Difference between revisions of "Channel Coding/Extension Field"

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[[File:EN_KC_T_2_2_S1.png|right|frame|Übergang von  ${\rm GF}(2)$  auf   ${\rm GF}(2^2)$ |class=fit]]
 
[[File:EN_KC_T_2_2_S1.png|right|frame|Übergang von  ${\rm GF}(2)$  auf   ${\rm GF}(2^2)$ |class=fit]]
Welche Bedeutung hat aber nun das neue Element $\alpha$?
+
But what is the meaning of the new element $\alpha$?
*Das Polynom&nbsp; $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 $&nbsp; hat in&nbsp; ${\rm GF}(2) = \{0, \ 1\}$&nbsp; keine Nullstelle. Das bedeutet weiter, dass&nbsp; $\alpha$&nbsp; weder&nbsp; $0$&nbsp; noch&nbsp; $1$&nbsp; sein kann.<br>
+
*The polynomial&nbsp; $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 $&nbsp; has no zero in&nbsp; ${\rm GF}(2) = \{0, \ 1\}$&nbsp;. This further implies that&nbsp; $\alpha$&nbsp; can be neither&nbsp; $0$&nbsp; nor&nbsp; $1$&nbsp;.<br>
  
*Wäre&nbsp; $\alpha= 0$&nbsp; bzw.&nbsp; $\alpha= 1$, so wären zudem zwei der vier Mengenelemente&nbsp; $\{0,\ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$&nbsp; jeweils identisch: &nbsp; Entweder "$0$" und "$\alpha$" sowie "$1$" und "$1+\alpha$" oder "$1$" und "$\alpha$" sowie "$0$" und "$1+\alpha$".
+
*If&nbsp; $\alpha= 0$&nbsp; resp. &nbsp; $\alpha= 1$, then moreover two of the four set elements&nbsp; $\{0,\ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$&nbsp; would be identical respectively: &nbsp; Either "$0$" and "$\alpha$" as well as "$1$" and "$1+\alpha$" or "$1$" and "$\alpha$" as well as "$0$" and "$1+\alpha$".
  
*Vielmehr erhält der eindimensionale Körper&nbsp; ${\rm GF}(2)$&nbsp; durch die Einführung des Elementes&nbsp; $\alpha$&nbsp; eine zweite Dimension. Er wird also zum Galoisfeld&nbsp; ${\rm GF}(2^2)$&nbsp; erweitert, wie die nebenstehende Grafik zeigt.
+
*Much more the one-dimensional field&nbsp; ${\rm GF}(2)$&nbsp; gets a second dimension by the introduction of the element&nbsp; $\alpha$&nbsp;. It is thus extended to the Galois field&nbsp; ${\rm GF}(2^2)$&nbsp; as shown in the accompanying diagram.
  
*Das Element&nbsp; $\alpha$&nbsp; hat ähnliche Bedeutung wie die imaginäre Einheit&nbsp; ${\rm j}$, durch die man die Menge der reellen Zahlen unter der Nebenbedingung&nbsp; ${\rm j}^2 + 1 = 0$&nbsp; zur Menge der komplexen Zahlen erweitert.
+
*The element&nbsp; $\alpha$&nbsp; has similar meaning as the imaginary unit&nbsp; ${\rm j}$, by which one extends the set of real numbers under the constraint&nbsp; ${\rm j}^2 + 1 = 0$&nbsp; to the set of complex numbers.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Übliche Darstellung des binären Erweiterungskörpers}\ {\rm GF}(2^2)\text{:}$
+
$\text{Common representation of the binary extension field}\ {\rm GF}(2^2)\text{:}$
 
   
 
   
Aufgrund der Identität&nbsp; $\alpha^2 = 1 + \alpha$, die aus der Nebenbedingung &nbsp;$p(\alpha) = 0$&nbsp; folgt, kann man in gleicher Weise&nbsp; ${\rm GF}(2^2) = \{0,\ 1,\ \alpha,\ \alpha^2\}$&nbsp; schreiben, wobei nun folgende Operationstabellen gelten:
+
Due to the identity&nbsp; $\alpha^2 = 1 + \alpha$, which follows from the constraint &nbsp;$p(\alpha) = 0$&nbsp;, one can write in the same way&nbsp; ${\rm GF}(2^2) = \{0,\ 1,\ \alpha,\ \alpha^2\}$&nbsp; where now the following operation tables hold:
  
 
:$$ \begin{array}{c}  
 
:$$ \begin{array}{c}  
Line 184: Line 184:
  
  
== Polynome über einem endlichen Körper ==
+
== Polynomials over a finite field ==
 
<br>
 
<br>
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Ein&nbsp; '''Polynom'''&nbsp; in einem endlichen Körper&nbsp; ${\rm GF}(P)$, wobei&nbsp; $P$&nbsp; eine Primzahl angibt, hat folgende Form:
+
$\text{Definition:}$&nbsp; A&nbsp; '''polynomial'''&nbsp; in a finite field&nbsp; ${\rm GF}(P)$, where&nbsp; $P$&nbsp; denotes a prime number, has the following form:
  
