دالة كارمايكل
في نظرية الأعداد ، وهي فرع من فروع الرياضيات ، تُعرَّف دالة كارمايكل λ ( n ) لعدد صحيح موجب n بأنها أصغر عدد صحيح موجب m بحيث
ينطبق هذا على كل عدد صحيح أولي نسبيًا مع n . جبريًا، λ ( n ) هو أس المجموعة الضربية للأعداد الصحيحة بتردد n . ولأن هذه المجموعة أبيلية منتهية ، فلا بد من وجود عنصر رتبته تساوي الأس λ ( n ) . يُسمى هذا العنصر جذرًا أوليًا من نوع λ بتردد n .

سميت دالة كارمايكل على اسم عالم الرياضيات الأمريكي روبرت كارمايكل الذي عرّفها في عام 1910. [ 1 ] وهي تُعرف أيضًا باسم دالة كارمايكل λ ، ودالة المعامل المختزلة ، ودالة الأس الأقل عالمية .
رتبة المجموعة الضربية للأعداد الصحيحة بتردد n هي φ ( n ) ، حيث φ هي دالة أويلر . وبما أن رتبة أي عنصر في مجموعة منتهية تقسم رتبة المجموعة، فإن λ ( n ) تقسم φ ( n ) . يقارن الجدول التالي أول 36 قيمة لـ λ ( n ) (المتتالية A002322 في OEIS ) و φ ( n ) (مُظللة بالخط العريض إذا كانت مختلفة؛ القيم n التي تجعلها مختلفة مُدرجة في (المتتالية A033949 في OEIS ) ).
| ن | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| λ ( n ) | 1 | 1 | 2 | 2 | 4 | 2 | 6 | 2 | 6 | 4 | 10 | 2 | 12 | 6 | 4 | 4 | 16 | 6 | 18 | 4 | 6 | 10 | 22 | 2 | 20 | 12 | 18 | 6 | 28 | 4 | 30 | 8 | 10 | 16 | 12 | 6 |
| φ ( n ) | 1 | 1 | 2 | 2 | 4 | 2 | 6 | 4 | 6 | 4 | 10 | 4 | 12 | 6 | 8 | 8 | 16 | 6 | 18 | 8 | 12 | 10 | 22 | 8 | 20 | 12 | 18 | 12 | 28 | 8 | 30 | 16 | 20 | 16 | 24 | 12 |
أمثلة عددية
- ن = 5. مجموعة الأعداد الأصغر من 5 والأعداد الأولية فيما بينها هي {1، 2، 3، 4 }. بالتالي، فإن دالة أويلر لها القيمة φ (5) = 4 ، وقيمة دالة كارمايكل، λ (5) ، يجب أن تكون قاسمًا للعدد 4. القاسم 1 لا يحقق تعريف دالة كارمايكل لأنباستثناءولا ينطبق ذلك على الرقم 2 أيضاً، لأنوبالتالي فإن λ (5) = 4. في الواقع،. كل من 2 و 3 هما جذور λ أولية modulo 5 وأيضًا جذور أولية modulo 5.
- ن = 8. مجموعة الأعداد الأصغر من 8 والأعداد الأولية فيما بينها هي {1، 3، 5، 7} . بالتالي، φ (8) = 4، ويجب أن يكون λ (8) قاسمًا للعدد 4. في الواقع ، λ (8) = 2 لأنالجذور الأولية لـ λ بتردد 8 هي 3 و 5 و 7. لا توجد جذور أولية بتردد 8.
تكرار λ ( n )
يمكن التعبير عن دالة لامدا لكارمايكل لقوة عدد أولي بدلالة دالة أويلر. أي عدد ليس 1 أو قوة عدد أولي يمكن كتابته بشكل فريد كحاصل ضرب قوى عددية أولية مختلفة، وفي هذه الحالة يكون λ لحاصل الضرب هو المضاعف المشترك الأصغر لـ λ لقوى الأعداد الأولية. تحديدًا، يُعطى λ ( n ) بالعلاقة التكرارية التالية:
دالة أويلر لقوة عدد أولي، أي عدد p r حيث p عدد أولي و r ≥ 1 ، تُعطى بالصيغة التالية:
نظريات كارمايكل
أثبت كارمايكل نظريتين تُثبتان معًا أنه إذا تم اعتبار λ ( n ) كما هو مُعرَّف في العلاقة التكرارية للقسم السابق، فإنه يُحقق الخاصية المذكورة في المقدمة، وهي أنه أصغر عدد صحيح موجب m بحيثلكل عدد أولي نسبيًا مع n .
