Симметрии модели числа. Часть II
Не хочу прерывать желание читателей, ознакомившихся с предыдущей статьей (О разложении модели числа), продолжить знакомство с проблемой моделирования и исследования чисел. При написании статей хочу обеспечить читателям понимание ограничений и возможностей, применения, конструирования ими своих моделей чисел и устройств, способствующих образованию, приобретению навыков работы с объектами материального и идеального (с числами) мира.
Хотя речь в публикациях идет о достаточно просто устроенных математических моделях, но таких простых деталей набирается много и, что не следует считать простым, так это взаимодействие элементов моделей разного уровня: областей строк, отдельных строк, частей одной строки и разных строк.
Очевидно, что взаимодействия распределяются по уровням и это всегда имеет место в сколь-нибудь интересных системах биологических (живых) или технических. Простейшие взаимодействия элементов модели — это объединение, пересечение, дополнение, симметрия, отождествление и др. Иногда взаимодействия и действия приводят к неожиданным результатам, которые оказываются даже полезными.
Модулярная арифметика содержит много неожиданностей, а прогнозирование результатов вычислений порой весьма затруднительно. Так, например, корни квадратичных сравнений учебники высшей алгебры (Глухов и др.) предлагают находить перебором вариантов, так как в теории этот вопрос разрешения еще не получил. Но в предыдущей моей публикации о разложении модели числа в подмодели он получил неожиданное для меня автоматическое решение.
Полученные в разложениях подмодели устроены так, что множество их строк первой половины и второй половины имеют совпадающие последовательности (rл, rс, rп) троек вычетов. Если вторую (нижнюю) половину пристроить справа к верхней, то общие строки половин будут содержать все четыре корня сравнений, так как КВВ этих строк совпадают. Перебор и поиск корней уже не потребуются. Более того, это решение получается (как бы избыточным) сразу для всех КВВ, хотя это не всегда требуется.
Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых (и не очень) умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного её рассмотрения
Введение
По мере изложения текста используются аббревиатуры (сокращения), которые я собрал в одном месте для удобства читателя. Эти сокращения мной используются во всех статьях по проблеме факторизации числа и информационной безопасности.
СММ — списочная многострочная модель числа;
Аi = idб— аттрактор, значение кратное большему делителю;
ЗРД — закон распределения делителей;
ЗФБЧ— задача факторизации большого числа;
НРЧ — натуральный ряд чисел;
ПНЧ — последовательность нечетных чисел;
ИБ — информационная безопасность;
КВВ — квадратичный вычет по модулю N;
КВК — квадратичный вычет полный квадрат;
КЧКВ) — конечное числовое кольцо вычетов по модулю N;
РИ — решающий интервал, инт-л нечетной длины, центр которого характеризуется КВК;
НИ — накрывающий и-л, замкнутый и-л нечетной длины dm, содержащий кратное х = idб;
СННЧ — составное нечетное натуральное число;
ЦМС — циклическое множество строк СММ;
ТКВК — тривиальная непрерывная область строк СММ, содержащая все КВК;
ТССС — тривиальная непрерывная область строк СММ, содержащая все средние вычеты, сохраняющие смежность сомножителей;
ДЦ, ДIn, Д0, — дубли строк СММ центральной, первой (инволюций), последней (нулевой;
CFRAC — метод цепных дробей;
CLASNO — вероятностный алгоритм;
SQUFOF — на основе арифметики вещественных квадратичных полей
Идемпотент — идемпотентный элемент, элемент е кольца, полугруппы или группоида, равный своему квадрату: е2 = е.
Инволю́ция (от лат. involutio — свёртывание, завиток) — инволютивный элемент х
кольца, квадрат которого хх =1; преобразование, которое
является обратным самому себе, а квадрат инволюции равен единице в кольце.
