Harmonická analýza na konečné abelianské skupině

V matematiky je harmonická analýza na konečné abelian skupiny je zvláštní případ harmonické analýzy odpovídá případě, že skupina je abelian a konečný .

Harmonická analýza umožňuje definovat pojem Fourierovy transformace nebo konvolučního produktu . Je to rámec mnoha teorémů, jako je Plancherel , rovnost Parseval nebo dualita Pontryagin .

V případě, že skupina je abelian a konečná je nejjednodušší z teorie, Fourierova transformace je omezena na konečný součet a duální skupina je izomorfní s původní skupinou.

Harmonická analýza na konečné abelianské skupině má mnoho aplikací, zejména v modulární aritmetice a v teorii informací .

Kontext

V tomto článku, G znamená abelian skupinu objednávky g , označený aditivně a ℂ na pole z komplexních čísel  ; pokud z označuje komplexní číslo, z označuje jeho konjugát .

Prostor aplikací G v ℂ

Soubor ℂ G map G v ℂ je vybaven několika strukturami:

Duální skupina

Dual skupina z G , označil G , se skládá z postav G , to znamená, že z morphisms z G v multiplikativní skupině ℂ *.

Tvoří multiplikativní skupiny izomorfní (není canonically) pro aditivní skupiny G .

Je součástí ℂ G a tvoří orthonormal bázi pásmy 2 ( G ), která opravňuje dodatečně se vybere Hermitovské produkt na ℂ G .

Jakákoli konečná abelianská skupina je kanonicky izomorfní se svým dvojním (duálním duálním). Tato vlastnost je zobecněna pod názvem Pontryagin dualita .

Teorie harmonické analýzy

Bessel-Parseval rovnost

Případ rovnosti Besselovy nerovnosti v hermitovském prostoru ukazuje, že jakýkoli prvek

se rozpadá na ortonormálním základě ø v následující podobě:

.

Fourierova transformace

Fourierova transformace tohoto prvku z litrů, 2 ( G ) je mapa

definován:

.

To definuje lineární mapy, Fourierova transformace ^: ℓ 2 ( G ) → ℂ G , jehož hlavní vlastnosti jsou podrobně popsány níže, který však již můžeme všimnout, že je bijective, protože obě místa mají rozměr g a že Bessel -Parvelova rovnost, přepsaná v následující formě zvané Plancherelův inverze , zajišťuje injektivitu:

.

Konvoluční produkt

Výše uvedený výběr násobení od v definici Fourierovy transformace zajišťuje jeho kompatibilitu s konvoluce produktu *, jsou definovány v části „Space map G v ℂ“ ( viz výše ):

Nechť a a b jsou dva prvky algebry skupiny G , Fourierova transformace a ∗ b je součinem a a b  :

. Demonstrace

Parseval rovnost

Tvorba lineární bijection ^: litrů, 2 ( G ) → ℂ g izomorfismus z hermitovských prostory částek na výběr na ℂ g jedinečnou Hermitovské produkt, pro které je základem ( g ó × ) χ∈ g (Fourierova transformace ortonormální báze G ) je ortonormální. Ptáme se proto:

.

Všimněte si, že tento Hermitovské odpovídá produktu na opatření Haar o g hmotnosti 1 / g , zatímco s cílem vymezit litrů, 2 ( G ) odpovídal mírou Haara na G hmoty 1. Budeme se však poznamenat, ne 2 ( g ) prostor Provided Ø dodáván s výše uvedeným hermitovským produktem. Získáváme tak:

S výše uvedenou definicí ℓ 2 ( ø ), Fourierova transformace

je izomorfismus hermitovských prostorů. Zejména kontroluje následující rovnost, známou jako Parseval  :

.

Ortogonální podskupiny

Je H podskupina G , budeme nazývat ortogonální skupiny z H , a značí H ⊥ , podskupinu G skládající se z postav, jejichž jádro obsahuje H .

Podle věty o izomorfismu  :

Obě Výše uvedené údaje se mohou také odvodit z správnosti sekvence , vzhledem k injektivitě části na dělitelné skupiny ℂ * .

Poissonův součtový vzorec

Je H podskupina objednávky h o G . Libovolný prvek ℓ 2 ( G ) splňuje následující Poissonův součtový vzorec :

. Demonstrace

s

Omezení χ na H se však rovná znaku 1 nad H právě tehdy, když χ patří do ortogonálu H , který končí důkaz.

