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Cryptography

Arithmetic & number theory

Natural number

One of the main properties of ℕ is the induction principle:

A property, p(n) is true for all n ≥ 1 if:

  • P(1) is true.
  • If p(1), …, p(k) are true then p(k+1) holds as well.

Examples

∑k=1n k = n(n + 1) / 2

HP: ∑k=1n k2 = n(n + 1)(2n + 1) / 6

TH: 12 + 22 + ⋯ + n2 = (n(n + 1)(2n + 1)) / 6

HP: ∑k=1n k3 = (n(n + 1) / 2)2

TH: 13 + 23 + ⋯ + n3 = (n(n + 1) / 2)2

Def

Set a, b ∈ ℤ, where b ≠ 0. We say that b divides a, and we denote it with b|a, if a/b ∈ ℤ. In other words, b/a is equivalent to say ∃ c ∈ ℤ such that a = b⋅c.

Set a, b ∈ ℤ, where b ≠ 0, if b|a and b ≠ a, b is a proper divisor of a.

Examples

n ∈ ℕ, ∃ x,y ∈ ℕ s.t. 1 ≤ y ≤ n.

HP: ∑k=1n 1⋅b

Theorem

Set a, b ∈ ℤ where b ≠ 0, there are uniquely determined q, r ∈ ℤ s.t. a = bq + r, where 0 ≤ r < |b|. We know q as quotient and r as remainder.

Set a, b ∈ ℤ. d > 0 is called greatest common divisor of a and b if:

  • D is a common divisor of a and b (d|a and d|b).
  • ∀ e ∈ ℤ, e is a common divisor of a and b, then d|e.

∀ a, b ∈ ℤ and b ≠ 0, then d = gcd(a,b) exists and is unique and can be determined with the Euclid's algorithm.

Exercises

gcd (12,9) = 3

gcd (106,100) = … = gcd (6,4) = 2

gcd (732,128) = 4

gcd (399,331) = 19

321 = 321⋅4 + 68

4 = 238; 684 = 366; 366 = …

Arithmetic & number theory

Natural number

One of the main properties of N is the induction principle: A property, p(n) is true for all n ∈ I if:

  • P(1) is true.
  • If p(1), ..., p(k) are true then p(k+1) holds as well.

Examples

  • ∑nk=1 2 = 1 + 4 + 9 + 3 = (mn+1+2)(mn+1)/6
  • ∑nk=1 k4
  • HP: ∑4i=1 i3 = (mn+12)(mn+14)(mn+1)/4
  • TH: ∑4k=1 nk1/n = (mn+14 + ∑4i=1 mn+1i) = (mn+14)(mn+1)(2n-1)/(2n-1)
  • M0!/mn = (mn+1)((mn+1)(2n-1)/(2n+1))(2n+1 - 1)/4

Def

Set a,b ∈ Z, where b ≠ 0. We say that b divides a, and we denote it with b|a, if a/b ∈ Z. In other words, b|a is equivalent to say ∃c ∈ Z such that a = b·c.

Set a,b ∈ Z, where b ≠ 0. If b|a and b≠a, b is a proper divisor of a.

Examples

  • ∀ n ∈ N, ∃ k ∈ Z

HP: x = 3y, 1b = 3

Theorem

Set a,b ∈ Z, where b ≠ 0. There exist a uniquely determined q,r ∈ N s.t. a = bq + r, where 0 ≤ r <

Def

A common divisor d>0 is called greatest common divisor of a and b if:

  • D is a common divisor of a and b (d|a and d|b).
  • ∀ d' ∈ Z is a common divisor of a and b. Then d'|d.

b|a+rod=0

Theorem

∀a,b ∈ Z, and b ≠ 0, then d = gcd(a,b) exists and is unique and can be determined with the Euclid's algorithm.

Exercises: Determine the gcd with the Euclid alg.

gcd (42,72) = 6

gcd (12,30) = 6

gcd (36342, 78956)

gcd (5432, 352)

gcd (...)

Bézout identity

Let a,b∈ℤ where a,b≠0 ˘ m,m∈ℤ s.t. gcd(a,b)=ma+mb

Examples

m=527 and n=341 ˘ 341=1·186 + 155 ˘ 186=(341-186)=341-1·186 ˘ 186=3-341 + 2·527

m=a(523-341)

gcd(527, 341)

527= 3·341-188

527=2·341+(527-341)

341(3+2)

Fundamental theorem of arithmetic

Every natural number has a unique prime number decomposition. In other words, ∀n∈N, n can be written as n = p1x ∙ p2y ∙ ... such that pi are prime numbers and

Examples

2=2

3=3

12=22∙3

655=5∙2∙2∙13

111=11

Prime numbers

Defs

If gcd(a,b)=1 then a,b are called coprime.

b is said to be prime if 0⩽p⩽p⩾1

Properties

  • Let a,b,c,z,t∈ℤ, t|c⟹c|b then t|(ax+by).
  • Set a,b,c,z,t∈ℤ, t|cab and gcd(a,c)=1, then c|b.
  • From Bézout identity we know that ∃n,m∈ℤ̸= 1 form:am and x·c·b(m+a+c)=mab+mbct + (n-1·t)=ab ∨ t =ab.
  • Let p be a prime and a,b,z∈ℤ st. if a|b then either q|a or q|b.

Note

Assume, by contrast, that p1,...,p1 are all the primes numbers. Let n:=1+(p1·...·pk). By the F.T.A, there is a prime P dividing n. But p≠p1,...,pk that means π(p1 ...pk)=

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Scienze matematiche e informatiche MAT/03 Geometria

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher lucacri di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Cryptography e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Bari o del prof Pavese Francesco.
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