Общие положения о симметриях
Симме́три́я, в широком смысле — соответствие, неизменность объекта, проявляемые при каких-либо изменениях, преобразованиях. Так, например, сферическая симметрия тела означает, что вид тела не изменится, если его вращать в пространстве на произвольные углы. Соразмерность, пропорциональность частей чего-н., расположенных по обе стороны от середины, центра. Симметрия — основополагающий принцип самоорганизации материальных форм в природе и формообразования в искусстве. Остановимся, хотя можно и продолжать.
Будем отождествлять начальный отрезок НРЧ, дополненный нулем слева, с алгебраической структурой с одной или даже с двумя операциями (с конечным числовым кольцом вычетов (КЧКВ)), но такие структуры не всегда и не во всем устраивают автора и разрабатываемую модель. Приходиться привносить в модель дополнения, возможно отступая от математической строгости, для достижения конструктивных результатов.
Формирование множества строк списочной многострочной модели (СММ), и их элементов для различных значений составного нечетного натурального числа (СННЧ) N подчиняется ряду законов (математическим соотношениям, связывающим переменные модели), которые выявляются, устанавливаются в экспериментах, либо выводятся теоретически. Существенную роль при определении положения строк списка играют определенные законы симметрии. В понятиях и терминах КЧКВ по модулю N можно утверждать, что при составном (полупростом) N почти каждому элементу х кольца (кроме делителей нуля), являющемуся квадратичным вычетом (КВВ), соответствуют четыре х1, х2, х3, х4корня — элемента кольца: два основных и два дополнения основных до модуля, квадратичные вычеты которых по модулю N совпадают.
Относительно сложную задачу представляет определение таких 4-х корней. Задавая элементы кольца х, для них достаточно просто вычисляются КВВ, но обратная задача — по заданному КВВ определить все корни трудно решаемая. Во фрагменте НРЧ для каждого элемента вычисляется КВВ. Для большинства КВВ существуют четыре элемента с совпадающими значениями КВВ и эти КВВ располагаются в полном списке элементов симметрично относительно центрального элемента. Каждая строка в СММ окружена другими сверху и снизу списка, т.е. все строки окаймляются соседними строками послойно.
Окаймление строк — это группа строк (фрагмент) СММ, образованная ведущей, как правило, играющей роль основной (центральной) строки. и примыкающими к ней смежными (верхней\нижней) строками из одного или нескольких слоев. Окаймление строк представляет интерес при анализе свойств модели, либо отдельной строки в целом, либо их элементов. Например, строка из некратных делителям элементов может окаймляться кратными или содержащими КВВ — полные квадраты, либо с какими-то другими свойствами.
Будем, например, рассматривать средние вычеты Rссс, те, которые размещаются за пределами ТССС, т.е. как-то распределенные по списку СММ. Строка с каждым отдельным rссс окаймляется на первый взгляд независимо, что прослеживается на множестве слоев разных вычетов.
В таком окаймлении наблюдается одна особенность. Для некоторого слоя окаймления (такой строки с малыми rссс значениями) строки слоя (верх\низ) содержат в роли КВВ полные квадраты. Ниже об этом свойстве речь пойдет с уточнением всех деталей.
Симметрии СМ-модели
1. Симметрии строк в слоях и их строк-дублей
Задача локализации строк. Как в СММ распределяются строки, содержащие тройки связанных вычетов (rл — левый, rс — средний, rп — правый)? Прежде всего, это касается номеров строк, содержащих такие тройки, и их дублируемых квадратичных и других вычетов. Другими словами, интерес представляет решение следующей задачи: в строке известен один, два или все три из тройки вычетов.
Как определить номера строк (оригинала и дубля), в которых эта тройка вычетов содержится? Важная роль при распределениях вычетов отводится симметриям. В списке строк СММ имеются некоторые линии, строки, которые играют в ней роль осей (точек) симметрии. Например, задана строка СММ. Если определен ее слой относительно центра, то для парной строки этого слоя разность левых вычетов будет равна номеру слоя.
