0
EN
1
المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

قم بتسجيل الدخول اولاً لكي يتسنى لك الاعجاب والتعليق.

Modulo Multiplication Group

المؤلف:  Eggar, M. H.

المصدر:  "A Curious Property of the Integer 24." Math. Gaz. 84

الجزء والصفحة:  ...

12-1-2020

1661

+

-

20

Modulo Multiplication Group

A modulo multiplication group is a finite group M_m of residue classes prime to m under multiplication mod mM_m is Abelian of group order phi(m), where phi(m) is the totient function.

ModuloMultiplicationGroups

A modulo multiplication group can be visualized by constructing its cycle graph. Cycle graphs are illustrated above for some low-order modulo multiplication groups. Such graphs are constructed by drawing labeled nodes, one for each element A of the residue class, and connecting cycles obtained by iterating A^n. Each edge of such a graph is bidirected, but they are commonly drawn using undirected edges with double edges used to indicate cycles of length two (Shanks 1993, pp. 85 and 87-92).

The following table gives the modulo multiplication groups of small orders, together with their isomorphisms with respect to cyclic groups C_n.

M_m group phi(m) elements
M_2 <e> 2 1
M_3 C_2 2 1, 2
M_4 C_2 2 1, 3
M_5 C_4 4 1, 2, 3, 4
M_6 C_2 2 1, 5
M_7 C_6 6 1, 2, 3, 4, 5, 6
M_8 C_2×C_2 4 1, 3, 5, 7
M_9 C_6 6 1, 2, 4, 5, 7, 8
M_(10) C_4 4 1, 3, 7, 9
M_(11) C_(10) 10 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
M_(12) C_2×C_2 4 1, 5, 7, 11
M_(13) C_(12) 12 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
M_(14) C_6 6 1, 3, 5, 9, 11, 13
M_(15) C_2×C_4 8 1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 14
M_(16) C_2×C_4 8 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15
M_(17) C_(16) 16 1, 2, 3, ..., 16
M_(18) C_6 6 1, 5, 7, 11, 13, 17
M_(19) C_(18) 18 1, 2, 3, ..., 18
M_(20) C_2×C_4 8 1, 3, 7, 9, 11, 13, 17, 19
M_(21) C_2×C_6 12 1, 2, 4, 5, 8, 10, 11, 13, 16, 17, 19, 20
M_(22) C_(10) 10 1, 3, 5, 7, 9, 13, 15, 17, 19, 21
M_(23) C_(22) 22 1, 2, 3, ..., 22
M_(24) C_2×C_2×C_2 8 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23

M_m is a cyclic group (which occurs exactly when m has a primitive root) iff m is of one of the forms m=2, 4, p^n, or 2p^n, where p is an odd prime and n>=1 (Shanks 1993, p. 92). The first few of these are m=3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 17, 18, 19, ... (OEIS A033948; Shanks 1993, p. 84).

The only ordered m for which the elements of M_m are all self-conjugate are the divisors of 24: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24 (OEIS A018253; Eggar 2000). These correspond to the groups <e>C_2C_2×C_2, and C_2×C_2×C_2. This also means that no modulo multiplication group is isomorphic to a direct product of more than three copies of C_2.

Isomorphic modulo multiplication groups can be determined using a particular type of factorization of the totient function phi(m) using the property that

 phi(p^alpha)=p^(alpha-1)(p-1)

(1)

as described by Shanks (1993, pp. 92-93). To perform this factorization, begin by analogy with computation of the totient function by factoring m in the standard form

 m=p_1^(a_1)p_2^(a_2)...p_n^(a_n).

(2)

Now for each power of an odd prime, write

 phi(p_i^(a_i))=(p_i-1)p_i^(a_i-1),

(3)

and factor the leading term

 p_i-1=q_1^(b_1)q_2^(b_2)...q_s^(b_s)

(4)

as

 <q_1^(b_1)><q_2^(b_2)>...<q_s^(b_s)><p_i^(a_i-1)>,

(5)

where <q^b> denotes the explicit expansion of q^b (i.e., 5^2=25), and the last term is omitted if a_i=1 (since in that case, <p_i^(a_i-1)>=1).

If m contains a power of 2 so that p_1=2, then write

 phi(2^(a_1))=<span style={nothing for a_1<2; <2> for a_1=2; <2><2^(a_1-2)> for a_1>2. " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/ModuloMultiplicationGroup/NumberedEquation6.gif" style="height:68px; width:201px" />

(6)

Now combine terms from the odd and even primes, write them as a product and combine any unambiguous products of terms. The resulting expression is denoted phi_m and the group M_m is isomorphic to a direct product of cyclic groups of orders given by phi_m.

For example, consider the modulo multiplication group of order m=104=2^3·13. The only odd prime factor is 13, so factoring gives 13-1=12=<2^2><3>=3·4. 104 contains a factor of 2^3, so the rule for even prime factors gives <2><2^(3-2)>=<2><2>=2·2. Combining these two gives phi_(104)=2·2·3·4.