 
::<math>a(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i}  = a_0 + a_1 \cdot x + a_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + a_m \cdot x^{m}
 
::<math>a(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i}  = a_0 + a_1 \cdot x + a_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + a_m \cdot x^{m}
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
Anzumerken ist:
+
To note:
*Alle Koeffizienten&nbsp; $a_i $&nbsp; sind Elemente des Körpers: &nbsp; $a_i \in {\rm GF}(P)$.<br>
+
*All coefficients&nbsp; $a_i $&nbsp; are elements of the field: &nbsp; $a_i \in {\rm GF}(P)$.<br>
  
*Ist der führende Koeffizient&nbsp; $a_m &ne; 0$, so gibt&nbsp; $m$ den&nbsp; '''Grad'''&nbsp; des Polynoms an.}}<br>
+
*If the leading coefficient&nbsp; $a_m &ne; 0$, then&nbsp; $m$ indicates the&nbsp; '''degree''''&nbsp; of the polynomial.}}<br>
  
Betrachten wir ein dazu zweites Polynom mit Grad&nbsp; $M$,
+
Let us consider a second polynomial with degree $M$,
  
 
::<math>b(x) = \sum_{i = 0}^{M} b_i \cdot x^{i}  = b_0 + b_1 \cdot x + b_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + b_M \cdot x^{M}
 
::<math>b(x) = \sum_{i = 0}^{M} b_i \cdot x^{i}  = b_0 + b_1 \cdot x + b_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + b_M \cdot x^{M}
 
\hspace{0.05cm},</math>
 
\hspace{0.05cm},</math>
  
so erhält man für die Summe (bzw. Differenz) und das Produkt jeweils in&nbsp; ${\rm GF}(P)$:
+
then we get for the sum (resp. difference) and the product respectively in&nbsp; ${\rm GF}(P)$:
  
 
::<math>a(x) \pm b(x)  = \sum_{i = 0}^{{\rm max}\hspace{0.05cm}(m, \hspace{0.05cm}M)} \hspace{0.15cm}(a_i \pm b_i) \cdot x^{i} \hspace{0.05cm},</math>   
 
::<math>a(x) \pm b(x)  = \sum_{i = 0}^{{\rm max}\hspace{0.05cm}(m, \hspace{0.05cm}M)} \hspace{0.15cm}(a_i \pm b_i) \cdot x^{i} \hspace{0.05cm},</math>   
Line 209: Line 209:
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Es gelte&nbsp; $a(x) = x^3 + x + 1$&nbsp; &nbsp;und&nbsp; $b(x) = x^2 + x + 1$.  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; &nbsp; $a(x) = x^3 + x + 1$&nbsp; &nbsp;and&nbsp; $b(x) = x^2 + x + 1$ are valid.  
  
Im binären Galoisfeld&nbsp; &nbsp; &#8658; &nbsp; ${\rm GF}(2)$&nbsp; ergibt sich nach den obigen Gleichungen für die Summe, die Differenz und das Produkt der beiden Polynome:
+
In the binary Galois field&nbsp; &nbsp; &#8658; &nbsp; ${\rm GF}(2)$&nbsp; results according to the above equations for the sum, difference and product of the two polynomials:
  
 
::<math>s(x)  = a(x) + b(x) = x^3 + x^2 \hspace{0.05cm}, </math>  
 
::<math>s(x)  = a(x) + b(x) = x^3 + x^2 \hspace{0.05cm}, </math>  
Line 219: Line 219:
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
  
Mit&nbsp; $a_0 =  a_1 = a_3 = b_0 =  b_1 =b_2 = 1$ &nbsp; und &nbsp;  $a_2 =  a_4 = a_5 = b_3 =  b_4 =b_5 = 0$  &nbsp;erhält man:
+
With&nbsp; $a_0 =  a_1 = a_3 = b_0 =  b_1 =b_2 = 1$ &nbsp; und &nbsp;  $a_2 =  a_4 = a_5 = b_3 =  b_4 =b_5 = 0$  &nbsp;we obtain:
  
 
::<math>c_0 = a_0 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},</math>   
 
::<math>c_0 = a_0 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},</math>   
Line 233: Line 233:
 
::<math>\Rightarrow  \hspace{0.3cm} c(x) = x^5 + x^4 +1 \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>\Rightarrow  \hspace{0.3cm} c(x) = x^5 + x^4 +1 \hspace{0.05cm}.</math>
  
Im Galoisfeld&nbsp; ${\rm GF}(3)$&nbsp; erhält man aufgrund der Modulo&ndash;3&ndash;Operationen andere Ergebnisse:
+
In the Galois field&nbsp; ${\rm GF}(3)$&nbsp; other results are obtained due to the modulo 3 operations:
  
 
::<math>s(x)  = (x^3 + x + 1) + (x^2 + x + 1) = x^3 + x^2 + 2x + 2\hspace{0.05cm},</math>   
 
