, 0, 1). 4 Celkové řešení: (2, 11, 0, 0, 0) + α 1 (1, 6, 1, 0, 0) + α 2 (11, 6, 0, 1, 0) + α 3 (11, 4, 0, 0, 1), α 1, α 2, α 3 Z 13 Jiří Velebil: X01DML 19. listopadu 2007: Okruh Z m 20/20