Kryptologie/Größte gemeinsame Teiler


Einleitung

Für viele Beweise in diesem Kurs benötigen wir die Definition des größten gemeinsamen Teilers oder dessen Lemmata. Das sogenannte Lemma von Bézout brauchen wir beispielsweise für den erweiterten euklidischen Algorithmus[1] oder das Lemma von Euklid um den Fundamentalsatz der Zahlentheorie zu zeigen[2]. Beides benötigen wir für das RSA-Kryptosystem (Schlüsselerzeugung[3] und Korrektheit des Verfahrens[4]). Aber auch beim Caesar-Kryptosystem benötigen wir den größten gemeinsame Teiler[5].

Größter gemeinsamer Teiler

Definition Größter gemeinsamer Teiler

Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null ist. Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen Teiler der Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und   gilt   [6].

Beispiel Größter gemeinsamer Teiler

Sei   und  .

  hat die folgenden Teiler:   und  .

  hat die Teiler:   und  .

  und   haben also die gemeinsamen Teiler   und  .

Der größte gemeinsame Teiler ist   und somit  .

Bemerkung: Bei größeren Zahlen kann das Bestimmen des größten gemeinsamen Teilers auf diese Art sehr lange dauern. Eine effizientere Methode ist der (erweiterte) euklidische Algorithmus[7]. Für diese Methoden müssen jedoch die Eigenschaften des   näher betrachten[1].

Eigenschaften

Lemma 1

Seien  , wobei nicht  . Es gilt  [8].

Beweis Lemma 1

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit
Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und   gilt  [6].

Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:  [9]

Voraussetzung

  und  .

Zu zeigen

 

bzw. wegen Definition des absoluten Betrags   als   oder  [10]

 .

Beweis

Betrachten wir  .

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt   und  .

Wir wissen nach   des Lemmas der Teilbarkeit, dass dann auch gilt

  und  .

Sei nun   ein beliebiger gemeinsamer Teiler von   und   oder von   und   oder von   und  .

Nach   des Satzes der Teilbarkeit gilt dann   und  , wobei in jedem Fall  , da   ist.

Somit gilt  [11]

Lemma 2

Seien   und  , dann folgt:  [12].

Beweis Lemma 2

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit
Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen

Teiler der Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und   gilt  [13].

Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:

  und   für beliebige  [14].

Voraussetzung

  und  .

Zu zeigen

 

Beweis

Wenn  , dann gilt nach Definition des größten gemeinsamen Teilers   und  .

Aus   und   folgt wiederum nach   des Lemmas der Teilbarkeit, dass   bzw.  .

  lässt sich nach der Voraussetzung   umschreiben in   und somit ist   also ein Teiler von  .

Wir konstruieren nun einen beliebigen gemeinsamen Teiler   mit   und   und somit gilt auch  .

Da  , gilt für den Teiler   also außerdem  .

  ist also auch ein gemeinsamer Teiler von   und  . Jedoch ist   und es muss daher   sein.

Wir haben also gezeigt, dass ein beliebiger gemeinsamer Teiler   von   und   auch ein gemeinsamer Teiler von   und   ist, wobei   und zusätzlich  . Somit ist der größte gemeinsame Teiler von   und   ebenfalls  . Formal gilt also:  [1]

Lemma 3 (Lemma von Bézout)

Bemerkung: Da wir für die Schlüsselerzeugung des RSA-Algorithmus' teilerfremde ganze Zahlen mit dem erweiterten euklidischen Algorithmus untersuchen, betrachten wir insbesondere teilerfremde ganze Zahlen   und  . Für diese gilt folglich:  [15] für geeignete  .

Das Lemma von Bézout besagt, dass sich der größte gemeinsame Teiler zweier ganzer Zahlen   und   als Linearkombination von   und   mit ganzzahligen Koeffizienten darstellen lässt[15]. Formal schreiben wir:

Für alle   existieren  , sodass gilt:  [16][17].

Beweis Lemma 3 (Lemma von Bézout)

Voraussetzung

Seien  

Zu zeigen

Es existieren  , sodass   gilt

Beweis

Lemma der Teilbarkeit, Division mit Rest und Umformung
Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:

  und   für beliebige  [14].

Division mit Rest
Seien   mit   eindeutig bestimmte Zahlen  und   gibt,

für die gilt:  [18][19].

Umformungen
  , da  

 

 

 

 

Wir nehmen an, dass es unter allen Zahlen   mit   sicher solche gibt, die positiv und ungleich Null sind.

Sei   die kleinste Zahl unter diesen.

Da   sowohl   als auch   teilt, teilt   nach   des Lemmas der Teilbarkeit auch  .

Wir zeigen nun, dass   auch ein Teiler von   und   ist.