::<math>s(x)  = (x^3 + x + 1) + (x^2 + x + 1) = x^3 + x^2 + 2x + 2\hspace{0.05cm},</math>   
Line 240: Line 240:
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Ein Polynom&nbsp; $a(x)$&nbsp; bezeichnet man als&nbsp; '''reduzibel'''&nbsp; (englisch: &nbsp;<i>reducible</i>), wenn es als Produkt zweier Polynome&nbsp; $p(x)$&nbsp; und&nbsp; $q(x)$&nbsp; mit jeweils niedrigerem Grad dargestellt werden kann:
+
$\text{Definition:}$&nbsp; A polynomial&nbsp; $a(x)$&nbsp; is called&nbsp; '''reducible''' if it can be represented as the product of two polynomials&nbsp; $p(x)$&nbsp; and&nbsp; $q(x)$&nbsp; each of lower degree:
  
 
::<math>a(x) = p(x) \cdot q(x)
 
::<math>a(x) = p(x) \cdot q(x)
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
  
Ist diese Faktorisierung nicht möglich, das heißt, wenn
+
If this factorization is not possible, that is
  
 
::<math>a(x) = p(x) \cdot q(x) + r(x)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} r(x) \ne 0</math>
 
::<math>a(x) = p(x) \cdot q(x) + r(x)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} r(x) \ne 0</math>
  
gilt, so spricht man von einem&nbsp; '''irreduziblen'''&nbsp; (englisch: &nbsp;<i>irreducible</i> oder <i>prime</i>) Polynom.}}<br>
+
holds, then it is called an&nbsp; '''irreducible''' or '''prime''' polynomial}}<br>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Es gelte&nbsp; $b(x) = x^3 + x + 1$,&nbsp; &nbsp; $p_1(x) = x^2 + x + 1$ &nbsp; und &nbsp; $p_2(x) = x^2 + 1$.
 
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Es gelte&nbsp; $b(x) = x^3 + x + 1$,&nbsp; &nbsp; $p_1(x) = x^2 + x + 1$ &nbsp; und &nbsp; $p_2(x) = x^2 + 1$.
  
Die Grafik verdeutlicht links die Modulo&ndash;2&ndash;Multiplikation&nbsp; $a(x)= b(x) \cdot p_1(x)$. Das Ergebnis ist &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$.<br>
+
The graph on the left illustrates the modulo 2 multiplication&nbsp; $a(x)= b(x) \cdot p_1(x)$. The result is &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$.<br>
  
[[File:EN_KC_T_2_2_S2.png|center|frame|Beispiel für Polynom–Multiplikation und –Division|class=fit]]
+
[[File:EN_KC_T_2_2_S2.png|center|frame|Example of polynomial multiplication and division|class=fit]]
  
Im rechten Teil der obigen Grafik ist die Modulo&ndash;2&ndash;Division &nbsp;$q(x)= a(x)/ p_2(x)$&nbsp; mit dem Ergebnis &nbsp;$q(x) = x^3 + x^2 + x + 1$&nbsp; dargestellt. Es verbleibt der Rest &nbsp;$r(x) = x$. Allein nach dieser Rechnung könnte &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; durchaus ein irreduzibles Polynom sein.<br>
+
In the right part of the above graph, the modulo 2 division &nbsp;$q(x)= a(x)/ p_2(x)$&nbsp; is shown with the result &nbsp;$q(x) = x^3 + x^2 + x + 1$&nbsp;. This leaves the remainder &nbsp;$r(x) = x$. According to this calculation alone &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; could well be an irreducible polynomial.<br>
  
Der Nachweis, dass das Polynom &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; tatsächlich irreduzibel ist, wäre allerdings erst dann erbracht, wenn &nbsp;$a(x)/p(x)$&nbsp; für alle
+
However, the proof that the polynomial &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; is indeed irreducible would only be given if &nbsp;$a(x)/p(x)$&nbsp; yields a remainder for all
  
::<math>p(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i}  = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2  + a_1 \cdot x +  a_0 \hspace{0.05cm}</math>
+
::<math>p(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i}  = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2  + a_1 \cdot x +  a_0 \hspace{0.05cm}.</math>
  
einen Rest &nbsp;$r(x)  &ne; 0$&nbsp; liefert. Dies würde im vorliegenden Beispiel (nahezu)&nbsp; $2^5 = 32$&nbsp; Divisionen erfordern.<br>
+
This would require (almost)&nbsp; $2^5 = 32$&nbsp; divisions in the present example.<br>
  
Aufgrund unserer linken Berechnung können wir hier sofort erkennen, dass  &nbsp;$a(x)$&nbsp; mit Sicherheit kein irreduzibles Polynom ist, da zum Beispiel &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; dividiert durch &nbsp;$p_1(x) = x^2 + x + 1$&nbsp; das Polynom &nbsp;$b(x) = x^3 + x + 1$&nbsp; ohne Rest ergibt.}}<br>
+
Based on our left-hand calculation, we can immediately see here that &nbsp;$a(x)$&nbsp; is certainly not an irreducible polynomial, since, for example, &nbsp;$a(x) = x^5 + x^4 + 1$&nbsp; divided by &nbsp;$p_1(x) = x^2 + x + 1$&nbsp; yields the polynomial &nbsp;$b(x) = x^3 + x + 1$&nbsp; with no remainder.}}<br>
  
