信息安全数学基础 II 第一次作业_初等数论
第 1、2、3、4、5 章
第 1 章 整数的可除性
(13)
Question
证明:形如 4k+3 的素数有无穷多个.
Answer
证明:
设 ∀N∈I+,
设 p1,p2,⋯,pn 为形如 4n+3 的不大于 N 的所有素数,即形如 4n+3 的素数个数有限.
令 q=4⋅k∏i=1pi−1,pi 显然不为 q 的素因数.
若 q 为素数
∵q=4⋅k∏i=1pi−1=4(k∏i=1pi−1)+3
则 q 也为形如 4n+3 的素数,显然有 q>N,表明存在大于 N 的形如 4n+3 的素数.
若 q 不为素数
先证明:形如 4n+3 的正整数必有形如 4n+3 的素因数.
易知一切奇素数可写成 4k+1 或 4k+3(k∈I) 的形式.
而 (4k1+1)(4k2+1)=4(4k1k2+k1+k2)+1 不形如 4n+3,
则 4n+3 分解成的素因数乘积一定含 4n+3 形式的素数.则 q 必含形如 4n+3 的素因数 p,且 p≠pi (i=1,2,⋯,k), 则 p>N,
表明存在大于 N 的形如 4n+3 的素数 p.
由于 N 为任取正整数,则证明形如 4n+3 的素数有无穷多个.
(17)
Question
将二进制 (111100011110101)2,(10111101001110)2 转换为十六进制.
Answer
解:
(0111 1000 1111 0101)2=(78F5)16.
(0010 1111 0100 1110)2=(2F4E)16.
(18)
Question
将十六进制 (ABCDEFA)16,(DEFACEDA)16,(9A0AB)16 转换为二进制.
Answer
(ABCDEFA)16=(1010 1011 1100 1101 1110 1111 1010)2.
(DEFACEDA)16=(1101 1110 1111 1010 1100 1110 1101 1010)2.
(9A0AB)16=(1001 1010 0000 1010 1011)2.
(28)
Question
求以下整数对的最大公因数:
④ (20785,44350).
Answer
解:
44350=2×20785+278020785=7×2780+13252780=2×1325+1301325=10×130+25130=5×25+525=5×5
∴ 最大公因数是 5.
(32)
Question
运用广义欧几里德除法求整数 s,t 使得 s⋅a+t⋅b=(a,b).
① (1613,3589). ② (2947,3772).
Answer
解:
①
3589=2×1613+3631613=4×363+161363=2×161+41161=3×41+3841=1×38+338=12×3+23=1×2+12=2×1 (1613,3589)=1=3−2=3+12×3−38=13×(41−38)−38=13×41−14×(161−3×41)=55×(363−2×161)−14×161=55×363−124×(1613−4×363)=551×(3589−2×1613)−124×1613=551×3589−1226×1613
∴ (1613,3589)=1=(−1226)×1613+551×3589
②
3772=1×2947+8252947=3×825+472825=1×472+353472=1×353+119353=2×119+115119=1×115+4115=28×4+34=1×3+13=3×1 (2947,3772)=1=4−3=4+28×4−115=29×(119−115)−115=29×119−30×(353−2×119)=89×(472−353)−30×353=89×472−119×(825−472)=208×(2947−3×825)−119×825=208×2947−743×(3772−2947)=951×2947−743×3772
∴ (2947,3772)=1=951×2947−743×3772
(50)
Question
求出下列各对数的最小公倍数.
④ [132,253].
Answer
解:
253=1×132+121132=1×121+11121=11×11
∴ (132,253)=11.
∴ [132,253]=132×253(132,253)=11×12×11×2311=11×12×23=29436.
第 2 章 同余
(2)
Question
证明:当 m>2 时,02,12,⋯,(m−1)2 一定不是模 m 的完全剩余系.
Answer
证明:
∵ m>2,(m−1)2=m2−2m+1=m(m−2)+1≡1(modm)
则 1 和任意 (m−1)2 在同一剩余类中,则 m>2 时,
02,01,⋯,(m−1)2 一定不是模 m 的完全剩余类.
(6)
Question
2003 年 5 月 9 日是星期五,问第 220080509 天是星期几 ?
Answer
解:
21≡2(mod7),22≡4(mod7),23≡1(mod7)
20080509=3×6693503
∴ 220080509=(23)6693503≡1(mod7)
∴ 是星期六.