Это более сложная тема, чем в предшествующей статье, поэтому пришлось разбить тему на части. Тема сложна не только для читателей, но и для автора. Чтобы изложить доступно для понимания читателями материал, автору приходится серьезно потрудиться. Он впервые заметил явление и у кого-то другого спросить, посмотреть описание явления не представляется возможным.
Статья о разложении модели написана простым языком на доступном для понимания уровне, что отмечается и комментаторами, но как раз ими она и не была понята. Это следует из нашего диалога. Двое из них начали с оскорблений и диалог пришлось прервать. Спустя время они опомнились и перешли к вопросам, но для меня они уже не собеседники.
Я стараюсь положения статьи «доносить» до сознания и тех читателей, у которых оно заполненного личными представлениями о предмете, которые крепко усвоены, но порой ошибочны. Они мешают читателю вникнуть в авторский текст. Такая же ситуация была 10 лет назад, после публикации статьи о законе распределения делителей (ЗРД). Понимающие проблему люди копировали статью на свои сайты, игнорируя оценки (-8) читателей Хабра. Статья о ЗРД на самом деле закрыла проблему, существовавшую несколько тысяч лет.
В СМ-модели установлено, по меньшей мере, пять осей (позиций, линий) симметрии:
— нулевая (нижняя) строка модели;
— центральная строка модели;
— строка нетривиальных инволюций;
— линия раздела четверки смежных кратных пар строк;
— линия, разделяющая строки идемпотентов;
Каждая из перечисленных позиций, обеспечивает самостоятельный вариант компоновки симметрии строк с вычетами, в основу которых кладется определение номера исходной и дублируемой строки.
2. Нижняя строка СМ-модели
Относительно нижней строки СММ (это центральная строка развернутого списка КЧКВ до его сворачивания вдвое) выполнено складывание полного списка строк вдвое (по образцу ленточного портновского метра, т.е. складывание числовых осей номеров строк и КВВ). Значения числовых пар «сантиметров» такого метра х1> хо при этом записываются в строку (пары имеют постоянную сумму равную х1 +хо = N). КВВ rл (хо) = rл (х1) значений х1, хо в каждой строке при таком складывании списка пополам совпадают, их записываем в левую позицию строки (rл, х1, хо, t), а справа от пары записывается разность (t = х1 –хо).
Возвращаясь к исходному состоянию (разворачивая сложенный список), можно увидеть, что, например, при N = 989 строки-дубли нетривиальных инволюций от краев сложенного вдвое списка удалены одинаково хо = 300 и этой строке СММ предшествует строка сверху с номером хо = 299 и КВВ rл = 391; квадратичный вычет в этой строке равен разности частей х1— хо = 690 — 299 = t = 391 = rл. Такая строка единственная в СММ.
При складывании списка пополам все пары чисел, дополняющие друг друга до модуля оказываются в одной общей для них строке.
Нечетная инволюция в строке х1 = 989 — 300 = 689 и перед ней ниже строка с номером
хо = 688 и rл = 602. Эта инволюция представляется суммой кратных разным делителей модуля: 689 = 344 + 345 = 8·43 + 15·23, при этом целые коэффициенты в сумме равны меньшему делителю 8 + 15 = 23 = dm.
Складывание списка вдвое дает как раз картину совмещения дублей нетривиальных инволюций в ячейках одной строки, оформление и окаймления этой строки. При этом строка хо = 688 и rл = 602 становится окаймляющей 1-го слоя для строки-дубля инволюций снизу, а строка хо = 299 и rл = 391 — сверху.
В развернутом списке КВВ СММ rл = 4 встречается в строках хо = 389 и х1 = 600 с окаймлением строками хо = 388 с rл = 216 и хо = 390 с rл = 783. Разность номеров строк 390 — 388 = 2. По аналогии все остальные строки с КВК 9, 16, 25, …, 961 будут иметь разности номеров окаймляющих строк 1-го слоя равной двум.