 
== Verallgemeinerte Definition eines Erweiterungskörpers ==
 
== Verallgemeinerte Definition eines Erweiterungskörpers ==

Revision as of 23:27, 30 August 2022

GF(22) – Example of extension fields


In the section  $\text{"Example 2"}$  in the chapter "Some Basics of Algebra" it has already been shown that the  finite set of numbers  $\{0, 1, 2, 3\}$   ⇒   $q = 4$  does not satisfy the properties of a Galois field  $\rm GF(4)$  . Rather, the following tables result for the addition  modulo 4 and the multiplication  modulo 4:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it q} = 4\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition: } \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 &2 & 3 \\ \hline 0 & 0 & 1 &2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 &3 & 0 \\ 2 & 2 & 3 &0 & 1 \\ 3 & 3 & 0 &1 & 2 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplication: } \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 &2 & 3 \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 2 & 3 \\ 2 & 0 & 2 & 0 & 2 \\ 3 & 0 & 3 & 2 & 1 \\ \end{array} \right] . $$


For  $z_i = 2$  there is no multiplicative inverse  ${\rm Inv_M}(z_i)$. This can be seen from the fact that no single element  $z_i ∈ \{0, 1, 2, 3\}$  satisfies the condition  $2 · z_i = 1$ .

On the other hand, if we start from the binary Galois field  ${\rm GF}(2) = \{0, 1\}$  and extend it according to the equation

\[{\rm GF}(2^2)= \big\{k_0+k_1\cdot \alpha \ \big | \ k_0, k_1\in{\rm GF}(2) = \{ 0, 1\} \big \}\hspace{0.05cm}, \]

then the likewise  finite set'  $\{0, 1, \alpha, 1 + \alpha\}$   ⇒   order is further  $q=4$.


Performing the arithmetic operations modulo  $p(\alpha) = \alpha^2 + \alpha + 1$  we get the following result:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it p}(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1\!+\!\alpha & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$

In this regard, it should be noted:

  • The neutral elements of addition or multiplication are still  $N_{\rm A} = 0$  and  $N_{\rm M} = 1$.
  • Since there is no difference between addition and subtraction in modulo arithmetic  $\alpha + \alpha = \alpha - \alpha = 0$.
  • For all  $z_i$  thus holds:   The additive inverse of  $z_i$  is the element  $z_i$  itself.
  • The entries in the multiplication table are obtained according to the following calculations:
\[\big [ \alpha \cdot (1+\alpha) \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 + \alpha) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= 1\hspace{0.05cm},\]
\[\big [ \alpha \cdot \alpha \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 ) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= 1+\alpha\hspace{0.05cm},\]
\[\big [ (1+\alpha) \cdot (1+\alpha) \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 + 1) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= \alpha\hspace{0.05cm}.\]
  • Thus, the multiplicative inverses exist for all elements except the zero element:
\[{\rm Inv_M}( 1) = 1 \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Inv_M}(\alpha) = 1+\alpha \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Inv_M}(1+\alpha) = \alpha \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Intermediate result:}$ 

  • The set  $\{0, \ 1, \ \alpha, \ 1 + \alpha\}$  together with the two operations addition  and multiplication  modulo  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1$  represents a Galois field. The order is  $q = 4$.
  • This Galois field, denoted by  $\rm GF(2^2) = GF(4)$  satisfies all the requirements mentioned in thr  "previous chapter" .
  • In contrast to the Galois field  $\rm GF(3) = \{0, \ 1, \ 2\}$  with the property that  $q = 3$  is a prime number, $\rm GF(2^2)$  is called an extension field.


Reducible and irreducible polynomials


The polynomial  $p(\alpha)$  and thus the equation of determination  $p(\alpha) = 0$  must not be given arbitrarily. The polynomial used on the last page 

$$p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1$$

is suitable. Now we try another polynomial, namely  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1$.

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it p}(\alpha)= \alpha^2 + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1 &1\!+\!\alpha \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & 0 \end{array} \right] .$$

The addition table is identical in both cases and also the multiplication tables differ only by the four entries in the two bottom rows and the two last columns:

  • From  $p(\alpha) = 0$  now follows for the product  $\alpha \cdot \alpha = 1$  and the product  $(1 +\alpha) \cdot (1 +\alpha) $  gives the zero element. The mixed product is  $\alpha \cdot (1 +\alpha) = 1 +\alpha $.
  • In the last row of the multiplication table and also in the last column there is now no "$1$"   ⇒   Concerning the condition  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1= 0$  consequently the multiplicative inverse to  $1 +\alpha$  does not exist.
  • But thus the finite set  $\{0, \ 1, \ \alpha, \ 1 + \alpha\}$ together with arithmetic operations modulo  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1$  does not satisfy the conditions of an extension fields either  $\rm GF(2^2) $.

$\text{Let us summarize:}$ 

From the binary Galois field  $\rm GF(2) = \{0, \ 1\}$  an extension field  $\rm GF(2^2)$  can be formulated with the aid of a polynomial of degree  $m = 2$  with binary coefficients:

\[p(x) = x^2 + k_1 \cdot x + k_0 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.45cm}k_0\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm}k_1 \in \{0, 1\} \hspace{0.05cm}.\]

  Note:   The renaming of the variable  $\alpha$  to  $x$  has only formal meaning with regard to later pages.

