Aufgabe 2.5: Drei Varianten von GF(2 hoch 4)

From LNTwww

Potenzen zweier verschiedener Erweiterungskörper über  $\rm GF(2^4)$ – eine nicht ganz vollständige Liste

Irreduzible und primitive Polynome haben große Bedeutung für die Beschreibung von Verfahren zur Fehlerkorrektur. In [LN97] findet man zum Beispiel die folgenden irreduziblen Polynome vom Grad  $m = 4$:

  • $p_1(x) = x^4 + x +1$,
  • $p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$,
  • $p_3(x) = x^4 + x^3 + x^2 + x + 1$.


Die beiden ersten Polynome sind auch primitiv. Dies erkennt man aus den Potenztabellen, die rechts angegeben sind – die untere Tabelle  $\rm (B)$  allerdings nicht ganz vollständig.

  • Aus beiden Tabellen erkennt man, dass alle Potenzen  $\alpha^i$  für  $1 ≤ i ≤ 14$  in der Polynomdarstellung ungleich  $1$  sind. Erst für  $i = 15$  ergibt sich
$$\alpha^{15} = \alpha^{0} = 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}{\rm Koeffizientenvektor\hspace{0.15cm} 0001}\hspace{0.05cm} .$$
  • Nicht angegeben wird, ob sich die Tabellen  $\rm (A)$  und  $\rm (B)$  aus dem Polynom  $p_1(x) = x^4 + x + 1$  oder aus  $p_2(x) =x^4 + x^3 + 1$  ergibt. Diese Zuordnungen sollen Sie in den Teilaufgaben (1) und (2) treffen.
  • In der Teilaufgabe (3) sollen Sie zudem die fehlenden Potenzen  $\alpha^5, \ \alpha^6, \ \alpha^7$  und  $\alpha^8$  in der Tabelle  $\rm (B)$  ergänzen.
  • Die Teilaufgabe (4) bezieht sich auf das ebenfalls irreduzible Polynom  $p_3(x) = x^4 + x^3 + x^2 + x +1$. Entsprechend den oben genannten Kriterien sollen Sie entscheiden, ob dieses Polynom primitiv ist.




Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Erweiterungskörper.
  • Das Literaturzitat  [LN97]  verweist auf das Buch "Lidl, R.; Niederreiter, H.: Finite Fields. Encyclopedia of Mathematics and its Application. 2. Auflage. Cambridge: University Press, 1997".


Fragebogen

1

Welches Polynom liegt der Tabelle  $\rm (A)$  zugrunde?

$p_1(x) = x^4 + x + 1$,
$p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$.

2

Welches Polynom liegt der Tabelle  $\rm (B)$  zugrunde?

$p_1(x) = x^4 + x + 1$,
$p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$.

3

Ergänzen Sie die in der Tabelle  $\rm (B)$  fehlenden Einträge. Welche der folgenden Angaben sind richtig?

$\alpha^5 = \alpha^3 + \alpha + 1$   ⇒   Koeffizientenvektor "$1011$",
$\alpha^6 = \alpha^2 + 1$   ⇒   Koeffizientenvektor "$0111$",
$\alpha^7 = \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha + 1$   ⇒   Koeffizientenvektor "$1111$",
$\alpha^8 = \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha$   ⇒   Koeffizientenvektor "$1110$".

4

Ist  $p_3(x) = x^4 + x^3 + x^2 + x + 1$  ein primitives Polynom? Klären Sie diese Frage anhand der Potenzen  $\alpha^i$  $(i$ soweit erforderlich$)$.

Ja.
Nein.


Musterlösung

(1)  Aus der oberen Potenztabelle  $\rm (A)$  auf der Angabenseite erkennt man unter anderem die Eigenschaft

$$\alpha^{4} = \alpha + 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha^{4} + \alpha + 1 = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} p(x) = x^4 + x +1 =p_1(x)\hspace{0.05cm}.$$

Richtig ist somit der Lösungsvorschlag 1.


