Finite Field

10.7 Finite Field

Konsep finite field telah diperkenalkan pada bab-bab sebelum ini, dengan con- toh aplikasi polynomial field yang digunakan oleh enkripsi AES. Sebenarnya polynomial field adalah cara pandang atau implementasi dari finite field, de- ngan kata lain setiap finite field dapat diimplementasi sebagai polynomial field. Di bagian ini kita akan bahas esensi dari finite field terlepas dari implemen- tasi. Kita akan mendalami lebih lanjut teori mengenai finite field, termasuk pembahasan konsep characteristic dan generator.

Untuk suatu field, jika kelipatan dari 1 tidak akan dapat menghasilkan 0, maka characteristic dari field tersebut adalah 0. Jika dapat menghasilkan 0, maka characteristic adalah kelipatan terkecil p dari 1 yang menghasilkan 0:

{z

Characteristic dari suatu field harus berupa bilangan prima (kecuali jika char- acteristic = 0), karena jika characteristic tidak prima dan dapat diuraikan, misalnya p = mn dimana 1 < m, n < p, maka

yang berarti 1 + 1 + . . . + 1 = 0 atau 1 + 1 + . . . + 1 = 0, sesuatu yang mus- |

{z

{z

tahil karena p adalah kelipatan terkecil dari 1 dengan hasil 0. Characteristic

10.7. FINITE FIELD 171 dari suatu finite field F harus berupa bilangan prima karena jika 0, maka him-

punan dari semua elemen F harus mencakup N dan juga Q (Q merupakan sub- field dari F), jadi F tidak finite — suatu kontradiksi. Suatu finite field dengan characteristic p mempunyai F p (atau GF(p), Galois field dengan p elemen) sebagai subfield. Sebetulnya lebih tepat jika dikatakan bahwa F p isomorphic dengan subfield yang bersangkutan, tetapi dalam teori finite field, dua field yang isomorphic dianggap sama, hanya implementasinya mungkin berbeda. Mari kita coba buktikan bahwa F p isomorphic dengan subfield dari field dengan characteristic p. Jadi harus kita tunjukkan bahwa terdapat injective homomor- phism ϕ dari F p ke F, dimana F merupakan field dengan characteristic p. Kita definisikan

ϕ:F p −→ F m 7→ m ·1 F .

Definisi diatas merupakan definisi yang baik (well-defined) karena jika m = n dalam F p , maka p |(m − n), yang berarti

(m − n)1 F = 0, m ·1 F = n ·1 F .

Definisi juga menghasilkan ϕ yang injective karena jika m, n ∈F p keduanya dipetakan ke elemen F yang sama, maka

m ·1 F = n ·1 F , (m − n)1 F = 0,

jadi karena p |(m − n) dan m, n ∈ F p maka m = n, yang berarti ϕ adalah injective. Sekarang tinggal kita tunjukkan bahwa ϕ merupakan field homomor-

phism. Dari definisi ϕ kita dapatkan ϕ(1) = 1 F dan ϕ(0) = 0 F . Untuk m + n kita dapatkan

ϕ(m + n) = (m + n) ·1 F =m ·1 F +n ·1 F = ϕ(m) + ϕ(n).

Untuk mn kita dapatkan

ϕ(mn) = mn ·1 F = mn ·1 F ·1 F = (m ·1 F )(n ·1 F ) = ϕ(m)ϕ(n).

172 BAB 10. MATEMATIKA III - DASAR UNTUK PKC Jadi ϕ merupakan field homomorphism.

Untuk suatu finite field F q , terdapat q − 1 elemen non 0. Kumpulan dari elemen non 0 membentuk suatu multiplicative group F ∗ q , dan setiap elemen

a dalam group tersebut mempunyai order, yaitu pangkat positif terkecil dari

a yang menghasilkan 1. Untuk melihat bahwa suatu elemen non 0 a dalam

F q ∗ mempunyai order positif, jika semua pangkat a berbeda, maka field tidak finite, suatu kontradiksi. Jadi terdapat m > n, a m =a n , atau a m−n = 1, yang berarti ada pangkat positif dari a yang menghasilkan 1. Karena pangkat positif merupakan subset dari N, prinsip well-ordering mengatakan terdapat pangkat positif terkecil dari a yang menghasilkan 1, pangkat tersebut merupakan order dari a dalam F ∗ q .