Die Division mit Rest liefert uns eine Darstellung von   in der Form  , wobei   .

Wir setzen nun   in die Darstellung von   ein und lösen die Gleichung nach   auf.

Wir erhalten nach mehrmaligem Umformen  .

Da   die kleinste positive Zahl ist, welche die oben genannte Eigenschaft erfüllt, muss   sein.

Es gilt   und   ist somit nach der Definition der Teilbarkeit ein Teiler von  .

Entsprechend gilt auch, dass   ein Teiler von   ist und es gilt  .

Wir hatten bereits thematisiert, dass   ein Teiler von   ist und folgern nun  [15][17]

Folgerung aus dem Lemma von Bézout

Seien  , , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null, dann besteht   genau aus den Vielfachen von  [20].

Beweis Folgerung aus dem Lemma von Bézout

Größte gemeinsame Teiler, Lemma der Teilbarkeit und Linearkombination
Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und   gilt  [6].

Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:

  und   für beliebige  [21].

Voraussetzung

Seien  , , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null und  .

Zu zeigen

  besteht genau aus den Vielfachen von  .

Beweis

Nach Definition des größten gemeinsamen Teilers gilt   und  .

Es gilt dann   nach   des Lemmas der Teilbarkeit für beliebige  .

Wir wissen nach dem Lemma von Bézout, dass  .

Wir können Vielfache von   also schreiben als   mit  .

Somit ist aber auch jedes Vielfache von   als Linearkombination von   und   darstellbar und Element der Menge  [20]

Lemma 4

Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

  und   sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn   existieren, sodass gilt:

 [20].

Beweis Lemma 4

Hinrichtung

Wir zeigen zunächst, dass aus der Teilerfremdheit von   und   die Aussage   mit geeigneten   folgt.

Voraussetzung

Teilerfremdheit, Lemma von Bézout,

Größte gemeinsame Teiler und Lemma der Teilbarkeit

Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [22]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen

zueinander teilerfremd sind[23][20].

Lemma von Bézout
Für alle   existieren  , sodass gilt:  [15][17].
Größte gemeinsame Teiler
Seien  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Wir bezeichnen   mit   als den größten gemeinsamen Teiler der

Zahlen   und  , falls gilt:

 :   und  

und

 : Für alle   mit   und   gilt  [6].

Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:

  und   für beliebige  [14].

Lemma der Teilbarkeit:  
Seien  , dann gilt:  [14].

Seien  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null und   teilerfremd zueinander.

Zu zeigen

Es existieren  , sodass gilt  .

Beweis

Da nach Voraussetzung die Zahlen   und   teilerfremd sind, folgt aus der Definition von teilerfremd, dass gilt:

 .

Benutzt man nun das Lemma von Bézout folgt:

Es existieren   mit  .

Rückrichtung

Nun zeigen wir die umgekehrte Richtung.

Voraussetzung

Sei   mit  .

Zu zeigen

  sind teilerfremd zueinander mit  , wobei mindestens eine der beiden Zahlen ungleich Null.

Beweis

Sei nach Voraussetzung   mit   und  .

Da nach Definition des größten gemeinsamen Teilers   und   gilt, folgt nach   des Lemmas der Teilbarkeit

 .

Nach Voraussetzung ist dies gerade

 .

Da   positiv, folgt aus   des Lemmas der Teilbarkeit

 .

Nach der Definition teilerfremd folgt

  sind teilerfremd zueinander, wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null[20].

Folgerung aus Lemma 4

Gilt   und   mit  , dann folgt  [20].

Beweis der Folgerung
Teilbarkeit und Lemma 4 des  
Teilbarkeit
Eine ganze Zahl   teilt eine ganze Zahl   genau dann, wenn es eine

ganze Zahl   gibt, für die   ist.

Wir schreiben  [24][25].

Lemma 4 des  
Seien  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null.

  und   sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn   existieren,

sodass gilt:  [22].

Voraussetzung

  und   mit  .

Zu zeigen

 .

Beweis

Aus der Voraussetzung folgern wir nach der Definition der Teilbarkeit

  und   mit   geeignet

bzw. zusammengefasst

 .

Wegen   gilt nach Lemma 4 des  

  mit  

 , durch Multiplikation mit  .

Nun können wir   bzw.   einsetzen

 

 

Dies ist nach Definition der Teilbarkeit

 [26]

Lemma 5 (Lemma von Euklid)

Seien   und   mit   und ist nun   teilerfremd zu einem der Faktoren, so teilt es den anderen[27][26].

Beweis Lemma 5

Den Beweis können Sie in der Lernaufgabe eigenständig führen.

Lernaufgabe

Lemma von Euklid, Teilerfremdheit, Lemma 4 des   und Teilbarkeit
Lemma von Euklid
Seien   und   mit   und ist nun   teilerfremd zu einem der Faktoren,

so teilt es den anderen[27][26].