  • In the present case there is only one suitable polynomial  $p_1(x)= x^2 + x + 1$. All other possible polynomials of degree  $m = 2$, namely,
\[p_2(x) = x^2 + 1 \hspace{0.06cm} = (x+1) \cdot (x+1)\hspace{0.05cm},\]
\[p_3(x) =x^2 \hspace{0.76cm} = x \cdot x \hspace{0.05cm},\]
\[p_4(x) = x^2 + x = (x+1) \cdot x\hspace{0.05cm}, \]
can be factorized and do not yield extension fields.
  • The polynomials  $p_2(x)$,  $p_3(x)$  and  $p_4(x)$  are called reducible.
  • The conclusion is obvious that only  irreducible polynomials  such as  $p_1(x)$  are suitable for an extension fields

.


Interpretation of the new element "alpha


We further consider the field  ${\rm GF}(2^2) = \{0, \ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$  corresponding to the following two operational tables, based on the constraint  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 = 0$  (irreducible ploynomial):

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm} p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1\!+\!\alpha & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$


Übergang von  ${\rm GF}(2)$  auf  ${\rm GF}(2^2)$

But what is the meaning of the new element $\alpha$?

  • The polynomial  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 $  has no zero in  ${\rm GF}(2) = \{0, \ 1\}$ . This further implies that  $\alpha$  can be neither  $0$  nor  $1$ .
  • If  $\alpha= 0$  resp.   $\alpha= 1$, then moreover two of the four set elements  $\{0,\ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$  would be identical respectively:   Either "$0$" and "$\alpha$" as well as "$1$" and "$1+\alpha$" or "$1$" and "$\alpha$" as well as "$0$" and "$1+\alpha$".
  • Much more the one-dimensional field  ${\rm GF}(2)$  gets a second dimension by the introduction of the element  $\alpha$ . It is thus extended to the Galois field  ${\rm GF}(2^2)$  as shown in the accompanying diagram.
  • The element  $\alpha$  has similar meaning as the imaginary unit  ${\rm j}$, by which one extends the set of real numbers under the constraint  ${\rm j}^2 + 1 = 0$  to the set of complex numbers.


$\text{Common representation of the binary extension field}\ {\rm GF}(2^2)\text{:}$

Due to the identity  $\alpha^2 = 1 + \alpha$, which follows from the constraint  $p(\alpha) = 0$ , one can write in the same way  ${\rm GF}(2^2) = \{0,\ 1,\ \alpha,\ \alpha^2\}$  where now the following operation tables hold:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm} p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c | cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ 1 & 1 & 0 & \alpha^2 & \alpha \\ \alpha & \alpha & \alpha^2 & 0 & 1 \\ \alpha^2 & \alpha^2 & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c | cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \alpha & 0 & \alpha &\alpha^2 & 1 \\ \alpha^2 & 0 & \alpha^2 & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$


Polynomials over a finite field


$\text{Definition:}$  A  polynomial  in a finite field  ${\rm GF}(P)$, where  $P$  denotes a prime number, has the following form:

\[a(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i} = a_0 + a_1 \cdot x + a_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + a_m \cdot x^{m} \hspace{0.05cm}.\]

To note:

  • All coefficients  $a_i $  are elements of the field:   $a_i \in {\rm GF}(P)$.
  • If the leading coefficient  $a_m ≠ 0$, then  $m$ indicates the  degree'  of the polynomial.


Let us consider a second polynomial with degree $M$,

\[b(x) = \sum_{i = 0}^{M} b_i \cdot x^{i} = b_0 + b_1 \cdot x + b_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + b_M \cdot x^{M} \hspace{0.05cm},\]

then we get for the sum (resp. difference) and the product respectively in  ${\rm GF}(P)$:

\[a(x) \pm b(x) = \sum_{i = 0}^{{\rm max}\hspace{0.05cm}(m, \hspace{0.05cm}M)} \hspace{0.15cm}(a_i \pm b_i) \cdot x^{i} \hspace{0.05cm},\]
\[a(x) \cdot b(x) = \sum_{i = 0}^{m + M} \hspace{0.15cm}c_i \cdot x^{i}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} c_i = \sum_{j = 0}^{i}\hspace{0.15cm}a_j \cdot b_{i-j} \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Example 1:}$    $a(x) = x^3 + x + 1$   and  $b(x) = x^2 + x + 1$ are valid.

