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 a,b, wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null ist. Wir bezeichnen d:=ggT(a,b) mit d als den größten gemeinsamen Teiler der Zahlen a und b, falls gilt:

(1): da und db

und

(2): Für alle c mit ca und cb gilt cd [6].

Beispiel Größter gemeinsamer Teiler

Sei a=14 und b=32.

a=14 hat die folgenden Teiler: 14,7,2,1,1,2,7 und 14.

b=32 hat die Teiler: 32,16,8,4,2,1,1,2,4,8,16 und 32.

a und b haben also die gemeinsamen Teiler 2,1,1 und 2.

Der größte gemeinsame Teiler ist 2 und somit ggT(14,32)=2.

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 ggT näher betrachten[1].

Eigenschaften

Lemma 1

Seien a,b, wobei nicht a=b=0. Es gilt ggT(|a|,|b|)=ggT(a,b)[8].

Beweis Lemma 1

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

Wir bezeichnen d:=ggT(a,b) mit d als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen a und b, falls gilt:

(1): da und db

und

(2): Für alle c mit ca und cb gilt cd[6].

Lemma der Teilbarkeit: (1)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt: aba(b)[9]

Voraussetzung

d=ggT(|a|,|b|) und a,b.

Zu zeigen

ggT(|a|,|b|)=ggT(a,b)

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

ggT(a,b)=ggT(a,b)=ggT(a,b)=ggT(a,b).

Beweis

Betrachten wir d=ggT(a,b).

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt da und db.

Wir wissen nach (1) des Lemmas der Teilbarkeit, dass dann auch gilt

d(a) und d(b).

Sei nun t ein beliebiger gemeinsamer Teiler von a und b oder von a und b oder von a und b.

Nach (1) des Satzes der Teilbarkeit gilt dann ta und tb, wobei in jedem Fall td, da d=ggT(a,b) ist.

Somit gilt ggT(a,b)=ggT(a,b)=ggT(a,b)=ggT(a,b)[11]

Lemma 2

Seien a,b,k,r und a=kb+r, dann folgt: ggT(a,b)=ggT(b,r)[12].

Beweis Lemma 2

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

Wir bezeichnen d:=ggT(a,b) mit d als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen a und b, falls gilt:

(1): da und db

und

(2): Für alle c mit ca und cb gilt cd[13].

Lemma der Teilbarkeit: (3)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt:

ab und aca(bs+ct) für beliebige s,t[14].

Voraussetzung

a,b,k,r und a=kb+r.

Zu zeigen

ggT(a,b)=ggT(b,r)

Beweis

Wenn ggT(a,b)=d, dann gilt nach Definition des größten gemeinsamen Teilers da und db.

Aus da und db folgt wiederum nach (3) des Lemmas der Teilbarkeit, dass d(ab) bzw. d(akb).

d(akb) lässt sich nach der Voraussetzung a=kb+r umschreiben in dr und somit ist d also ein Teiler von r.

Wir konstruieren nun einen beliebigen gemeinsamen Teiler c mit cb und cr und somit gilt auch c(kb+r).

Da a=kb+r, gilt für den Teiler c also außerdem ca.

c ist also auch ein gemeinsamer Teiler von a und b. Jedoch ist ggT(a,b)=d und es muss daher cd sein.

Wir haben also gezeigt, dass ein beliebiger gemeinsamer Teiler c von b und r auch ein gemeinsamer Teiler von a und b ist, wobei cd und zusätzlich dr. Somit ist der größte gemeinsame Teiler von b und r ebenfalls d. Formal gilt also: d=ggT(b,r)[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 a und b. Für diese gilt folglich: ggT(a,b)=1=sa+tb[15] für geeignete s,t.

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

Für alle a,b existieren s,t, sodass gilt: ggT(a,b)=sa+tb[16][17].

Beweis Lemma 3 (Lemma von Bézout)

Voraussetzung

Seien a,b

Zu zeigen

Es existieren s,t, sodass ggT(a,b)=sa+tb gilt

Beweis

Lemma der Teilbarkeit, Division mit Rest und Umformung
Lemma der Teilbarkeit: (3)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt:

ab und aca(bs+ct) für beliebige s,t[14].

Division mit Rest
Seien a,b mit b0 eindeutig bestimmte Zahlen kund r gibt,

für die gilt: a=kb+r,0r<|b|[18][19].

Umformungen
a=kd+ra=k(sa+tb)+r, da d=sa+tb

ak(sa+tb)=r

aksaktb=r

a(1ks)ktb=r

a(1ks)+(kt)b=r

Wir nehmen an, dass es unter allen Zahlen x=sa+tb mit s,t sicher solche gibt, die positiv und ungleich Null sind.

Sei d=sa+tb die kleinste Zahl unter diesen.

Da ggT(a,b) sowohl a als auch b teilt, teilt ggT(a,b) nach (3) des Lemmas der Teilbarkeit auch d.

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

Die Division mit Rest liefert uns eine Darstellung von a in der Form a=kd+r, wobei 0r<d .

Wir setzen nun d=sa+tb in die Darstellung von a ein und lösen die Gleichung nach r auf.

Wir erhalten nach mehrmaligem Umformen r=(1ks)a+(kt)b.

Da d die kleinste positive Zahl ist, welche die oben genannte Eigenschaft erfüllt, muss r=0 sein.

Es gilt a=kd und d ist somit nach der Definition der Teilbarkeit ein Teiler von a.

Entsprechend gilt auch, dass d ein Teiler von b ist und es gilt dggT(a,b).