Другими словами, колонка левых вычетов с центром в строке инволюций в слоях содержит пары левых вычетов (верх\низ) нумерованного слоя для строк с левым вычетом равным квадрату этого номера слоя. Имеет место совпадение номера окаймляющего слоя для строки нетривиальных инволюций с корнем из левого вычета –квадрата строки.
Строки-дубли, имеющие совпадающие КВВ номеров, в развернутом списке фрагмента НРЧ располагаются симметрично относительно центральной строки списка. Если для КВВ = 9,
хо = 89, то номер строки-дубля с КВВ = 9 получит значение N — 89 = 900 = х1.
Симметрично нетривиальным инволюциям на удалении 300 строк от номера последней строки хо = 494 лежит строка с хо = 494 — 300 = 194. Ей соответствует значение элемента
tп= 2·194–1 = 387. Симметрично этой строке лежит строка со значением t= 387, которая оказывается окаймляющей снизу строку инволюций, а она всегда кратная: 387: 43 = 9, то есть tп = 9·dб. Известно, что для таких строк кратными являются не одиночные, а пары смежных строк. Следовательно, строки хо = 194 и хо = 193 кратны dб = 43.
Аналогично для окаймляющей инволюции строки сверху, хо = 196 и она содержит
tп = 195 + 196 = 391= 17·23. Пара смежных строк хо = 196 и хо = 195 оказывается кратной меньшему делителю dm= 23. Отсюда следует кратность окаймляющих нетривиальные инволюции строк 1-го слоя, а спаренные кратные строки образуют четверку смежных кратных строк. Это вообще-то теорема и я показал идею ее доказательства, но жаль тратить время на тщательное строгое детальное доказательство.
В таблице А размещены ключевые строки СМ-модели с их начальным окаймлением другими строками. В столбцах Т и Тп можно увидеть зеркально отраженные элементы уникальной четверки (603, 601, 599, 597) и ниже в столбце Тп окаймления инволюций (597, 599, 601, 603). Окаймление «нулевой» строки-дубля в столбце Т содержит (691, 689, 687), а в столбце Тп содержит (297, 299, 301) и перекрестно-зеркально отражается в этих же столбцах для окаймления идемпотентов Т (297. 299, 301); в Тп (687, 689, 691). И еще много чего в этой модели симметризуется.
Известным является и следующий факт: номера строк идемпотентов, которые в СММ располагаются в смежных строках, в сумме равны нечетной инволюции. Известный факт о том, что разность идемпотентов всегда равна четной инволюции, так как идемпотенты всегда имеют одинаковую четность, а разность двух четных или двух нечетных чисел — четна.
Известно также, что пара центральных (ортогональных) идемпотентов имеет кратные разным делителям значения. Из этого свойства следует ортогональность идемпотентов и представление нечетной инволюции линейной формой (композицией). Для нашего примера N = 989 идемпотенты лежат в строках с номерами больший хо = 344, , а меньший хо = 345. Номера этих строк в сумме равны нечетной нетривиальной инволюции
689 = 344 + 345 = 8·43 +15·23.
Четверка смежных кратных в СММ уникальна (единственна) и также связана с идемпотентами через окаймление строки-дубля последней строки СММ.
Пример 1. Для N = 1163999 нетривиальные инволюции лежат в строке хо = 570144 иимеют значения Inб = IN = 593855 = 296427 + 296428 = 263·1129 + 288·1031,
Inm = In = 570144; идемпотенты лежат в смежных строках хо=296927 и хо= 296928,
ID = 867072; Id = 296928; Их разность ID — Id = 867072 — 296928 = 570144.
Использованы обозначения для больших IN, ID инволюций и идемпотентов; In, Id— для малых
Уникальная четверка смежных кратных строк, номера которых можно найти через tп
rс = 546436 = 484·1129,
rс = 570145 = 505·1129, tп = 23709 = 21·1129 = 11854 + 11855 — слагаемые номера строк,
rс = 593856 = 576·1129,
rс = 617569 = 599·1129, tп = 23713 =23·1031 = 11856 + 11857 — слагаемые номера строк.