Teorema 49 Jika a adalah elemen non 0 dari finite field F q , order dari a (yang kita beri label d) membagi q − 1.

Pertama kita tunjukkan dahulu bahwa a q−1 = 1. Untuk itu, kita deretkan semua elemen F ∗ q sebanyak q − 1 elemen:

a 1 ,a 2 ,...,a q−1

dan ambil produknya:

p 1 =a 1 a 2 ...a q−1 .

Jika kita kalikan setiap elemen dalam deretan dengan a, maka akan kita da- patkan deretan dengan q − 1 elemen juga:

b 1 ,b 2 ,...,b q−1

dimana b i =a i a. Kita ambil produk deretan kedua:

p 2 =b 1 b 2 ...b q−1 .

Karena dua elemen F ∗ q yang berbeda jika masing-masing dikalikan dengan a menghasilkan dua elemen F ∗ q yang berbeda juga, maka semua elemen dalam de- retan kedua berbeda, jadi deretan kedua terdiri dari semua elemen F ∗ q . Perbe- daan antara deretan pertama dengan deretan kedua hanya terletak pada urutan elemen. Jadi

p 1 =p 2 =p 1 a q−1

yang berarti a q−1 = 1. Kembali ke pembuktian semula yaitu menunjukkan bahwa d membagi q − 1, jika d tidak membagi q − 1, maka terdapat 0 < r < d dimana

q − 1 = bd + r

untuk suatu b, dan

a r =a q−1−bd = 1.

Ini adalah suatu kontradiksi karena d merupakan pangkat positif a terkecil yang menghasilkan 1. Jadi d membagi q − 1, dan selesailah pembuktian teorema 49.

10.7. FINITE FIELD 173 Definisi 24 (Generator) Elemen dari F ∗ q yang mempunyai order q − 1 dise-

but generator dari F q ∗ . Setiap elemen F ∗ q merupakan hasil pemangkatan gen- erator, jadi hasil-hasil pemangkatan generator “mengunjungi” semua elemen

F ∗ q . Teorema 50 Setiap finite field F q mempunyai generator untuk multiplicative

group F ∗ q . Jika g adalah generator untuk F ∗ q , maka g j juga merupakan gener- ator untuk F ∗ q jika dan hanya jika gcd(j, q − 1) = 1. Jadi terdapat φ(q − 1) generator untuk F q ∗ .

Untuk pembuktian teorema 50, mari kita fokus pada suatu elemen a ∈F ∗ q yang mempunyai order d (jadi a d = 1 dan tidak ada pemangkatan a dengan sesuatu yang lebih kecil dari d yang menghasilkan 1). Teorema 49 mengatakan bahwa

d |q − 1. Juga, karena a d merupakan pemangkatan terkecil yang menghasilkan

1, maka a, a 2 ,...,a d semua merupakan elemen yang berbeda. Kita ingin tun- jukkan bahwa elemen-elemen yang mempunyai order d adalah yang bernilai a j dimana gcd(j, d) = 1, jadi ada φ(d) elemen yang mempunyai order d. Kita ketahui bahwa setiap pemangkatan a diatas merupakan solusi dari persamaan

x d = 1, jadi semua merupakan akar dari x d − 1. Kita juga mengetahui bahwa x d − 1 tidak mempunyai akar ganda karena x d − 1 dan derivatifnya (dx d−1 ) tidak mempunyai pembagi persekutuan. Alhasil hanya pemangkatan a yang dapat menjadi akar dari x d − 1, jadi elemen dengan order d harus merupakan pemangkatan dari a. Namun tidak semua pemangkatan a merupakan elemen dengan order d, karena jika gcd(j, d) = d ′ > 1, maka a j mempunyai order lebih kecil dari d yaitu d/d ′

. (d/d dan j/d keduanya merupakan bilangan bulat, dan (a )

) = (a d ) j/d ′ = 1.) Kita juga harus tunjukkan bahwa jika gcd(j, d) = 1 maka a j mempunyai order d. Untuk itu kita tunjukkan bahwa jika order dari

j (d/d ′

a j lebih kecil dari d, sebut saja d ′′ , maka kita akan dapatkan suatu kontradiksi. Karena d ′′ merupakan order dari a j maka

(a j ) d ′′ = 1 = (a d ′′ ) j .