(9)
Question
设 n=pq,其中 p,q 是素数。证明:如果 a2≡b2(modn), n∤a−b, n∤a+b,则 (n,a−b)>1,(n,a+b)>1.
Answer
证明:
∵ a2≡b2(modn)
∴ 设 a2−b2=kn=(a+b)(a−b),k∈Z
⇒ n∣(a+b)(a−b),kpq=(a+b)(a−b)
∵ n∤(a−b),n∤(a+b)
则如设 p∣a−b,q∣a+b,则 p∤a+b,q∤a−b.
∴ (p,a+b)=1=(q,a−b)
∴(n,a−b)=(pq,a−b)=(p,a−b)=p>1(n,a+b)=(pq,a+b)=(q,a+b)=q>1
(12)
Question
列出 Z/7Z 中的加法表和乘法表.
Answer
解:
Z/7Z={0,1,2,3,4,5,6}.
加法表
⊕ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 |
2 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 |
3 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 |
4 | 4 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 |
5 | 5 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
6 | 6 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
乘法表
⊗ | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
2 | 0 | 2 | 4 | 6 | 1 | 3 | 5 |
3 | 0 | 3 | 6 | 2 | 5 | 1 | 4 |
4 | 0 | 4 | 1 | 5 | 2 | 6 | 3 |
5 | 0 | 5 | 3 | 1 | 6 | 4 | 2 |
6 | 0 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
(31)
Question
证明:如果 c1,c2,⋯,cφ(m) 是模 m 的简化剩余系,那么
c1+c2+⋯+cφ(m)≡0(modm).
Answer
证明:
∵ C1,C2,⋯,Cφ(m) 是模 m 的简化剩余系.
而对任意 Ci 有 (m−Ci)+Ci≡0(modm).
而 m−Ci 属于模 m 的简化剩余系.
∴ c1+c2+⋯+cφ(m)≡0(modm).
第 3 章 同余式
(1)
Question
求出下列一次同余方程的所有解.
③ 17x≡14(mod21).
Answer
解:
∵ (17,21)=1∣14
∴ 有解.
求出 7x≡1(mod21) 的一个特解 x′0≡5(mod21).
则 17x≡14(mod21) 的一个特解 x0≡14x′0≡14⋅5≡7(mod21).
所有解为 x≡7(mod21).
(10)
Question
证明:同余方程组 {x≡a1(modm1)x≡a2(modm2)
有解当且仅当 (m1,m2)∣(a1−a2). 并证明若有解,该解模 ([m1,m2]) 是唯一的.
Answer
证明:
必要性:
有解 ⇒ (m1,m2)=1∣(a1−a−2),显然成立.
充分性:
x≡y1m1+a1⇒y1m1≡a2−a1(modm2).
有解 y1≡y0(modm2).
设 x0=a1+m1y0,则 x0≡a1(modm1),且
x0=a1+m1y0≡a2(modm2)
∴ x0 为同余方程组的解.
若 x1,x2 为方程组的解,则 x1≡x2(modm1),x1≡x2(modm2).
∴ x1≡x2(mod[m1,m2]),解模 ([m1,m2]) 是唯一的.
(16)
Question
求下列一次同余方程组的解.
① {x+2y≡1(mod7)2x+y≡1(mod7).
Answer
解:
{x+2y≡1(mod7)2x+y≡1(mod7)⇒{x+y≡3(mod7)x−y≡0(mod7)
∴{x≡5(mod7)y≡5(mod7)
(19)
Question
将同余式方程化为同余式组来求解.
(i) 23x≡1(mod140);(ii) 17x≡229(mod1540).
Answer
解:
(i)
23x≡1(mod140)⇒{23x≡1(mod4)23x≡1(mod5)23x≡1(mod7)⇒{x≡3(mod4)x≡2(mod5)x≡4(mod7)
∴ m1=4,m2=5,m3=7.
∴ M1=35,M2=28,M3=20.
{35M′1≡1(mod4)28M′2≡1(mod5)20M′3≡1(mod7)⇒{M′1=3M′2=2M′3=6
∴ x≡3⋅3⋅25+2⋅2⋅28+4⋅6⋅20(mod140)⇒x≡67(mod140).