هذا يعني أن رتبة كل عنصر من عناصر المجموعة الضربية للأعداد الصحيحة بتردد n تقسم λ ( n ) . ويسمي كارمايكل العنصر a الذي يحقق الشرط التالي:هو أصغر قوة لعدد متطابق مع 1 (mod n ) لجذر لامدا أولي modulo n . [ 3 ] (لا ينبغي الخلط بين هذا وبين الجذر الأولي modulo n ، الذي يشير إليه كارمايكل أحيانًا باسم الجذر الأولي).(-root modulo n .)
النظرية 2 - لكل عدد صحيح موجب n، يوجد جذر أولي من نوع λ بتردد n . علاوة على ذلك، إذا كان g جذرًا من هذا النوع، فإنه يوجدالجذور الأولية من نوع λ التي تتطابق مع قوى g . [ 4 ]
إذا كانت g أحد الجذور الأولية من نوع λ التي تضمنها النظرية، فإنلا يوجد حلول صحيحة موجبة m أقل من λ ( n ) ، مما يدل على أنه لا يوجد عدد صحيح موجب m < λ ( n ) بحيثلكل عدد أولي نسبيًا مع n .
لا يعني البيان الثاني من النظرية 2 أن جميع الجذور الأولية من الرتبة λ بتردد n متطابقة مع قوى جذر واحد g . [ 5 ] على سبيل المثال، إذا كان n = 15 ، فإن λ ( n ) = 4 بينماويوجد أربعة جذور أولية من نوع λ بتردد 15، وهي 2 و7 و8 و13 .الجذران 2 و8 متطابقان مع قوى بعضهما البعض، والجذران 7 و13 متطابقان مع قوى بعضهما البعض، لكن لا 7 ولا 13 متطابقان مع أي قوة من قوى 2 أو 8، والعكس صحيح. أما العناصر الأربعة الأخرى للمجموعة الضربية بتردد 15، فهي 1 و4 (التي تحقق...).)، 11، و 14، ليست جذور λ بدائية modulo 15.
كمثال معاكس، إذا كان n = 9 ، فإنويوجد جذران أوليان من نوع λ بتردد 9، وهما 2 و5، كل منهما متطابق مع القوة الخامسة للآخر. وهما أيضاً أوليان.-جذور باقي قسمتها على 9.
خصائص دالة كارمايكل
في هذا القسم، عدد صحيحيقبل القسمة على عدد صحيح غير صفريإذا كان هناك عدد صحيحبحيث. يُكتب هذا على النحو التالي
نتيجة لصغر قيمة λ ( n )
لنفترض أن a m ≡ 1 (mod n ) لجميع الأعداد a الأولية فيما بينها مع n . إذن λ ( n ) | m .
البرهان: إذا كان m = kλ ( n ) + r حيث 0 ≤ r < λ ( n ) ، فإن
لكل عدد أولي نسبيًا مع n . ويترتب على ذلك أن r = 0 لأن r < λ ( n ) و λ ( n ) هو أصغر أس موجب يتحقق عنده التطابق لكل عدد أولي نسبيًا مع n .
λ ( n ) يقسم φ ( n )
هذا ما يُستنتج من نظرية الزمر الأولية ، لأن أس أي زمرة منتهية يجب أن يقسم رتبة الزمرة. λ ( n ) هو أس الزمرة الضربية للأعداد الصحيحة بتردد n، بينما φ ( n ) هي رتبة تلك الزمرة. وبالتحديد، يجب أن يتساوى الأسان في الحالات التي تكون فيها الزمرة الضربية دورية لوجود جذر أولي ، وهو ما ينطبق على قوى الأعداد الأولية الفردية.
وبالتالي يمكننا اعتبار نظرية كارمايكل بمثابة تحسين لنظرية أويلر .
قابلية القسمة
دليل.
بحسب التعريف، لأي عدد صحيحمع(وبالتالي أيضاً)لدينا ذلكوبالتاليوهذا يثبت أنلكل k عدد أولي نسبيًا مع a . وبناءً على نتيجة الحد الأدنى التي تم إثباتها أعلاه، لدينا.
تعبير
لكل عددين صحيحين موجبين a و b، يكون ذلك صحيحاً.
- .
هذه نتيجة مباشرة لتكرار وظيفة كارمايكل.