Kita juga mengetahui bahwa

(a d ′′ ) d = 1.

Jadi a d ′′ dipangkatkan dengan gcd(j, d) = 1 akan menghasilkan 1, dengan kata lain a d ′′ = 1. Tetapi ini merupakan suatu kontradiksi karena tidak ada pemangkatan a dengan sesuatu yang lebih kecil dari d yang dapat menghasilkan

1. Jadi kita sudah buktikan bahwa jika suatu elemen a mempunyai order d, maka terdapat φ(d) elemen dengan order d. Sekarang tinggal menunjukkan bahwa untuk setiap d |q − 1 terdapat elemen dengan order d. Kita gunakan teorema 33 yang mengatakan bahwa

X φ(d) = q − 1.

d|q−1

174 BAB 10. MATEMATIKA III - DASAR UNTUK PKC Jika terdapat d |q − 1 dimana tidak ada elemen dengan order d, karena teorema

49 mengatakan order dari setiap elemen dari F ∗ q membagi q − 1, maka jumlah elemen dari F ∗ q akan lebih kecil dari q − 1, suatu kontradiksi. Jadi kita sudah buktikan bahwa untuk setiap d |q − 1, terdapat φ(d) elemen dengan order d, jadi terdapat φ(q − 1) elemen dengan order q − 1, dengan kata lain terdapat φ(q − 1) generator untuk F ∗ q . Selesailah pembuktian teorema 50.

Satu lagi konsep yang perlu dijelaskan sebelum penjelasan hasil terpenting mengenai finite field adalah konsep splitting field. Untuk suatu field K dan polynomial non-konstan f dalam K[x], jika f dapat diuraikan menjadi produk dari polynomial linear dalam K[x], dengan kata lain

f=f 1 f 2 ...f n

dimana setiap f i untuk 1 ≤ i ≤ n adalah poynomial linear dalam K[x], maka

f disebut splits dalam K. Untuk suatu field F dan polynomial f dalam F [x], field K adalah splitting field untuk f jika K adalah field extension terkecil dari

F dimana f splits dalam K. Teorema 51 Untuk suatu field F dan polynomial non-konstan f dalam F [x],

terdapat splitting field untuk f yang unik (up to isomorphism). Splitting field untuk f unik up to isomorphism yang berarti jika K dan K ′

keduanya merupakan splitting field untuk f , maka K isomorphic dengan K ′ . Untuk membuktikan teorema 51, kita gunakan induksi pada degree dari f . Jika degree dari f adalah 1, maka f = ax + b dimana a, b ∈ F , jadi K = F( −b/a) = F karena −b/a ∈ F . Sekarang kita harus buktikan bahwa jika teorema 51 berlaku untuk degree n maka teorema juga berlaku untuk degree n + 1. Jika f mempunyai degree n + 1, maka terdapat faktor irreducible f 0

dari f dan teorema 26 mengatakan bahwa K = F [x]/f 0 F [x] adalah suatu field. Jadi terdapat θ 0 ∈ K yang merupakan akar dari f 0 , oleh karena itu kita dapat uraikan f = g · h dimana g = x − θ 0 . Degree dari h adalah n, jadi dengan menggunakan hipotesis induksi terdapat splitting field unik L untuk h yang merupakan field extension dari K. Karena h dapat diuraikan dalam L[x] sebagai berikut:

L = K(θ 1 ,θ 2 ,...,θ k )

dan f dapat diuraikan sebagai berikut:

f=a n+1 (x −θ 0 )

(x

−θ e

i=1

10.7. FINITE FIELD 175 jadi f ∈ L[x]. Karena

K = F (θ 0 ,θ i 1 ,θ i 2 ,...,θ i m ) dimana {θ i 1 ,θ i 2 ,...,θ i m } ⊆ {θ 1 ,θ 2 ,...,θ k }, maka L = F (θ 0 ,θ 1 ,θ 2 ,...,θ k )

merupakan splitting field untuk f . Karena field extension unik (lihat teorema

48) maka splitting field juga unik. Selesailah pembuktian teorema 51. Sekarang kita tiba pada hasil terpenting mengenai finite field yaitu teorema mengenai struktur dari finite field.