Это множество строк окаймляется относительно линии, разделяющей четверку на две пары (верхняя\ нижняя); в 24 слое строками с номерами хо = 11831 и хо = 11880, содержащими КВК = rл (11880) = 290521 = 5392и КВК= rл (11831) = 292681 = 5412. Так как будт-то между этими строками в центре лежит квадрат числа 540. Интерес представляет также информация о строке-дубле «нулевой» последней строке СММ.
Ее номер равен половине четной инволюции, а КВВ = rл (х1о =582000) = 291000. В 1-ом слое эту строку окаймляют строки, содержащие в позициях rсчасти из окаймления 1-го слоя инволюций, т.е. верхняя строка rс = 593856 и нижняя строка rс = 570145.
Обсуждать далее особенно нечего — это основа концепции списочной многострочной модели. Результатом, подтверждающим симметрию этой линии, может служить и упорядоченное множество разностей t = х1 — хо частей разбиваемого на две части числа N.
3. Центральная строка СМ-модели
Номером хоц этой центральной строки является правый вычет нулевой строки СММ. Пары строк СММ послойно, как и строку инволюций, окаймляют центральную строку, постепенно отдаляясь от нее, а значения КВВ и других вычетов в паре окаймляющих строк различаются на номер слоя пары (для N = 989, хоц = rпо = 247, табл. В). Главной особенностью строк-дублей таких послойно отдаляющихся окаймляющих пар строк является то, что они в списке СММ размещаются одна от другой на постоянном удалении, равном половине четной инволюции (N = 989, 1961) или ином (N = 2501).
Разность значений КВВ строк-оригиналов равна номеру слоя, в котором эти строки содержатся. Другими словами, особенность симметрии строк СММ относительно центральной строки в том, что строки-оригиналы (размещаемые близко) для строк-дублей оказываются значительно удаленными одна от другой и наоборот.
Разность номеров строк-дублей оказывается постоянной (N = 989, 1961), либо изменяется по некоторому закону, например, с постоянным шагом (для N = 1163999). Выполним для модуля
N = 989, используя таблицу В, подробное рассмотрение симметрий положения строк-оригиналов и строк–дублей относительно центральной строки СМ-модели.
Пример 2. (Симметрия центральной строки СММ). Центральная строка СММ при N = 989 имеет КВВ rл= 680 (табл. Б) и ее номер хо = 247 = rпо. Окаймляющие центральную строки первых двух слоев (табл. В) для нее имеют сверху КВВ равные 187 и 685 с номерами хо = 246 и хо = 245, а снизу КВВ186 и 683 с номерами хо = 248 и хо = 249. Оказывается, разность значений КВВ строк первого и второго слоев строк окаймления равны в точности номеру слоя Δ=|187– 186| = 1 и Δ=|685 — 683| = 2, что остается справедливым и для последующих слоев. Разность Δ монотонно растет с ростом номера слоя.
Окаймляющие строки слоев отдаляются от центральной. Для этих (кроме кратных) строк в списке СММ имеются соответствующие (дублирующие) с такими же КВВ, но с другими номерами. Верхние с номерами хо = 375 и хо = 225), а нижние — с номерами
хо = 675 и хо = 525. Удаленность в паре строк-дублей одна от другой оказалась постоянной, (не изменяется), равной половине четной нетривиальной инволюции
Δ = |375 — 225| = 150 и Δ = |675 — 525| = 150. В чем здесь дело, выяснить удалось частично.
Рассмотрим пары строк из слоев с большими номерами, например, слои 151 и 152. Для слоя 151 пара строк имеет номера хо = 247– 151 = 96 и хо = 247 + 151 = 398, их КВВ
rл (96) = 315 и rл (398) = 164, разность значения КВВ должна быть равна номеру этого слоя, т.е.
