Hoppa till innehållet

Modulär aritmetik

Från Wikipedia
(Omdirigerad från Modulo)
Matematiska operationer
Addition (+)
term + term
addend + addend
= summa
Subtraktion (−)
term − term
minuend − subtrahend
= differens
Multiplikation (× eller ·)
faktor × faktor
multiplikator × multiplikand
= produkt
Division (÷ eller /)
täljare / nämnare
dividend / divisor
= kvot
Moduloräkning (mod)
dividend mod divisor = rest
Exponentiering (^)
basexponent = potens
n:te roten (√)
grad √radikand = rot
Logaritm (log)
logbas(potens) = exponent

Modulär aritmetik, moduloräkning eller kongruensräkning är ett område inom aritmetiken, där man räknar med ett begränsat antal tal. Andra tal räknas som jämlika ("kongruenta") med ett av dessa, nämligen med det av talen som blir rest vid division med antalet tal man räknar med.

Den modulära aritmetiken används bland annat inom kryptologin.

I den modulära matematiken analyseras och används kongruensrelationen. Två tal a och b sägs vara kongruenta modulo n om n delar differensen mellan a och b, vilket för alla nollskilda n är ekvivalent med att de har samma principala rest vid division med n. Detta betecknas a≡b(modn), och ibland även a≡nb.

Talen a och b är kongruenta modulo 0 om och endast om a = b. Detta triviala slags kongruens bortser man ofta från, och förutsätter då i stället att n är nollskilt, alltså inte är lika med noll. Under det extraantagandet kan man formellt beskriva definitionen och dess grundläggande egenskaper så här:

a≡b(modn)⇔a,b har samma rest vid division med n ⇔n|(a−b).
9≡5(mod4)

eftersom 9 och 5 båda ger resten 1 vid division med 4.

10≡0(mod2)

eftersom 10 och 0 ger samma rest (0) vid division med 2.

Generaliseringar

[redigera | redigera wikitext]

Om man låter (n) beteckna delmängden {…,−2n,−n,0,n,2n,…} av Z, så kan ovanstående definition formuleras x≡y(modn)⇔x−y∈(n). Den avgörande egenskapen hos (n) är att den är ett ideal. Man låter ofta x≡y(modY) betyda x−y∈Y där Y är ett ideal i en ring X, eller allmännare Y är en delmodul av en modul X. Mängden av ekvivalensklasser till denna relation betecknas X/Y, och kallas en kvotring (respektive kvotmodul, kvotgrupp, kvotrum och så vidare).

Moduloräkning

[redigera | redigera wikitext]

Moduloräkning (även kallat kongruensräkning) är ett område inom elementär algebra. Relationen kongruens modulo används bland annat för datoraritmetik och inom kryptering.

Två heltal a och b är kongruenta modulo n om de ger samma rest vid division med n (ett heltal som är större än eller lika med 2).

Detta betecknas a≡b(modn). Man kan också skriva a≡nb.

Om a och b inte är kongruenta modulo n, säger vi att talen är inkongruenta, vilket betecknas a≢b(modn)

  • 9≡4(mod5), Resten kan i båda fallen bli 4 vid division med 5
  • 24≡17(mod7), Resten kan i båda fallen bli 3 vid division med 7
  • 7≢4(mod6), Resten blir olika vid division med 6

De fyra räknesätten

[redigera | redigera wikitext]

Vid moduloräkning fungerar addition, subtraktion och multiplikation som vanligt. Division fungerar emellertid bara med vissa förbehåll, se exempel nedan.

Låt n vara ett positivt heltal. Antag att heltalen a1,a2 samt b1,b2 uppfyller
a1≡a2(modn) och b1≡b2(modn)
Per definition vet vi att n|(a1−a2) och n|(b1−b2)
Det betyder att det finns heltal x och y sådana att
a1−a2=nx
och
b1−b2=ny
Nu följer
(a1+b1)−(a2+b2)=(a1−a2)+(b1−b2)
=nx+ny
=n(x+y)
Alltså gäller n|(a1+b1)−(a2+b2), vilket betyder att
a1+b1≡a2+b2(modn)

Beviset ovan bekräftar giltigheten för addition, och därmed även för subtraktion.

Vidare,
a1b1−a2b2=a1b1−a1b2+a1b2−a2b2
=a1(b1−b2)+(a1−a2)b2
=a1ny+nxb2 (se ovan under additionsbeviset)
=n(ya1+xb2)
Och därmed n|(a1b1−a2b2)
Det vill säga
a1b1≡a2b2(modn)

Detta bevisar giltigheten för multiplikation vid moduloräkning.

13+16=29≡4(mod5)

Om vi ersätter talen ovan med andra tal som är kongruenta med de första så får vi samma svar

13≡3(mod5)

16≡1(mod5)

3+1=4≡29(mod5)

13−16=−3≡2(mod5)

Om vi ersätter talen ovan med andra tal som är kongruenta med de första så får vi samma svar

13≡3(mod5)

16≡1(mod5)

3−1=2≡−3(mod5)

Multiplikation
[redigera | redigera wikitext]

13×16=208≡3(mod5)

Om vi ersätter talen ovan med andra tal som är kongruenta med de första så får vi samma svar

13≡3(mod5)

16≡1(mod5)

3×1=3≡208(mod5)

För division fordras viss försiktighet, vilket t.ex. illustreras av att 5⋅9≡5⋅3(mod10), men 9≢3(mod10); det gäller emellertid att om a,b,m,n är heltal, och am≡bm(modn), så a≡b(modn/d) där d är den största gemensamma delaren till m och n. Speciellt gäller att om am≡bm(modn), så a≡b(modn) närhelst m och n är relativt prima (saknar gemensamma delare större än 1).

Externa länkar

[redigera | redigera wikitext]