Teorema 52 • Banyaknya elemen dalam suatu finite field adalah p n di- mana p adalah characteristic dari field berupa suatu bilangan prima dan

n adalah bilangan bulat positif. • Untuk setiap bilangan prima p dan bilangan bulat positif n terdapat suatu

finite field dengan p n elemen. • Setiap finite field isomorphic dengan finite field yang mempunyai jumlah

elemen yang sama. Untuk menunjukkan bahwa banyaknya elemen dalam suatu finite field F mem-

punyai bentuk p n dimana p adalah bilangan prima dan n adalah bilangan bulat positif, kita mengetahui bahwa characteristic dari suatu finite field adalah suatu bilangan prima. Jadi p merupakan characteristic dari F dan elemen-elemen

0, 1, 2, . . . , p −1

dimana 2 = 1 + 1, 3 = 1 + 1 + 1 dan seterusnya, membuat suatu subfield dari F yang isomorphic dengan Z/pZ. F merupakan ruang vektor atas subfield diatas dan dimensi dari ruang vektor adalah n. Karena ada p kemungkinan untuk setiap koordinat, maka terdapat p n elemen secara keseluruhan.

Untuk menunjukkan bahwa terdapat finite field dengan p n elemen untuk setiap bilangan prima p dan bilangan positif n, kita gunakan polynomial

f=x q −x

dimana q = p n . Kita dapat membuat suatu F yang mempunyai Z/pZ seba- gai subfield dan merupakan splitting field untuk f atas Z/pZ. Jadi f dapat diuraikan sebagai berikut:

f = (x −r 1 )(x −r 2 ) . . . (x −r q )

dimana r i ∈ F untuk i = 1, 2, . . . , q. Setiap akar r i berbeda (r i 6= r j jika i 6= j) karena derivatif dari f :

qx q−1 − 1 ≡ −1 (mod p)

176 BAB 10. MATEMATIKA III - DASAR UNTUK PKC tidak mempunyai akar yang sama dengan akar dari f . Kita kumpulkan akar-

akar tersebut dalam suatu himpunan R:

R= {r 1 ,r 2 ,...,r q }.

Kita ingin tunjukkan bahwa R adalah suatu field. 0 dan 1 merupakan ele- men dari R karena 0 dan 1 keduanya merupakan akar dari f . Untuk +, kita dapatkan:

(a + b) q = a q +...+b q ≡ a + b (mod p)

karena semua suku kecuali a q dan b q mempunyai koefisien yang dapat dibagi µ ¶

oleh p jadi ≡ 0 (mod p) (koefisien binomial dapat dibagi oleh p untuk

0 < i < q dan = 1 untuk i = 0 dan i = q). Jadi jika a, b ∈ R, karena (a + b) merupakan akar dari f , maka (a + b) ∈ R. Untuk perkalian kita dapatkan:

(ab) q = a q b q = ab,

jadi jika a, b ∈ R, karena ab merupakan akar dari f, maka ab ∈ R. Untuk inverse kita dapatkan:

(a −1 ) q = (a q ) −1 =a −1 ,

jadi jika a ∈ R, karena a −1 merupakan akar dari f , maka a −1 ∈ R. Jadi R adalah field dengan p n elemen.

Untuk menunjukkan bahwa semua finite field dengan jumlah elemen yang sama isomorphic, kita umpamakan K 1 dan K 2 keduanya adalah finite field dengan p n elemen. Jadi K 1 dan K 2 keduanya merupakan field extension dari Z/pZ dan masing-masing memiliki p n elemen. Setiap elemen dalam K 1 dan K 2 harus mematuhi persamaan x q = x dimana q = p n , jadi karena keduanya merupakan splitting field dari x q − x maka K 1 dan K 2 isomorphic. Selesailah pembuktian teorema 52. Teorema 52 menunjukkan bahwa dua finite field dengan jumlah elemen yang sama adalah isomorphic. Dari segi teori abstrak mengenai finite field, dua finite field yang isomorphic dianggap sama, hanya implementasinya saja yang dapat berbeda. Finite field disebut juga Galois field (GF) atas nama ´ Evariste Galois yang sangat berjasa dalam pengembangan teori finite field. Suatu finite field dengan p n elemen diberi notasi GF(p n ). Notasi F p juga digunakan untuk GF(p) dan F q untuk GF(q) dimana q = p n .