Teilerfremdheit
Zwei ganze Zahlen   und  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null ist,

heißen teilerfremd, wenn  [22]. Betrachten wir mehr als zwei Zahlen, dann

nennen wir diese paarweise teilerfremd, wenn je zwei beliebige von diesen Zahlen

zueinander teilerfremd sind[23][22].

Lemma 4 des  
Seien  , wobei mindestens einer der beiden Zahlen ungleich Null.

  und   sind genau dann teilerfremd zueinander, wenn   existieren,

sodass gilt:  [22].

Teilbarkeit
Eine ganze Zahl   teilt eine ganze Zahl   genau dann, wenn es eine

ganze Zahl   gibt, für die   ist.

Wir schreiben  [24][25].

Aufgabe

Beweisen Sie das Lemma von Euklid. Nehmen Sie hierfür an, dass   teilerfremd zu   und multiplizieren Sie die Gleichung aus Lemma 4 des   mit  .

Lösung
Voraussetzung

Seien   und  ,   und   teilerfremd zu einem der Faktoren  

Zu zeigen

  teilt den anderen Faktor

Beweis

Wir nehmen an, dass   teilerfremd zu  . Folglich gilt  .

Nach Lemma 4 des   gilt

  mit  

 , durch Multiplikation mit  

Nun gilt nach der Definition der Teilbarkeit und Voraussetzung   und zusätzlich  .

Somit gilt auch  .

Wir haben jedoch gezeigt, dass   gilt und können folgern

 [28]

Lernempfehlung

Kursübersicht
Übergeordnete Lerneinheit
4: Caesar-Verschlüsselungsverfahren
Vorherige Lerneinheit Aktuelle Lerneinheit Empfohlene Lerneinheit
4.1: Teilbarkeit und Teilerfremdheit 4.2: Größte gemeinsame Teiler 4.3: Kongruenzen

Literatur

  1. 1,0 1,1 1,2 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 32.
  2. Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 66.
  3. Rivest, R. L., Shamir, A., & Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2) (S. 120–126). S. 122f.
  4. Rivest, R. L., Shamir, A., & Adleman, L. (1978). A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, 21(2) (S. 120–126). 123.
  5. Buchmann, J. (2016). Einführung in die Kryptographie (6. Aufl.). Springer. S. 43.
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 24.
  7. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 31.
  8. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 30.
  9. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 29.
  10. Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 34.
  11. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 476.
  12. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 32.
  13. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 24.
  14. 14,0 14,1 14,2 14,3 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 23.
  15. 15,0 15,1 15,2 15,3 Seite „Lemma von Bézout“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. Oktober 2019, 09:53 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Lemma_von_B%C3%A9zout&oldid=193035164 (Abgerufen: 6. Januar 2020, 13:39 UTC; Formulierung verändert)
  16. Bézout, E. (1779). Théorie générale des équations algébriques. Paris, Impr. de P.-D. Pierres.
  17. 17,0 17,1 17,2 Ziegenbalg, J. (2015). Elementare Zahlentheorie: Beispiele, Geschichte, Algorithmen (2., überarb. Aufl). Springer Spektrum. S. 47.
  18. Seite „Division mit Rest“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 24. Januar 2020, 18:50 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Division_mit_Rest&oldid=196144598 (Abgerufen: 2. Februar 2020, 14:22 UTC; Formulierung verändert)
  19. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 19.
  20. 20,0 20,1 20,2 20,3 20,4 20,5 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 26.
  21. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 23.
  22. 22,0 22,1 22,2 22,3 22,4 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 26.
  23. 23,0 23,1 Seite „Teilerfremdheit“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 26. September 2019, 13:33 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Teilerfremdheit&oldid=192615323 (Abgerufen: 10. Januar 2020, 13:56 UTC; Formulierung verändert; Formulierung verändert)
  24. 24,0 24,1 Seite „Teilbarkeit“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 25. November 2019, 15:44 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Teilbarkeit&oldid=194364839 (Abgerufen: 12. Dezember 2019, 14:43 UTC; Formulierung verändert)
  25. 25,0 25,1 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. 22f.
  26. 26,0 26,1 26,2 Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Lemgo: Heldermann Verlag. S. 27.
  27. 27,0 27,1 Seite „Lemma von Euklid“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 25. Juli 2018, 11:20 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Lemma_von_Euklid&oldid=179437094 (Abgerufen: 7. Januar 2020, 11:06 UTC; Formulierung verändert)
  28. Burton, D. M., & Dalkowski, H. (2005). Handbuch der elementaren Zahlentheorie mit über 1000 Übungsaufgaben und ihren Lösungen. Heldermann Verlag. S. 27f.