Aplikace

Modulární aritmetika

První historické použití znaků bylo pro aritmetiku. Symbol Legendrova je příkladem znaku na multiplikativní skupiny konečného pole F p = ℤ / p ℤ kde ℤ označuje kruh relativních celých čísel a p liché prvočíslo .

Používá se pro výpočet Gaussových součtů nebo Gaussových období . Tento znak je základem důkazu zákona kvadratické reciprocity .

Legendární symbol

V tomto odstavci p označuje liché prvočíslo. G je zde skupina ℤ / p ℤ. Symbol Legendre označuje funkci, která k celému číslu a přidruží 0, pokud a je násobkem p , přidruží 1, pokud je třída a ve F p nenulový čtverec, a přidruží -1 jinak.

Obrázek funkce symbolu Legendre na multiplikativní skupině F p odpovídá znaku s hodnotami v množině {-1, 1}.

Symbol Legendre je definován na ℤ. Tato funkce je konstantní na celočíselných třídách modulo p  ; je tedy definován na multiplikativní skupině F p . V této skupině má symbol Legendre své hodnoty v množině {-1, 1} a je morfismem skupin, protože symbol Legendre je charakterem Dirichlet .

Demonstrace jsou uvedeny v přidruženém článku.

Gaussova suma

Ve zbytku článku je p liché prvočíslo.

Nechť ψ je znak skupiny aditiv ( F p , +) a χ znak multiplikativní skupiny ( F p * ,. ), Pak Gaussův součet spojený s χ a ψ je komplexní číslo, zde je uvedeno G (χ , ψ) a definováno:

.

Z hlediska Fourierovy transformace můžeme mapu, která χ sdružuje G (χ, ψ ), považovat za Fourierovu transformaci prodloužení χ na F p rovností χ (0) = 0 v aditivní skupině pole a mapa, která ψ sdružuje G ( χ , ψ) jako Fourierovu transformaci omezení z ψ na F p * v multiplikativní skupině pole.

Gaussovské sumy jsou široce používány v aritmetice, například pro výpočet Gaussových období . Umožňují zejména určit součet hodnot skupiny kvadratických zbytků p -tých kořenů jednotky a obecněji určit kořeny cyklotomického polynomu indexu p .

Kvadratický zákon o vzájemnosti

Gaussovy částky mají důležité historické uplatnění: kvadratický zákon vzájemnosti, který je vyjádřen následovně:

Pokud p a q jsou dvě odlišná lichá prvočísla, pak

.

Tato věta je demonstrována v článku Gaussian Sum .

Dirichletova postava

Aby demonstroval teorém aritmetické progrese a tvrdil, že jakákoli invertibilní třída prstenu ℤ / n ℤ obsahuje nekonečno prvočísel, Dirichlet zobecňuje Gaussovu práci a systematicky studuje skupinu znaků skupiny invertiblů takového kruhu.

Použití Fourierovy transformace je klíčovým krokem důkazu. Znaky Dirichlet mají důležitou roli v analytické teorie čísel zejména analyzovat kořeny z funkce £ z Rieman .

Zvláštní případ: konečný vektorový prostor

Konkrétním případem jsou vektorové prostory v konečném poli . Vlastnosti konečných polí umožňují stanovit výsledky teorie v mírně odlišné formě. Tento případ se používá například v teorii informací prostřednictvím studia booleovských funkcí , což odpovídá případu, kdy tělo obsahuje dva prvky. Tato teorie se používá k řešení kryptologických otázek, zejména pro S-boxy , stejně jako pro proudové šifry . Harmonická analýza konečného vektorového prostoru také zasahuje v kontextu teorie kódu, zejména u lineárních kódů , například za účelem zjištění identity MacWilliams .

Dualita Pontryaginu

Pro každý místně kompaktní abelian skupina G je kanonický injective morfismus z G na jeho bidual je bijective. Pokud G je konečná abelianská skupina, existují dokonce (nekanonické) izomorfismy G v jeho dvojí . V konkrétním případě, kdy G je aditivní skupina konečného vektorového prostoru, tj. Elementární abelianská skupina (en) , lze některé z těchto izomorfismů sestrojit následovně.  