(2)  Nach gleicher Vorgehensweise kann gezeigt werden, dass die Potenztabelle  $\rm (B)$  auf dem Polynom $p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$ basiert   ⇒   Lösungsvorschlag 2.


(3)  Ausgehend von Polynom $p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$ erhält man aus der Bestimmungsgleichung $p(\alpha) = 0$ das Ergebnis $\alpha^4 = \alpha^3 + 1$. Damit ergibt sich weiter:

$$\alpha^5 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha \cdot \alpha^4 = \alpha \cdot (\alpha^3 + 1) = \alpha^4 + \alpha = \alpha^3 + \alpha +1\hspace{0.05cm} \Rightarrow\hspace{0.05cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 1011},$$
$$\alpha^6 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha \cdot \alpha^5 = \alpha \cdot (\alpha^3 +\alpha + 1) = \alpha^4 + \alpha^2 + \alpha= \alpha^3 +\alpha^2 + \alpha + 1\hspace{0.05cm} \Rightarrow\hspace{0.05cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 1111},$$
$$\alpha^7 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha \cdot \alpha^6 = \alpha^4 +\alpha^3 +\alpha^2 +\alpha = \alpha^2 + \alpha + 1\hspace{0.05cm} \Rightarrow\hspace{0.05cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 0111},$$
$$\alpha^8 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha \cdot \alpha^7 = \alpha \cdot (\alpha^2 + \alpha + 1) = \alpha^3 +\alpha^2 +\alpha \hspace{0.05cm} \Rightarrow\hspace{0.05cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 1110}.$$
  • Richtig sind somit nur die Lösungsvorschläge 1 und 4. Die beiden anderen Angaben sind vertauscht.
  • Nachfolgend finden Sie die vollständigen Potenztabellen für $p_1(x) = x^4 + x + 1$ (links, rot hinterlegt) und für $p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$ (rechts, blau hinterlegt).


Vollständige Potenztabellen über $\rm GF(2^4)$ für zwei unterschiedliche Polynome


(4)  Die beiden Polynome  $p_1(x) = x^4 + x + 1$  und  $p_2(x) = x^4 + x^3 + 1$  sind primitiv.

  • Dies erkennt man daran, dass $\alpha^i$ für $0 < i < 14$ jeweils ungleich $1$ ist.
  • Dagegen gilt $\alpha^{15} = \alpha^0 = 1$. In beiden Fällen kann das Galoisfeld wie folgt ausgedrückt werden:
$${\rm GF}(2^4) = \{\hspace{0.1cm}0\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm} \alpha^{0} = 1,\hspace{0.05cm}\hspace{0.1cm} \alpha\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm} \alpha^{2},\hspace{0.1cm} ... \hspace{0.1cm} , \hspace{0.1cm}\alpha^{14}\hspace{0.1cm}\}\hspace{0.05cm}. $$

Für das Polynom  $p_3(x) = x^4 + x^3 + x^2 + x +1$  erhält man :

$$\alpha^4 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha +1\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 1111}\hspace{0.05cm},$$
$$\alpha^5 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} \alpha \cdot \alpha^4 = \alpha^4 + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha = (\alpha^3 + \alpha^2 + \alpha +1) + \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha = 1 \hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}{\rm Vektor\hspace{0.15cm} 0001}\hspace{0.05cm}.$$
  • Hier ist also bereits $\alpha^5 = \alpha^0 = 1 \ \Rightarrow \ p_3(x)$ ist kein primitives Polynom   ⇒   Lösungsvorschlag 2.
  • Für die weiteren Potenzen gilt für dieses Polynom:
$$\alpha^6 = \alpha^{11} = \alpha\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha^7 = \alpha^{12} = \alpha^2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha^8 = \alpha^{13} = \alpha^3\hspace{0.05cm},$$
$$\alpha^9 = \alpha^{14} = \alpha^4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha^{10} = \alpha^{15} = \alpha^0 = 1\hspace{0.05cm}.$$