(ii)
17x≡229(mod1540)⇒{17x≡1(mod4)17x≡4(mod5)17x≡5(mod7)17x≡9(mod11)⇒{x≡1(mod4)x≡2(mod5)x≡4(mod7)x≡7(mod11)
∴ m1=4,m2=5,m3=7,m4=11.
∴ M1=385,M2=308,M3=220,M4=140.
{385M′1≡1(mod4)308M′2≡1(mod5)220M′3≡1(mod7)140M′4≡1(mod11)⇒{M′1=1M′2=2M′3=5M′4=7
∴ x≡1⋅1⋅385+2⋅2⋅308+5⋅4⋅220+7⋅7⋅140(mod1540)⇒x≡557(mod1540).
(23)
Question
求解同余式
3x14+4x13+2x11+x9+x6+x3+12x2+x≡0(mod7).
Answer
解:
3x14+4x13+2x11+x9+x6+x3+12x2+x≡0(mod7)(x7−x)(3x7+4x6+2x4+x2+3x+4)+x6+2x5+2x3+15x2+5x≡0(mod7)x6+2x5+2x3+15x2+5x≡0(mod7)
代入 x=0,1,2,3,4,5,6
得 x≡0(mod7)⇒x≡6(mod7).
(24)
Question
求解同余式
f(x)≡x4+7x+4≡0(mod243).
Answer
解:
求导 f′(x)=4x3+7(mod243).
且 243=35.
∴ f(x)≡0(mod3)⇒x1≡1(mod3).
将 x=1+3⋅t1 代入 f(x)≡0(mod9).
f(1)+f′(1)t1⋅3≡0(mod9)⇒f(1)≡3(mod9),f′(1)≡2(mod9).
∴ 3+6t1≡0(mod9) 或 2t1≡−1(mod3).
∴ t1≡1(mod3).
∴ f(x)≡0(mod9)⇒x2≡1+3⋅t1≡4(mod9).
将 x=4+9⋅t2 代入 f(x)≡0(mod27).
f(4)≡18(mod27),f′(4)≡20(mod27).
∴ 18+20t2⋅9≡0(mod27)⇒2t2≡−2(mod3).
∴ t2≡2(mod3).
∴ x3≡4+9⋅t2≡22(mod27).
将 x=22+27⋅t3 代入 f(x)≡0(mod81).
f(22)≡0(mod81),f′(22)≡7(mod81).
∴ 0+7t3⋅1≡0(mod3).
∴ t3≡0(mod3).
∴ x4≡x3+27⋅t3≡22(mod81).
f(22)≡162(mod243),f′(22)≡6(mod243).
∴ 162+27t4⋅6≡0(mod243).
∴ t4≡2(mod3).
∴ x5≡x4+81⋅t4≡184(mod243).
∴ 解为 x≡84(mod243).
第 4 章 二次同余式与平方剩余
(4)
Question
求满足方程 E:y2=x3−2x+3(mod7) 的所有点.
Answer
解:
对 x=0,1,2,3,4,5,6 分别求 y.
x=0,y2≡3(mod7),无解.
x=1,y2≡2(mod7),y=3,4(mod7).
x=2,y2≡0(mod7),y=0(mod7).
x=3,y2≡3(mod7),无解.
x=4,y2≡3(mod7),无解.
x=5,y2≡6(mod7),无解.
x=6,y2≡4(mod7),y=2,5(mod7).
∴ 共 5 个点.
(10)
Question
求解同余式 x2≡79(mod105).
Answer
解:
∵ 105=3⋅5⋅7
∴ 原同余式等价于同余式组
{x2≡79≡1(mod3)x2≡79≡4(mod5)x2≡79≡2(mod7)⇒{x=x1≡±1(mod3)x=x2≡±2(mod5)x=x3≡±3(mod7)
∴ m1=3,m2=5,m3=7,m=105.
∴ M1=35,M2=21,M3=15.
∴ M′1=2,M′2=1,M′3=1.