Základní izomorfismus

Na libovolném konečném dimenzionálním vektorovém prostoru V je bilineární forma〈| > Je to zvrhlé tehdy a jen tehdy, pokud Model: Bilineární forma of V. v jeho dvojí prostor V *.

V tomto článku označuje V vektorový prostor konečné dimenze n nad konečným polem F q kardinála q . Symbol označuje dvojí skupiny z V , χ 0 netriviální charakter aditivní skupiny F q a <| > Bilineární nedegenerovaného forma na V .

Když vezmeme v úvahu pouze jeho aditivní skupinu vektorového prostoru V *, máme:

Morfismus skupin je izomorfismus .

Tento morfismus je ve skutečnosti injektivní, protože má triviální jádro , protože pokud f je nenulová lineární forma a proto surjektivní , pak je znak χ 0 ∘ f , stejně jako χ 0 , netriviální. Tyto dvě skupiny mají stejné pořadí q n , tento injektivní morfismus je bijektivní .

Podle složení odvodíme:

Morfismus skupin definovaných

je izomorfismus.

Ortogonalita ve vztahu k dualitě Pontryagin

Nechť S podmnožinu V . Stejně jako v obecném případě konečné abelian skupiny , kolmý S je podskupina S ⊥ z zadávané znaky, jejichž jádro obsahuje S . Rovněž definujeme ortogonální S relativně k Pontryagin dualita spojena s (χ 0 , <|>) jako podskupiny S °: = U -1 ( S ⊥ ) z V  :

.

Všimli jsme si, že:

  • kolmý na levé straně S vzhledem k formě bilineární je vektorový podprostor z V zahrnuty do podskupiny S °. Rovná se jí, jakmile je χ 0 injektivní - tedy jakmile je q prvočíslo - ale také jakmile S je vektorový podprostor;
  • pokud je bilineární forma 〈| > Je symetrická nebo antisymetrická, S °° je podskupina generované pomocí S  ; tato podskupina H je skutečně zahrnuta v H °°, ale pořadí | H ° | = | H ⊥ | z H ° je rovna | V | / | H | a podobně | H °° | se rovná | V | / | H ° | proto do | H |, takže H = H °° = S °°.

Fourierova transformace

Algebry z konečného skupiny je označen [ G ]. Fourierova transformace , z ℂ [ G ] do ℂ [ G ] je lineární bijection definovaný: . Plancherel vzorec je a je-li (,), G označuje Hermitovské kanonický produkt komplexního vektorového prostoru ℂ [ G ], v Parseval identita může být napsán .

V případě, že G = V , izomorfismus U výše , z V v jeho dvojité skupině, umožňuje transportovat tuto Fourierovu transformaci do mapy ℂ [ V ] v ℂ [ V ], nazývané také Fourierova transformace a opět poznamenaná ^  :

.

Rovnost Parsevala je poté přepsána:

a Plancherelův vzorec:

.

Poissonův součtový vzorec

Pokud W je podskupina V a prvek ℂ [ V ], má Poissonův součtový vzorec následující podobu:

.

Aplikace

Booleovská funkce

Existuje speciální případ, že kde je vektorový prostor binární, to znamená na poli se dvěma prvky F 2 . V této souvislosti existuje pouze jeden netriviální znak, který spojuje –1 s jednotou. Fourierova transformace má potom jednoduchou formu a nese název Walshova transformace .

Má mnoho aplikací v teorii kódu . Používá se například v kryptografii k zajištění bezpečnosti zprávy pomocí S-boxu v případě algoritmů pro šifrování symetrické .

MacWilliams Identity

Harmonická analýza na konečných vektorových prostorech se také používá pro korekční kódy , zejména v souvislosti s lineárními kódy .

Jedním příkladem je identita MacWilliams; spojuje enumerátorový polynom váh, to znamená rozdělení Hammingových vah , lineárního kódu a jeho duálního. Používá se ke studiu kódů, jako je Hamming .

Podívejte se také

Související články

Externí odkaz

Funguje

  • Michel Demazure , Kurz algebry: primitivita, dělitelnost, kódy [ detail vydání ]
  • André Warusfel , Konečné algebraické struktury , Hachette, 1971
  • Gabriel Peyré, Diskrétní algebra Fourierovy transformace , Elipsy , 2004
<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">