طول الدورة الأسية
لوهو أكبر أس في التحليل إلى العوامل الأوليةمن n ، ثم لجميع a (بما في ذلك تلك التي ليست أولية نسبياً مع n ) وجميع r ≥ r max ،
على وجه الخصوص، بالنسبة لـ n الخالية من المربعات ( r max = 1 )، لكل a لدينا
القيمة المتوسطة
(يُطلق عليها تقريب إردوش فيما يلي) مع الثابت
و γ ≈ 0.57721 ، ثابت أويلر-ماسكيروني .
يُقدّم الجدول التالي لمحة عامة عن أول 2 26 – 1 =67 108 863 قيمة لدالة λ ، لكل من المتوسط الدقيق وتقريبه بواسطة Erdős.
بالإضافة إلى ذلك ، تُقدَّم لمحة عامة عن قيم "اللوغاريتم على اللوغاريتم" التي يسهل الوصول إليها LoL ( n ) : = ln λ ( n ) / ln n مع
- LoL( n ) > 4 / 5 ⇔ λ ( n ) > n 4 / 5 .
هناك، إدخال الجدول في الصف رقم 26 في العمود
- نسبة الضحك > 4 / 5 ← 60.49
يشير ذلك إلى أن 60.49% (≈40,000,000 ) من الأعداد الصحيحة 1 ≤ n ≤67 108 863 لها λ ( n ) > n 4 / 5 مما يعني أن غالبية قيم λ أسية في طول l := log 2 ( n ) للمدخل n ، أي
ν n = 2 ν – 1 مجموع متوسط متوسط إردوش المتوسط الدقيق متوسط لعبة League of Legends نسبة الضحك > 4 / 5 نسبة الضحك > 7 / 8 5 31 270 8.709677 68.643 7.8813 0.678244 41.94 35.48 6 63 964 15.301587 61.414 4.0136 0.699891 38.10 30.16 7 127 3574 28.141732 86.605 3.0774 0.717291 38.58 27.56 8 255 12994 50.956863 138.190 2.7119 0.730331 38.82 23.53 9 511 48032 93.996086 233.149 2.4804 0.740498 40.90 25.05 10 1023 178816 174.795699 406.145 2.3235 0.748482 41.45 26.98 11 2047 662952 323.865169 722.526 2.2309 0.754886 42.84 27.70 12 4095 2490948 608.290110 1304.810 2.1450 0.761027 43.74 28.11 13 8191 9382764 1145.496765 2383.263 2.0806 0.766571 44.33 28.60 14 16383 35504586 2167.160227 4392.129 2.0267 0.771695 46.10 29.52 15 32767 134736824 4111.967040 8153.054 1.9828 0.776437 47.21 29.15 16 65535 513758796 7839.456718 15225.43 1.9422 0.781064 49.13 28.17 17 131071 1964413592 14987.40066 28576.97 1.9067 0.785401 50.43 29.55 18 262143 7529218208 28721.79768 53869.76 1.8756 0.789561 51.17 30.67 19 524287 28935644342 55190.46694 101930.9 1.8469 0.793536 52.62 31.45 20 1048575 111393101150 106232.8409 193507.1 1.8215 0.797351 53.74 31.83 21 2097151 429685077652 204889.9090 368427.6 1.7982 0.801018 54.97 32.18 22 4194303 1660388309120 395867.5158 703289.4 1.7766 0.804543 56.24 33.65 23 8388607 6425917227352 766029.1187 1345633 1.7566 0.807936 57.19 34.32 24 16777215 24906872655990 1484565.386 2580070 1.7379 0.811204 58.49 34.43 25 33554431 96666595865430 2880889.140 4956372 1.7204 0.814351 59.52 35.76 26 67108863 375619048086576 5597160.066 9537863 1.7041 0.817384 60.49 36.73
الفاصل الزمني السائد
لجميع الأعداد N وجميع الأعداد الصحيحة الموجبة n ≤ N باستثناء o ( N ) [ 8 ] (الأغلبية "السائدة"):
مع الثابت [ 7 ]
الحدود الدنيا
لأي عدد كبير بما فيه الكفاية N ولأي Δ ≥ (ln ln N ) 3 ، يوجد على الأكثر
الحد الأدنى للطلب
لأي متتالية n 1 < n 2 < n 3 < ⋯ من الأعداد الصحيحة الموجبة ، وأي ثابت 0 < c < 1 / ln 2 ، وأي i كبير بما فيه الكفاية : [ 10 ] [ 11 ]
القيم الصغيرة
بالنسبة لثابت c وأي قيمة موجبة كبيرة بما فيه الكفاية A ، يوجد عدد صحيح n > A بحيث [ 11 ]
علاوة على ذلك، فإن n من الشكل
لبعض الأعداد الصحيحة الخالية من المربعات m < (ln A ) c ln ln ln A . [ 10 ]
صورة الوظيفة
مجموعة قيم دالة كارمايكل لها دالة عد [ 12 ]
أين
الاستخدام في علم التشفير
تُعد دالة كارمايكل مهمة في علم التشفير نظرًا لاستخدامها في خوارزمية تشفير RSA .