Wir hatten bereits thematisiert, dass ggT(a,b) ein Teiler von d ist und folgern nun d=ggT(a,b)[15][17]

Folgerung aus dem Lemma von Bézout

Seien a,b, , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null, dann besteht V={ax+by|x,y} genau aus den Vielfachen von d=ggT(a,b)[20].

Beweis Folgerung aus dem Lemma von Bézout

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

Wir bezeichnen d:=ggT(a,b) mit d als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen a und b, falls gilt:

(1): da und db

und

(2): Für alle c mit ca und cb gilt cd[6].

Lemma der Teilbarkeit: (3)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt:

ab und aca(bs+ct) für beliebige s,t[21].

Voraussetzung

Seien a,b, , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null und V={ax+by|x,y}.

Zu zeigen

V={ax+by|x,y} besteht genau aus den Vielfachen von d=ggT(a,b).

Beweis

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt da und db.

Es gilt dann d(ax+by) nach (3) des Lemmas der Teilbarkeit für beliebige x,y.

Wir wissen nach dem Lemma von Bézout, dass d=ggT(a,b)=ax1+by1.

Wir können Vielfache von d also schreiben als md=m(ax1+by1)=a(mx1)+b(my1) mit m.

Somit ist aber auch jedes Vielfache von d als Linearkombination von a und b darstellbar und Element der Menge V={ax+by|x,y}[20]

Lemma 4

Seien a,b, wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

a und b sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn s,t existieren, sodass gilt:

1=as+bt[20].

Beweis Lemma 4

Hinrichtung

Wir zeigen zunächst, dass aus der Teilerfremdheit von a und b die Aussage 1=as+bt mit geeigneten s,t folgt.

Voraussetzung

Teilerfremdheit, Lemma von Bézout,

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit

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

heißen teilerfremd, wenn ggT(a,b)=1[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 a,b existieren s,t, sodass gilt: ggT(a,b)=sa+tb[15][17].
Größte gemeinsame Teiler
Seien a,b, wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen d:=ggT(a,b) mit d als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen a und b, falls gilt:

(1): da und db

und

(2): Für alle c mit ca und cb gilt cd[6].

Lemma der Teilbarkeit: (3)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt:

ab und aca(bs+ct) für beliebige s,t[14].

Lemma der Teilbarkeit: (2)
Seien a,b,c,d,m, dann gilt: a1a=±1[14].

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

Zu zeigen

Es existieren s,t, sodass gilt 1=as+bt.

Beweis

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

ggT(a,b)=1.

Benutzt man nun das Lemma von Bézout folgt:

Es existieren s,t mit ggT(a,b)=1=as+bt.

Rückrichtung

Nun zeigen wir die umgekehrte Richtung.

Voraussetzung

Sei 1=as+bt mit s,t.

Zu zeigen

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

Beweis

Sei nach Voraussetzung 1=as+bt mit s,t und d=ggT(a,b).

Da nach Definition des größten gemeinsamen Teilers da und db gilt, folgt nach (3) des Lemmas der Teilbarkeit

d(as+bt).

Nach Voraussetzung ist dies gerade

d1.

Da d positiv, folgt aus (2) des Lemmas der Teilbarkeit

d=1.

Nach der Definition teilerfremd folgt

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

Folgerung aus Lemma 4

Gilt ac und bc mit ggT(a,b)=1, dann folgt abc[20].

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

ganze Zahl k gibt, für die ak=b ist.

Wir schreiben ab[24][25].

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

a und b sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn s,t existieren,

sodass gilt: 1=as+bt[22].

Voraussetzung

ac und bc mit ggT(a,b)=1.

Zu zeigen

abc.

Beweis

Aus der Voraussetzung folgern wir nach der Definition der Teilbarkeit

ak1=c und bk2=c mit k1,k2 geeignet

bzw. zusammengefasst

c=ak1=bk2.

Wegen ggT(a,b)=1 gilt nach Lemma 4 des ggT

1=as+bt mit s,t

c=cas+cbt, durch Multiplikation mit c.

Nun können wir ak1=c bzw. bk2=c einsetzen

c=abk2s+bak1t

c=ab(k2s+k1t)

Dies ist nach Definition der Teilbarkeit

abc[26]

Lemma 5 (Lemma von Euklid)

Seien n und a,b mit nab und ist nun n 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 ggT und Teilbarkeit
Lemma von Euklid
Seien n und a,b mit nab und ist nun n teilerfremd zu einem der Faktoren,

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

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

heißen teilerfremd, wenn ggT(a,b)=1[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 ggT
Seien a,b, wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null.

a und b sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn s,t existieren,

sodass gilt: 1=as+bt[22].

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

ganze Zahl k gibt, für die ak=b ist.

Wir schreiben ab[24][25].

Aufgabe

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

Lösung
Voraussetzung

Seien n und a,b, nab und n teilerfremd zu einem der Faktoren ab

Zu zeigen

n teilt den anderen Faktor

Beweis

Wir nehmen an, dass a teilerfremd zu n. Folglich gilt ggT(a,n)=1.

Nach Lemma 4 des ggT gilt

1=ax+ny mit x,y

b=b(ax+ny)=bax+bny, durch Multiplikation mit b

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

Somit gilt auch n(bax+bny).

Wir haben jedoch gezeigt, dass b=bax+bny gilt und können folgern

nb[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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  17. 17,0 17,1 17,2 Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 47.
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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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  24. 24,0 24,1 Seite „Teilbarkeit“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 25. November 2019, 15:44 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Teilbarkeit&oldid=194364839 (Abgerufen: 12. Dezember 2019, 14:43 UTC; Formulierung verändert)
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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.