∴ x≡70b1+21b2+15b3(mod105)⇒
x≡70+42+45≡52(mod105)x≡70+42−45≡67(mod105)x≡70−42+45≡73(mod105)x≡70−42−45≡88(mod105)x≡−70+42+45≡17(mod105)x≡−70+42−45≡32(mod105)x≡−70−42+45≡38(mod105)x≡−70−42−45≡53(mod105)
(20)
Question
② (151373); ④ (151373); ⑤ (151373);
Answer
解:
②
(151373) =(373151)⋅(−1)151−12⋅373−12 =(71151) =(15171)⋅(−1)151−12⋅373−12 =−(971) =−(3271) =−1
④
(9112003) =(2003911)⋅(−1)911−12⋅2003−12 =−(181911) =−(911181)⋅(−1)181−12⋅911−12 =−(6181) =−(2181)⋅(3181) =−(−1)1812−18⋅(1813)⋅(−1)181−12⋅3−12 =(13) =1
⑤
(37200723) =(20072337)⋅(−1)37−12⋅200723−12 =(3537) =(537)⋅(737) =(375)⋅(−1)5−12⋅37−12⋅(377)⋅(−1)7−12⋅37−12 =(25)⋅(27) =(−1)52−18⋅(−1)72−18 =−1
(22)
Question
求下列同余方程的解数:
① x2≡−2(mod67); ② x2≡2(mod67);
Answer
解:
①
(−267) =(−167)⋅(267) =(−1)67−12⋅(−1)672−18 =1
∴ 有两个解.
②
(267) =(−1)672−18 =−1
∴ 无解.
(26)
Question
判断下列同余方程是否有解:
① x2≡7(mod227); ③ 11x2≡−6(mod91);
Answer
解:
①
(7227) =(2277)⋅(−1)227−12⋅7−12 =−(37) =−(73)⋅(−1)3−12⋅7−12 =(13) =1
∴ 7 是 227 的平方剩余,有解.
③
11x2≡−6(mod91)⇒x2≡16(mod91)⇒{x2≡3(mod13)x2≡2(mod7)⇒{x=x1≡±4(mod13)x=x2≡±3(mod7)
∴ m1=13,m2=7.
∴ M1=7,M2=13.
∴ M′1=2,M′2=5.
∴ x≡14b1+65b2(mod91)
∴ 有解.
(39)
Question
设 p=401,q=281,求解下列同余式:
(v) x2=11(modpq).
Answer
解:
x2=11(modpq),p=401,q=281
⇒{x2≡11(mod401)x2≡11(mod281).
(11281) =(28111)⋅(−1)281−12⋅11−12 =(611) =(211)(311) =(−1)112−18⋅(113)⋅(−1)11−12⋅3−12 =(−1)32−18 =−1
∴ 无解.
第 5 章 原根与指标
(5)
Question
问模 47 的原根有多少个?求出模 47 的所有原根.
Answer
解:
∵ 47 为素数.
∴ φ(47)=46=2×43⇒q1=2,q2=43.
原根个数 n=φ(φ(m))=φ(46)=φ(2)⋅φ(23)=22.
只需验证 g23≡1(mod47),g2≡1(mod47) 是否成立.
对 2,3,5 等进行验算.
22≡4,23≡8,24≡16,
27≡34,28≡21,216≡1(mod47).
32≡9,33≡27,34≡81,
37≡25,38≡28,316≡32,323≡1(mod47).
52≡4,53≡31,54≡14,
57≡11,58≡8,516≡17,523≡−1(mod47).
∴ g=5 为模 47 的原根,gd 遍历 47 的所有原根,其中
d=1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,25,27,29,31,33,35,37,39,41,43,45.
51=5,53=31,55=23,57=11,59=40,511=13,513=43,515=41,517=38,519=10,521=15,525=22,527=33,529=26,531=39,533=35,535=29,537=20,539=30,541=45,543=44,545=19(mod47)
共 22 个.
(10)
Question
设 p 和 p−12 都是素数,设 a 是与 p 互素的正整数. 证明 如果
a≢1,a2≢1,ap−12≢1(modp),
则 a 是模 p 的原根.
Answer
证明:
∵ p,p−12 为素数.
∴ φ(p)=p−1=2⋅p−12.
∴ q1=2,q2=p−12.
又 aφ(p)2≢1(modp),a2=aφ(p)p−12≢1(modp).
∴ a 为模 p 的原根.
(17)
Question
求解同余式
x22≡29(mod41)
Answer
解:
∵ (n,φ(m))=(22,φ(41))=(22,40)=2,
ind29=7,(2,7)=1,
∴ 该同余式无解.