Δ =| rл (96) – rл (398) | = |315 — 164| = 151. Номера пары строк-дублей с такими же значениями КВВ
хо = 119 и хо = 269, rл (119) = 315 и rл (269) = 164. Строки-дубли этой пары удалены одна от другой на ту же константу 269 –119 = 150.
Для слоя 152 пара строк имеет номера хо = 247– 152 = 95 и хо = 247 + 152 = 399, их КВВ
rл (95) = 124 и rл (399) = 961, разность значения КВВ должна быть равна номеру этого слоя, т.е.
Δ = |rл (95) – rл (399) | = |961 — 124| = 837. Эта разность не номер слоя. Учитывая тонкости модулярной арифметики, находим дополнение разности до модуля 989 — 837 = 152 и получаем то, что нужно — номер слоя. Номера пары строк-дублей с такими же значениями КВВ хо = 31 и хо = 181, rл (31) = 961 и rл (181) = 124. Строки-дубли этой пары удалены одна от другой на ту же константу 181 — 31 = 150.
Факты новые и неожиданные возникают практически каждый день в их множестве приходится устанавливать приоритетность для рассмотрения. Эта закономерность сохраняется и далее для других слоев окаймления
В таблице Б порядок нумерации строк сохраняется по возрастанию сверху вниз. Числа в примечаниях указывают для строк номер слоя центральной строки. Таблица Б представляет собой фрагменты-вырезки из списка СММ, которые подобраны так, чтобы стало ясным понятие окаймление и связанные с ним закономерности. Слои окаймляющих строк задаются номерами хо строк-границ слоя, относительно строки центра хо = 247 с rл = 680. В таблицу включены и строки-дубли для слоев с номерами 150, 151, 152 (исходные строки этих слоев с номерами хо = 95, 96, 97, 397, 398, 399).
В слое 246 лежат первая и предпоследняя строки с номерами хо =1 и хо= 493, а их строки-дубли получают номера хо= 300 и хо= 450, разность которых Δ =|300 — 450| = 150, осталась без изменений. Предпоследняя строка-дубль содержит rл = 744 = 742 + 2 и rссс = 2.
Рассмотренный пример 1 иллюстрирует проявление определенной зависимости, но не объясняет, как это может быть использовано при исследованиях чисел. Ниже будет показано, что полезного можно извлекать из обнаруживаемых свойств модели.
Заключение
Среди нынешних подходов к решению задачи факторизации большого числа (ЗФБЧ) вряд ли можно назвать, содержащий метод будущего. Алгоритм Ферма, числовое решето, эллиптические кривые, CFRAC, CLASNO, SQUFOF, Вильямса, Шенкса и др. не представляются универсальными с одной стороны и быстродействующими — с другой.
В представляемом автором цикле статей предлагается подход к ЗФБЧ, с совершенно новых позиций на концепции открытого Закона распределения делителей натурального числа и предлагаемой модели составного нечетного числа.
Исследовательская работа пока не завершена, но имеются все основания полагать, что ее завершение закроет и проблему факторизации числа. Подход предполагает поиск решения не путем проб и ошибок, а путем получения аналитических зависимостей для элементов модели и ключевых элементов (идемпотентов большего ID и меньшего Id, инволюций большей IN и меньшей In) алгебраических структур.
С этой целью и проводятся изыскания по свойствам натурального ряда чисел и предложенной модели. Возникающие положения и теоремы (гипотезы, допущения) предлагаются вниманию заинтересованных читателей, которые возможно возьмут на себя труд поиска доказательств, подтверждения или опровержения гипотез.
Литература
1.Арнольд В.И. Случайны ли квадратичные вычеты? В.И. Арнольд Получено 28 декабря 2009 г
2.Глухов М.М., Елизаров В.П., Нечаев А.А.: Алгебра. Учебник. В 2-х т. Том 1– Гелиос АРВ, 2003. — 136с. Том II –414 c.
