Aufgabe 2.4: GF(2 hoch 2)–Darstellungsformen

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Drei Darstellungsformen für  ${\rm GF}(2^2)$

Nebenstehend sehen Sie für den Erweiterungskörper  $\rm GF(2^2)$  die Additions– sowie die Multiplikationstabelle in drei verschiedenen Varianten:

• die  Polynomdarstellung,

• die  Koeffizientenvektordarstellung,

• die  Exponentendarstellung.

Hinweise:

• Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel  "Erweiterungskörper".

• Alle notwendigen Informationen zu  ${\rm GF}(2^2)$  finden Sie auf der  "ersten Seite"  dieses Kapitels.

• In der Teilaufgabe  (4)  werden folgende Ausdrücke betrachtet:

$$A = z_2 \cdot z_2 + z_2 \cdot z_3 + z_3 \cdot z_3,$$

$$B = (z_0 + z_1 + z_2) \cdot (z_0 + z_1 + z_3).$$

Fragebogen

1

Welche Charakteristika erkennt man aus der Polynomdarstellung?

	Die Elemente  "$\alpha$"  und  "$1 + \alpha$"  sind weder  $0$  noch  $1$.
	Die Rechenoperationen erfolgen modulo  $2$.
	Die Rechenoperationen erfolgen modulo  $4$.
	Man erkennt das Ergebnis  "$\alpha^2 + \alpha + 1 = 0$"  aus der Additionstabelle.
	Man erkennt das Ergebnis  "$\alpha^2 + \alpha + 1 = 0$"  aus der Multiplikationstabelle.

2

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Koeffizientenvektor– und der Polynomdarstellung?  Es gelte  $k_0 ∈ \{0, \, 1\}$  und  $k_1 ∈ \{0, \, 1\}$.

	"$(k_0 \ k_1)$"  bezieht sich auf das Element  "$k_1 \cdot \alpha + k_0$".
	"$(k_1 \ k_0)$"  bezieht sich auf das Element  "$k_1 \cdot \alpha + k_0$".
	Zwischen beiden Darstellungen besteht keinerlei Zusammenhang.

3

Wie hängen Polynom– und Exponentendarstellung zusammen?

	Es sind keine Zusammenhänge erkennbar.
	Die Elemente  "$0$",  "$1$"  und  "$\alpha$"  sind in beiden Darstellungen gleich.
	Das Element  "$1 + \alpha$"  lautet in der Exponentendarstellung  "$\alpha^2$".
	Das Element  "$\alpha^2$"  der Exponentendarstellung steht für  "$\alpha \cdot (1 + \alpha)$".

4

Berechnen Sie die Ausdrücke  $A$  und  $B$  nach diesen drei Darstellungsformen.  Welche Aussagen treffen zu?

	Es gilt  $A = z_0$,
	Es gilt  $A = z_2$,
	Es gilt  $B = z_1$,
	Es gilt  $B = z_3$.

Musterlösung

Musterlösung

(1)  Zutreffend sind die  Lösungsvorschläge 1, 2 und 5.  Begründung:

• Wäre  $\alpha = 0$  oder  $\alpha = 1$,  so wäre das Pseudoelement  $\alpha$  nicht mehr unterscheidbar von den beiden anderen  ${\rm GF}(2)$–Elementen  $0$  und  $1$.

• Die Modulo–2–Rechnung erkennt man aus der Additionstabelle.  Beispielsweise gilt  $1 + 1 = 0, \ \alpha + \alpha = 0, \ (1 + \alpha) + (1 + \alpha) = 0$, usw.

• Aus der Multiplikationstabelle geht hervor,  dass  $\alpha^2 = \alpha \cdot \alpha = 1 + \alpha$ gilt  $($3. Zeile, 3. Spalte$)$.  Damit gilt auch

$$\alpha^2 + \alpha + 1 = 0.$$

(2)  Richtig ist  Lösungsvorschlag 2.  So steht

• "$(0 \ 1)$"  für das Element  "$1$",  und

• "$(1 \ 0)$"  für das Element  "$0$".

(3)  Richtig sind die  Lösungsvorschläge 2 und 3:

• Es gilt  $\alpha^0 = 1$  und  $\alpha^1 = \alpha$.

• Bei dem zugrundeliegenden Polynom  $p(x) = x^2 + x + 1$  folgt aus  $p(\alpha) = 0$  weiterhin:

$$\alpha^2 +\alpha + 1 = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} \alpha^2 =\alpha + 1 \hspace{0.05cm}.$$

(4)  Entsprechend den Tabellen der Polynomdarstellung gilt:

$$A \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} z_2 \cdot z_2 + z_2 \cdot z_3 + z_3 \cdot z_3 = \alpha \cdot \alpha + \alpha \cdot (1+\alpha) + (1+\alpha) \cdot (1+\alpha) = (1+\alpha) + (1) + (\alpha) = 0 = z_0 \hspace{0.05cm},$$

$$B \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} (z_0 + z_1 + z_2) \cdot (z_0 + z_1 + z_3) = (0 + 1 + \alpha) \cdot (0 + 1 + 1+ \alpha) = (1+\alpha) \cdot \alpha = 1 = z_1 \hspace{0.05cm}.$$

Richtig sind demnach die  Lösungsvorschläge 1 und 2.

• Zu den gleichen Ergebnissen kommt man mit der Koeffizientenvektordarstellung:

$$A \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} z_2 \cdot z_2 + z_2 \cdot z_3 + z_3 \cdot z_3 = (10) \cdot (10) + (10) \cdot (11) + (11) \cdot (11) = (11) + (01) + (10) = (00) = 0 = z_0 \hspace{0.05cm},$$

$$B \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} (z_0 + z_1 + z_2) \cdot (z_0 + z_1 + z_3) = [(00) + (01) + (10)] \cdot [(00) + (01) + (11)] =(11) \cdot (10) = (01) = z_1 \hspace{0.05cm}.$$

• Und schließlich mit der Exponentendarstellung:

$$A \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} z_2 \cdot z_2 + z_2 \cdot z_3 + z_3 \cdot z_3 = \alpha^1 \cdot \alpha^1 + \alpha^1 \cdot \alpha^2 + \alpha^2 \cdot \alpha^2 = \alpha^2 + \alpha^3 + \alpha^4 = \alpha^2 + \alpha^0 + \alpha^1 = 0 = z_0 \hspace{0.05cm},$$

$$B \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}(z_0 + z_1 + z_2) \cdot (z_0 + z_1 + z_3) = [0 + \alpha^0 + \alpha^1] \cdot [0 + \alpha^0 + \alpha^2] = \alpha^2 \cdot \alpha^1 = \alpha^3 = \alpha^0 = z_1 \hspace{0.05cm}.$$