In the binary Galois field    ⇒   ${\rm GF}(2)$  results according to the above equations for the sum, difference and product of the two polynomials:

\[s(x) = a(x) + b(x) = x^3 + x^2 \hspace{0.05cm}, \]
\[d(x) = a(x) - b(x) = x^3 + x^2 = s(x)\hspace{0.05cm},\]
\[c(x) = a(x) \cdot b(x) =\sum_{i = 0}^{3 + 2} \hspace{0.15cm}c_i \cdot x^{i}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} c_i = \sum_{j = 0}^{i}\hspace{0.15cm}a_j \cdot b_{i-j} \hspace{0.05cm}.\]

With  $a_0 = a_1 = a_3 = b_0 = b_1 =b_2 = 1$   und   $a_2 = a_4 = a_5 = b_3 = b_4 =b_5 = 0$  we obtain:

\[c_0 = a_0 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},\]
\[c_1 = a_0 \cdot b_1 + a_1 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]
\[c_2 =a_0 \cdot b_2 + a_1 \cdot b_1 + a_2 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]
\[c_3 = a_0 \cdot b_3 + a_1 \cdot b_2 + a_2 \cdot b_1 + a_3 \cdot b_0 = 1 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]
\[c_4=a_0 \cdot b_4 + a_1 \cdot b_3 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}a_4 \cdot b_0 =1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},\]
\[c_5 = a_0 \cdot b_5 + a_1 \cdot b_4 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} a_5 \cdot b_0 =1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 0 \cdot 1= 1 \]
\[\Rightarrow \hspace{0.3cm} c(x) = x^5 + x^4 +1 \hspace{0.05cm}.\]

In the Galois field  ${\rm GF}(3)$  other results are obtained due to the modulo 3 operations:

\[s(x) = (x^3 + x + 1) + (x^2 + x + 1) = x^3 + x^2 + 2x + 2\hspace{0.05cm},\]
\[d(x) = (x^3 + x + 1) - (x^2 + x + 1) = x^3 + 2x^2 \hspace{0.05cm},\]
\[c(x) = (x^3 + x + 1) \cdot (x^2 + x + 1) = x^5 + x^4 + 2x^3 + 2x^2 + 2x +1\hspace{0.05cm}.\]


$\text{Definition:}$  A polynomial  $a(x)$  is called  reducible if it can be represented as the product of two polynomials  $p(x)$  and  $q(x)$  each of lower degree:

\[a(x) = p(x) \cdot q(x) \hspace{0.05cm}.\]

If this factorization is not possible, that is

\[a(x) = p(x) \cdot q(x) + r(x)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} r(x) \ne 0\]

holds, then it is called an  irreducible or prime polynomial


$\text{Beispiel 2:}$  Es gelte  $b(x) = x^3 + x + 1$,    $p_1(x) = x^2 + x + 1$   und   $p_2(x) = x^2 + 1$.

The graph on the left illustrates the modulo 2 multiplication  $a(x)= b(x) \cdot p_1(x)$. The result is  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$.

Example of polynomial multiplication and division

In the right part of the above graph, the modulo 2 division  $q(x)= a(x)/ p_2(x)$  is shown with the result  $q(x) = x^3 + x^2 + x + 1$ . This leaves the remainder  $r(x) = x$. According to this calculation alone  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  could well be an irreducible polynomial.

However, the proof that the polynomial  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  is indeed irreducible would only be given if  $a(x)/p(x)$  yields a remainder for all

\[p(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i} = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2 + a_1 \cdot x + a_0 \hspace{0.05cm}.\]

This would require (almost)  $2^5 = 32$  divisions in the present example.

Based on our left-hand calculation, we can immediately see here that  $a(x)$  is certainly not an irreducible polynomial, since, for example,  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  divided by  $p_1(x) = x^2 + x + 1$  yields the polynomial  $b(x) = x^3 + x + 1$  with no remainder.


Verallgemeinerte Definition eines Erweiterungskörpers


Wir gehen von folgenden Voraussetzungen aus:

  • einem Galoisfeld  ${\rm GF}(P)$, wobei  $P$  eine Primzahl angibt,
  • einem irreduziblen Polynom  $p(x)$  über  ${\rm GF}(P)$  vom Grad  $m$:
\[p(x) = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2 + a_1 \cdot x + a_0 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} a_i \in {\rm G}(P)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}a_m \ne 0\hspace{0.05cm}. \]

Mit den genannten Voraussetzungen gilt allgemein:

$\text{Definition:}$  Es sei  $P$  eine Primzahl, $m$  ganzzahlig,  $p(x)$  ein irreduzibles Polynom vom Grad  $m$  und es gelte  $p(\alpha) = 0$.

Ein  Erweiterungskörper  lässt sich dann wie folgt beschreiben.

\[{\rm GF}(P^m)= \Big\{ k_{m-1} \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.02cm}\alpha^{m-1} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}k_1 \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.02cm} \alpha \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} k_0\hspace{0.05cm} \Big{\vert}\hspace{0.02cm} \ k_i\in{\rm GF}(P) = \{ 0, 1, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, P-1\}\Big \}.\]
  • Die Addition und Multiplikation in diesem Erweiterungskörper entspricht dann der Polynom–Addition und Polynom–Multiplikation modulo  $p(\alpha)$.
  • Ein Galoisfeld  ${\rm GF}(q)$  mit  $q$  Elementen lässt sich also immer dann angeben, wenn die Elementenanzahl in der Form  $q = P^m$  geschrieben werden kann
    $(P$  kennzeichnet eine Primzahl, $m$  sei ganzzahlig$)$.