M_m and M_n are isomorphic iff phi_m and phi_n are identical. More specifically, the abstract group corresponding to a given M_m can be determined explicitly in terms of a group direct product of cyclic groups of the so-called characteristic factors, whose product is denoted Phi_n. This representation is obtained from phi_m as the set of products of largest powers of each factor of phi_m. For example, for phi_(104), the largest power of 2 is 4=2^2 and the largest power of 3 is 3=3^1, so the first characteristic factor is 4×3=12, leaving 2·2 (i.e., only powers of two). The largest power remaining is 2=2^1, so the second characteristic factor is 2, leaving 2, which is the third and last characteristic factor. Therefore, Phi_(104)=2·2·12, and the group M_m is isomorphic to C_2×C_2×C_(12).

The following table summarizes the isomorphic modulo multiplication groups M_n for the first few n and identifies the corresponding abstract group. No M_m is isomorphic to the cyclic group C_8, quaternion group Q_8, or the dihedral group D_4. However, every finite Abelian group is isomorphic to a subgroup of M_m for infinitely many different values of m (Shanks 1993, p. 96). Cycle graphs corresponding to M_n for small n are illustrated above, and more complicated cycle graphs are illustrated by Shanks (1993, pp. 87-92).

The following table gives the orders of modulo multiplication groups M_m that are isomorphic to direct products of cyclic groups for m<=50.

group isomorphic M_m
<e> M_2
C_2 M_3M_4M_6
C_4 M_5M_(10)
C_2×C_2 M_8M_(12)
C_6 M_7M_9M_(14)M_(18)
C_2×C_4 M_(15)M_(16)M_(20)M_(30)
C_2×C_2×C_2 M_(24)
C_(10) M_(11)M_(22)
C_(12) M_(13)M_(26)
C_2×C_6 M_(21)M_(28)M_(36)M_(42)
C_(16) M_(17)M_(34)
C_2×C_8 M_(32)
C_2×C_2×C_4 M_(40)M_(48)
C_(18) M_(19)M_(27)M_(38)
C_(20) M_(25)M_(50)
C_2×C_(10) M_(33)M_(44)
C_(22) M_(23)M_(46)
C_2×C_(12) M_(35)M_(39)M_(45)
C_(28) M_(29)
C_(30) M_(31)
C_(36) M_(37)
C_(40) M_(41)
C_(42) M_(43)M_(49)
C_(46) M_(47)

The number of characteristic factors r of M_m for m=1, 2, ... are 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 2, ... (OEIS A046072).

The number of quadratic residues in M_m for m>2 are given by phi(m)/2^r (Shanks 1993, p. 95). The first few for m=1, 2, ... are 0, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 3, 2, 5, 1, 6, ... (OEIS A046073).

In the table below, phi(n) is the totient function (OEIS A000010) factored into characteristic factors, lambda(n) is the Carmichael function (OEIS A011773), and g_i are the smallest generators of the group M_n (of which there is a number equal to the number of characteristic factors).

n phi(n) lambda(n) g_i n phi(n) lambda(n) g_i
3 2 2 2 27 18 18 2
4 2 2 3 28 2·6 6 13, 3
5 4 4 2 29 28 28 2
6 2 2 5 30 2·4 4 11, 7
7 6 6 3 31 30 30 3
8 2·2 2 7, 3 32 2·8 8 31, 3
9 6 6 2 33 2·10 10 10, 2
10 4 4 3 34 16 16 3
11 10 10 2 35 2·12 12 6, 2
12 2·2 2 5, 7 36 2·6 6 19,5
13 12 12 2 37 36 36 2
14 6 6 3 38 18 18 3
15 2·4 4 14, 2 39 2·12 12 38, 2
16 2·4 4 15, 3 40 2·2·4 4 39, 11, 3
17 16 16 3 41 40 40 6
18 6 6 5 42 2·6 6 13, 5
19 18 18 2 43 42 42 3
20 2·4 4 19, 3 44 2·10 10 43, 3
21 2·6 6 20, 2 45 2·12 12 44, 2
22 10 10 7 46 22 22 5
23 22 22 5 47 46 46 5
24 2·2·2 2 5, 7, 13 48 2·2·4 4 47, 7, 5
25 20 20 2 49 42 42 3
26 12 12 7 50 20 20 3

REFERENCES:

Eggar, M. H. "A Curious Property of the Integer 24." Math. Gaz. 84, 96-97, March 2000.

Riesel, H. "The Structure of the Group M_n." Prime Numbers and Computer Methods for Factorization, 2nd ed. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 270-272, 1994.

Shanks, D. Solved and Unsolved Problems in Number Theory, 4th ed. New York: Chelsea, pp. 61-62 and 92, 1993.

Sloane, N. J. A. Sequences A000010/M0299, A011773, A018253, A033948, A046072, and A046073 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

اخر الاخبار

اشترك بقناتنا على التلجرام ليصلك كل ما هو جديد