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模反元素

大三 · 數論

觀念

× mod 7123456112345622461353362514441526355316426654321

aa 在模 mm 下的反元素 (modular inverse) 是滿足 ax≡1(modm)ax\equiv1\pmod m 的 xx,記作 a−1a^{-1};它讓模運算有「除法」。存在 ⟺ gcd⁡(a,m)=1\gcd(a,m) = 1(Bézout:ax+my=1ax + my = 1 的 xx 就是反元素)。

求法:擴展歐幾里得(通用)、費馬小定理 ap−2a^{p-2}(mm 為質數)、小模數直接試。算例:7−1 mod 267^{-1}\bmod 26:7⋅15=105=4⋅26+17\cdot15 = 105 = 4\cdot26 + 1,所以是 15;44 在模 1010 沒有反元素(gcd 為 2,4x4x 永遠是偶數)。

有反元素的元素構成乘法群 U(m)U(m),大小 φ(m)\varphi(m)。仿射密碼的解密、RSA 私鑰 d=e−1 mod φ(N)d = e^{-1}\bmod\varphi(N)、橢圓曲線的點加法、有限體上的除法,都需要模反元素。

例題

求 66 在模 3535 下的模反元素 (modular inverse),填 0<x<350<x<35。

看解法與答案

gcd⁡(6,35)=1\gcd(6,35) = 1 所以反元素存在。擴展歐幾里得:做輾轉相除,同時把每個餘數寫成 66 的倍數(模 3535)。

5=35−5⋅6≡(−5)⋅65 = 35 - 5\cdot6 \equiv (-5)\cdot6、1=6−1⋅5≡(1)⋅6−1⋅(−5)⋅6=(6)⋅61 = 6 - 1\cdot5 \equiv (1)\cdot6 - 1\cdot(-5)\cdot6 = (6)\cdot6。

餘數 1 對應的倍數取模 3535 得 x=6x = 6。驗算:6⋅6=36=35⋅1+16\cdot6 = 36 = 35\cdot1 + 1。

答案: 66

用在哪裡

插畫

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