Mögliche Galoisfelder  ${\rm GF}(q)$  für  $q ≤ 64$

Die Grafik zeigt, für welche  $q$–Werte sich jeweils ein Galoisfeld konstruieren lässt. Für die schraffiert eingezeichneten Werte ist kein endlicher Körper angebbar.

Weiter ist anzumerken:

  • Die gelb hinterlegten Positionen  $q=P$   ⇒   $m = 1$  markieren Zahlenmengen  $\{0,\ 1,\hspace{0.05cm}\text{ ...} \hspace{0.05cm},\ q- 1\}$  mit Galoiseigenschaften, siehe Seite  Definition eines Galoisfeldes.
  • Die anderen Hinterlegungsfarben markieren Erweiterungskörper mit  $q=P^m$,   $m ≥ 2$. Für  $q ≤ 64$  basieren diese auf den Primzahlen  $2$,  $3$,  $5$  und  $7$.
  • Mit roter Schrift hervorgehoben sind binäre Körper   ⇒   $q=2^m$,   $m ≥ 1$, die auf der nächsten Seite noch genauer betrachtet werden. Alle anderen Erweiterungskörper sind blau beschriftet.


Binäre Erweiterungskörper – Primitive Polynome


Irreduzible und primitive Polynome

Im Folgenden betrachten wir binäre Erweiterungskörper mit

\[q = 2^m \hspace{0.15cm}(m \ge 2) \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} q = 4,\ 8,\ 16, 32,\ 64,\ \text{...}\]

Elementen.

  • In der Tabelle sind für  $2 ≤ m ≤ 6$  alle irreduziblen Polynome des Galoisfeldes  ${\rm GF}(2)$  angegeben.
  • Die Polynome in Spalte 2 und 3 sind nicht nur irreduzibel, sondern zusätzlich auch primitiv.
  • Primitive Polynome liefern auch die Grundlage für die  Realisierung von Pseudo–Noise–Generatoren.


Bevor wir uns der Definition eines primitiven Polynoms zuwenden, sollen zunächst die Besonderheiten "primitiver Elemente" am Beispiel von

\[{\rm GF}(q) = \{\hspace{0.05cm}z_0 = 0,\hspace{0.1cm} z_1 = 1,\hspace{0.05cm} \text{...}\hspace{0.05cm} , \hspace{0.05cm}z_{q-1}\}\]

genannt werden. Das Element  $z_i = \beta$  wird dann als  primitiv  bezeichnet,

  • wenn die Potenz  $\beta^{\hspace{0.05cm}i}$  modulo  $q$  zum ersten Mal für  $i = q-1$  zum Ergebnis "$1$" führt, so dass
  • $\beta^{\hspace{0.05cm}i}$  für  $1 ≤ i ≤ q- 1$  genau die Elemente  $z_1$, ... , $z_{q-1}$  liefert, also alle Elemente von  ${\rm GF}(q)$  mit Ausnahme des Nullelementes  $z_0 = 0$.


$\text{Beispiel 3:}$  Von der Zahlenmenge $Z_5 = \{0,\ 1,\ 2,\ 3,\ 4\}$ sind "$2$" und "$3$" primitive Elemente wegen

\[2^1 \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^2 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^3 = 8 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 3\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^4 = 16 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm},\]
\[3^1 \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 3\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^2 = 9\hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^3 = 27 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^4 = 81 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\]
  • Dagegen ist "$4$" kein primitives Element, weil bereits" $4^2 = 1$" ist:
\[4^1 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^2 = 16 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^3 = 64 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^4 = 256 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm}.\]


$\text{Definition:}$  Ein irreduzibles Polynom bezeichnet man gleichzeitig als ein  primitives Polynom, wenn die Wurzel  $\alpha$  bezüglich des Polynoms  $p(x)$  ein primitives Element von  ${\rm GF}(q)$  ist. Dann gilt

\[{\rm GF}(q) = \{\hspace{0.1cm}\alpha^{-\infty} = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm} \alpha^{0} = 1,\hspace{0.05cm}\hspace{0.2cm} \alpha\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha^{2},\hspace{0.2cm} \text{...} \hspace{0.1cm} , \hspace{0.2cm}\alpha^{q-2}\hspace{0.1cm}\}\hspace{0.05cm}. \]


  • Alle in Spalte 2 der obigen Tabelle angegebenen Polynome sind sowohl irreduzibel als auch primitiv.
  • Ist  $p_1(x)$  ein primitives Polynom, so ist auch das dazu reziproke Polynom  $p_2 (x) = x^m \cdot p_1(x^{-1})$  primitiv.
  • Alle Polynome in Spalte 3 sind reziprok zum Polynom in Spalte 2. Beispielsweise gilt für  $m = 3$:
\[p_1(x) = x^3 + x + 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}p_2(x) = x^3 \cdot \big[x^{-3} + x^{-1} + 1 \big]= x^3 + x^2 + 1 \hspace{0.05cm}.\]
  • Die irreduziblen Polynome der Spalte 4 sind dagegen nicht primitiv; sie spielen nur eine untergeordnete Rolle zur Beschreibung von Fehlerkorrekturverfahren.