برهان النظرية 1
بالنسبة لـ n = p ، وهو عدد أولي، فإن النظرية 1 تعادل نظرية فيرما الصغرى :
بالنسبة للقوى الأولية p r ، r > 1 ، إذا
إذا كان هذا صحيحًا لعدد صحيح h ، فإن رفع كلا الطرفين إلى القوة p يعطي
بالنسبة لعدد صحيح آخروبالاستقراء يترتب على ذلك أنلكل عدد أولي نسبيًا مع p ، وبالتالي مع p r . وهذا يثبت النظرية لـ n = 4 أو أي قوة عدد أولي فردي.
تحسين النتيجة لقوى أعلى من العدد اثنين
بالنسبة لعدد أولي نسبيًا مع (قوى) العدد 2 ، لدينا a = 1 + 2 h² لعدد صحيح h² . ثم،
- ،
أينهو عدد صحيح. عندما يكون r = 3 ، يُكتب هذا
تربيع كلا الطرفين يعطي
أينعدد صحيح. ويترتب على ذلك بالاستقراء أن
الأعداد الصحيحة التي لها عوامل أولية متعددة
بحسب نظرية التحليل الفريد ، يمكن كتابة أي عدد n > 1 بطريقة فريدة على النحو التالي:
حيث p 1 < p 2 < ... < p k أعداد أولية، و r 1 ، r 2 ، ... ، rk أعداد صحيحة موجبة. تُثبت نتائج قوى الأعداد الأولية أنه، بالنسبة لـ،
ويترتب على ذلك أن
حيث، كما هو موضح في التكرار،
يستنتج المرء من نظرية الباقي الصينية أن
انظر أيضاً
ملحوظات
- ↑ كارمايكل، روبرت دانيال (1910). "ملاحظة حول دالة جديدة في نظرية الأعداد" . نشرة الجمعية الرياضية الأمريكية . 16 (5): 232-238 . doi : 10.1090/S0002-9904-1910-01892-9 .
- ↑ كارمايكل (1914) ص 40
- ↑ كارمايكل (1914) ص 54
- ↑ كارمايكل (1914) ص 55
- ↑ كارمايكل (1914) ص 56
- ^ النظرية 3 في اردوس (1991)
- 1 2 ساندور وكريستيسي (2004) ص.194
- ^ نظرية 2 في اردوس (1991) 3. النظام العادي. (ص 365)
- ↑ النظرية 5 في فريدلاندر (2001)
- 1 2 النظرية 1 في إردوس (1991)
- 1 2 ساندور وكريستيسي (2004) ص.193
- ↑ فورد، كيفن؛ لوكا، فلوريان؛ بوميرانس، كارل (27 أغسطس 2014). "صورة دالة لامدا لكارمايكل ". الجبر ونظرية الأعداد . 8 (8): 2009-2026 . arXiv : 1408.6506 . doi : 10.2140/ant.2014.8.2009 . S2CID 50397623 .
- ↑ كارمايكل (1914) ص 38-39
مراجع
- إردوس, بول ; بوميرانس, كارل ; شموتز، اريك (1991). "وظيفة لامدا كارمايكل" . اكتا الحساب . 58 (4): 363-385 . دوى : 10.4064 / أأ-58-4-363-385 . ISSN 0065-1036 . السيد 1121092 . زبل 0734.11047 .
- فريدلاندر، جون ب .؛ بوميرانس، كارل؛ شبارلينسكي، إيغور إي. (2001). "دورة مولد الطاقة والقيم الصغيرة لدالة كارمايكل" . رياضيات الحساب . 70 (236): 1591-1605 ، 1803-1806 . doi : 10.1090/s0025-5718-00-01282-5 . ISSN 0025-5718 . MR 1836921. Zbl 1029.11043 .
- ساندور، جوزيف؛ كرستيسي، بوريسلاف (2004). دليل نظرية الأعداد II . دوردريخت: كلوير أكاديمي. ص 32 – 36، 193 – 195. ISBN 978-1-4020-2546-4. Zbl 1079.11001 .
- كارمايكل، روبرت د. [1914]. نظرية الأعداد في مشروع غوتنبرغ
- الحساب النمطي
- الوظائف والخرائط
