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Kryptologie/Größte gemeinsame Teiler

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Einleitung

Für viele Beweise in diesem Kurs benötigen wir die Definition des größten gemeinsamen Teilers oder dessen Lemmata. Das sogenannte Lemma von Bézout brauchen wir beispielsweise für den erweiterten euklidischen Algorithmus[1] oder das Lemma von Euklid um den Fundamentalsatz der Zahlentheorie zu zeigen[2]. Beides benötigen wir für das RSA-Kryptosystem (Schlüsselerzeugung[3] und Korrektheit des Verfahrens[4]). Aber auch beim Caesar-Kryptosystem benötigen wir den größten gemeinsame Teiler[5].

Größter gemeinsamer Teiler

Definition Größter gemeinsamer Teiler

Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null ist. Wir bezeichnen mit als den größten gemeinsamen Teiler der Zahlen und , falls gilt:

: und

und

: Für alle mit und gilt [6].

Beispiel Größter gemeinsamer Teiler

Sei und .

hat die folgenden Teiler: und .

hat die Teiler: und .

und haben also die gemeinsamen Teiler und .

Der größte gemeinsame Teiler ist und somit .

Bemerkung: Bei größeren Zahlen kann das Bestimmen des größten gemeinsamen Teilers auf diese Art sehr lange dauern. Eine effizientere Methode ist der (erweiterte) euklidische Algorithmus[7]. Für diese Methoden müssen jedoch die Eigenschaften des näher betrachten[1].

Eigenschaften

Lemma 1

Seien , wobei nicht . Es gilt [8].

Beweis Lemma 1

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit
Größte gemeinsame Teiler
Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen mit als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen und , falls gilt:

: und

und

: Für alle mit und gilt [6].

Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt: [9]

Voraussetzung

und .

Zu zeigen

bzw. wegen Definition des absoluten Betrags als oder [10]

.

Beweis

Betrachten wir .

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt und .

Wir wissen nach des Lemmas der Teilbarkeit, dass dann auch gilt

und .

Sei nun ein beliebiger gemeinsamer Teiler von und oder von und oder von und .

Nach des Satzes der Teilbarkeit gilt dann und , wobei in jedem Fall , da ist.

Somit gilt [11]

Lemma 2

Seien und , dann folgt: [12].

Beweis Lemma 2

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit
Größte gemeinsame Teiler
Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen mit als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen und , falls gilt:

: und

und

: Für alle mit und gilt [13].

Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt:

und für beliebige [14].

Voraussetzung

und .

Zu zeigen

Beweis

Wenn , dann gilt nach Definition des größten gemeinsamen Teilers und .

Aus und folgt wiederum nach des Lemmas der Teilbarkeit, dass bzw. .

lässt sich nach der Voraussetzung umschreiben in und somit ist also ein Teiler von .

Wir konstruieren nun einen beliebigen gemeinsamen Teiler mit und und somit gilt auch .

Da , gilt für den Teiler also außerdem .

ist also auch ein gemeinsamer Teiler von und . Jedoch ist und es muss daher sein.

Wir haben also gezeigt, dass ein beliebiger gemeinsamer Teiler von und auch ein gemeinsamer Teiler von und ist, wobei und zusätzlich . Somit ist der größte gemeinsame Teiler von und ebenfalls . Formal gilt also: [1]

Lemma 3 (Lemma von Bézout)

Bemerkung: Da wir für die Schlüsselerzeugung des RSA-Algorithmus' teilerfremde ganze Zahlen mit dem erweiterten euklidischen Algorithmus untersuchen, betrachten wir insbesondere teilerfremde ganze Zahlen und . Für diese gilt folglich: [15] für geeignete .

Das Lemma von Bézout besagt, dass sich der größte gemeinsame Teiler zweier ganzer Zahlen und als Linearkombination von und mit ganzzahligen Koeffizienten darstellen lässt[15]. Formal schreiben wir:

Für alle existieren , sodass gilt: [16][17].

Beweis Lemma 3 (Lemma von Bézout)

Voraussetzung

Seien

Zu zeigen

Es existieren , sodass gilt

Beweis

Lemma der Teilbarkeit, Division mit Rest und Umformung
Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt:

und für beliebige [14].

Division mit Rest
Seien mit eindeutig bestimmte Zahlen und gibt,

für die gilt: [18][19].

Umformungen
, da

Wir nehmen an, dass es unter allen Zahlen mit sicher solche gibt, die positiv und ungleich Null sind.

Sei die kleinste Zahl unter diesen.

Da sowohl als auch teilt, teilt nach des Lemmas der Teilbarkeit auch .

Wir zeigen nun, dass auch ein Teiler von und ist.

Die Division mit Rest liefert uns eine Darstellung von in der Form , wobei .

Wir setzen nun in die Darstellung von ein und lösen die Gleichung nach auf.

Wir erhalten nach mehrmaligem Umformen .

Da die kleinste positive Zahl ist, welche die oben genannte Eigenschaft erfüllt, muss sein.

Es gilt und ist somit nach der Definition der Teilbarkeit ein Teiler von .

Entsprechend gilt auch, dass ein Teiler von ist und es gilt .

Wir hatten bereits thematisiert, dass ein Teiler von ist und folgern nun [15][17]

Folgerung aus dem Lemma von Bézout

Seien , , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null, dann besteht genau aus den Vielfachen von [20].

Beweis Folgerung aus dem Lemma von Bézout

Größte gemeinsame Teiler, Lemma der Teilbarkeit und Linearkombination
Größte gemeinsame Teiler
Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen mit als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen und , falls gilt:

: und

und

: Für alle mit und gilt [6].

Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt:

und für beliebige [21].

Voraussetzung

Seien , , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null und .

Zu zeigen

besteht genau aus den Vielfachen von .

Beweis

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt und .

Es gilt dann nach des Lemmas der Teilbarkeit für beliebige .

Wir wissen nach dem Lemma von Bézout, dass .

Wir können Vielfache von also schreiben als mit .

Somit ist aber auch jedes Vielfache von als Linearkombination von und darstellbar und Element der Menge [20]

Lemma 4

Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

und sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn existieren, sodass gilt:

[20].

Beweis Lemma 4

Hinrichtung

Wir zeigen zunächst, dass aus der Teilerfremdheit von und die Aussage mit geeigneten folgt.

Voraussetzung

Teilerfremdheit, Lemma von Bézout,

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit

Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen und , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn [22]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen

zueinander teilerfremd sind[23][20].

Lemma von Bézout
Für alle existieren , sodass gilt: [15][17].
Größte gemeinsame Teiler
Seien , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen mit als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen und , falls gilt:

: und

und

: Für alle mit und gilt [6].

Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt:

und für beliebige [14].

Lemma der Teilbarkeit:
Seien , dann gilt: [14].

Seien , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null und teilerfremd zueinander.

Zu zeigen

Es existieren , sodass gilt .

Beweis

Da nach Voraussetzung die Zahlen und teilerfremd sind, folgt aus der Definition von teilerfremd, dass gilt:

.

Benutzt man nun das Lemma von Bézout folgt:

Es existieren mit .

Rückrichtung

Nun zeigen wir die umgekehrte Richtung.

Voraussetzung

Sei mit .

Zu zeigen

sind teilerfremd zueinander mit , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Beweis

Sei nach Voraussetzung mit und .

Da nach Definition des größten gemeinsamen Teilers und gilt, folgt nach des Lemmas der Teilbarkeit

.

Nach Voraussetzung ist dies gerade

.

Da positiv, folgt aus des Lemmas der Teilbarkeit

.

Nach der Definition teilerfremd folgt

sind teilerfremd zueinander, wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null[20].

Folgerung aus Lemma 4

Gilt und mit , dann folgt [20].

Beweis der Folgerung
Teilbarkeit und Lemma 4 des
Teilbarkeit
Eine ganze Zahl teilt eine ganze Zahl genau dann, wenn es eine

ganze Zahl gibt, für die ist.

Wir schreiben [24][25].

Lemma 4 des
Seien , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null.

und sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn existieren,

sodass gilt: [22].

Voraussetzung

und mit .

Zu zeigen

.

Beweis

Aus der Voraussetzung folgern wir nach der Definition der Teilbarkeit

und mit geeignet

bzw. zusammengefasst

.

Wegen gilt nach Lemma 4 des

mit

, durch Multiplikation mit .

Nun können wir bzw. einsetzen

Dies ist nach Definition der Teilbarkeit

[26]

Lemma 5 (Lemma von Euklid)

Seien und mit und ist nun teilerfremd zu einem der Faktoren, so teilt es den anderen[27][26].

Beweis Lemma 5

Den Beweis können Sie in der Lernaufgabe eigenständig führen.

Lernaufgabe

Lemma von Euklid, Teilerfremdheit, Lemma 4 des und Teilbarkeit
Lemma von Euklid
Seien und mit und ist nun teilerfremd zu einem der Faktoren,

so teilt es den anderen[27][26].

Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen und , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn [22]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen

zueinander teilerfremd sind[23][22].

Lemma 4 des
Seien , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null.

und sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn existieren,

sodass gilt: [22].

Teilbarkeit
Eine ganze Zahl teilt eine ganze Zahl genau dann, wenn es eine

ganze Zahl gibt, für die ist.

Wir schreiben [24][25].

Aufgabe

Beweisen Sie das Lemma von Euklid. Nehmen Sie hierfür an, dass teilerfremd zu und multiplizieren Sie die Gleichung aus Lemma 4 des mit .

Lösung
Voraussetzung

Seien und , und teilerfremd zu einem der Faktoren

Zu zeigen

teilt den anderen Faktor

Beweis

Wir nehmen an, dass teilerfremd zu . Folglich gilt .

Nach Lemma 4 des gilt

mit

, durch Multiplikation mit

Nun gilt nach der Definition der Teilbarkeit und Voraussetzung und zusätzlich .

Somit gilt auch .

Wir haben jedoch gezeigt, dass gilt und können folgern

[28]

Lernempfehlung

Kursübersicht
Übergeordnete Lerneinheit
4: Caesar-Verschlüsselungsverfahren
Vorherige Lerneinheit Aktuelle Lerneinheit Empfohlene Lerneinheit
4.1: Teilbarkeit und Teilerfremdheit 4.2: Größte gemeinsame Teiler 4.3: Kongruenzen

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 32.
  2. Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 66.
  3. Rivest, R. L., Shamir, A., & Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2) (S. 120–126). S. 122f.
  4. Rivest, R. L., Shamir, A., & Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2) (S. 120–126). 123.
  5. Buchmann, J. (2016). Einführung in die Kryptographie (6. Aufl.). Springer. S. 43.
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 24.
  7. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 31.
  8. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 30.
  9. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 29.
  10. Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 34.
  11. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 476.
  12. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 32.
  13. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 24.
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 23.
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  16. Bézout, E. (1779). Théorie générale des équations algébriques. Paris, Impr. de P.-D. Pierres.
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  20. 20,0 20,1 20,2 20,3 20,4 20,5 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 26.
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  26. 26,0 26,1 26,2 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 27.
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  28. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 27f.