$\text{Beispiel 4:}$  Zur Verdeutlichung dieser Aussagen betrachten wir beispielhaft

  • das Galoisfeld  $\rm GF(2^3) = GF(8)$, sowie
  • das Polynom  $p(x) = x^3 + x + 1$.

Aus der Bedingung  $p(\alpha) = 0$  erhält man in  $\rm GF(2^3)$  weiter:

\[\alpha^3 + \alpha + 1 = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha^3 = \alpha + 1 \hspace{0.05cm},\]

und damit für die Potenzen  $\alpha^{i}$  der Wurzel für  $i ≥ 4$:

\[\alpha^4 = \alpha \cdot \alpha^3 = \alpha \cdot (\alpha + 1) = \alpha^2 + \alpha \hspace{0.05cm},\]
\[\alpha^5 = \alpha^2 \cdot \alpha^3 = \alpha^2 \cdot (\alpha + 1) = \alpha^3 + \alpha^2 = \alpha^2 + \alpha + 1 \hspace{0.05cm},\]
\[\alpha^6 = \alpha^3 \cdot \alpha^3 = (\alpha + 1) \cdot (\alpha + 1) = \alpha^2 + \alpha + \alpha + 1= \alpha^2 + 1 \hspace{0.05cm},\]
\[\alpha^7 = \alpha^4 \cdot \alpha^3 = (\alpha^2 + \alpha) \cdot (\alpha + 1) = \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha^2 + \alpha = \alpha + 1 + \alpha = 1 = \alpha^0 \hspace{0.05cm}.\]


$\text{Beispiel 5:}$  Die Elemente  $z_0$,  $z_1$, ... ,  $z_7$  des Galoisfeldes  $\rm GF(2^3)$  lassen sich entsprechend der nebenstehenden Tabelle wie folgt darstellen:

Elemente von  $\rm GF(2^3)$  in drei verschiedenen Darstellungen
  • als Potenzen von  $\alpha$   ⇒   Exponentendarstellung,
  • als Polynome der Form  $k_2 \cdot \alpha^2 + k_1 \cdot \alpha + k_0$  mit binären Koeffizienten  $k_2$,  $k_1$,  $k_0$   ⇒   Polynomdarstellung,
  • als Vektoren der Koeffizienten  $(k_2, \ k_1, \ k_0)$   ⇒   Koeffizientendarstellung.

Für Addition (oder Subtraktion) zweier Elemente eignen sich Polynom– und Vektordarstellung gleichermaßen, wobei die Komponenten  $\text{modulo 2}$  zu addieren sind, zum Beispiel:

\[z_5 + z_7 =(\alpha^2 + \alpha) + (\alpha^2 + 1) = \alpha + 1 = \alpha^3 = z_4 \hspace{0.05cm},\]
\[{\rm oder}\hspace{0.15cm} z_5 + z_7 =(110) + (101) = (011) = z_4 \hspace{0.05cm},\]
\[\hspace{0.15cm} z_1 + z_2 + z_3 =(001) + (010) + (100)= (111) = z_6 \hspace{0.05cm}.\]

Für Multiplikationen ist die Exponentendarstellung gut geeignet, wie folgende Beispiele zeigen:

$\rm GF(2^3)$  in 3D–Darstellung
\[z_3 \cdot z_4 =\alpha^2 \cdot \alpha^3 = \alpha^{2+3}= \alpha^{5} = z_6 \hspace{0.05cm},\]
\[z_0 \cdot z_5 =\alpha^{-\infty} \cdot \alpha^4 = \alpha^{-\infty} = z_0 \hspace{0.05cm},\]
\[z_5 \cdot z_7 = \alpha^4 \cdot \alpha^6 = \alpha^{10}= \alpha^{7} \cdot \alpha^{3} = 1 \cdot \alpha^{3}= z_4 \hspace{0.05cm}.\]

Man erkennt, dass sich die Exponenten modulo  $q-1$  ergeben   $($im Beispiel modulo  $7)$.

Die untere Grafik zeigt den endlichen Erweiterungskörper  $\rm GF(2^3)$  in einer 3D–Darstellung:

  • Die Achsen sind mit  $\alpha^0 =1$,  $\alpha^1$  und  $\alpha^2$  bezeichnet.
  • Die  $2^3 = 8$  Punkte im 3D–Raum sind mit den Koeffizientenvektoren beschriftet.
  • Die Zuordnung der Koeffizienten  $k_2$,  $k_1$,  $k_0$  zu den Achsen ist farblich deutlich gemacht.


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 2.3: Reduzible und irreduzible Polynome

Aufgabe 2.3Z: Polynomdivision

Aufgabe 2.4: $\rm GF(2^2)$–Darstellungsformen

Aufgabe 2.4Z: Endliche und unendliche Körper

Aufgabe 2.5: Drei Varianten von $\rm GF(2^4)$

Aufgabe 2.5Z: Einige Berechnungen über $\rm GF(2^3)$

Aufgabe 2.6: ${\rm GF}(P^m)$. Welches $P$, welches $m$?