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MATH2068/2988: Number Theory and Cryptography Semester 2, 2016

发布时间:2022-11-06

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CC9178

Semester 2, 2016

MATH2068/2988:  Number Theory and Cryptography

1.      (a)      (i)   [2 marks] Find an inverse of 5 modulo 37.

(ii)   [2 marks] Solve the congruence 5x ≡ 4 (mod 37).

(b)      (i)   [2 marks] Find the order of 3 modulo 11.

(ii)   [2 marks] Compute the residue of 32016  modulo 11.

(c)   [2  marks]  Complete the deinition:  a function f(n) of a positive integer variable n is said to be multiplicative if . . . .

(d)   [2  marks]  Find a quadratic polynomial Q(x) = ax2  + bx + c, where the coecients a,b,c belong to {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}, such that the following all hold:

Q(1) ≡ 2  (mod 7),

Q(2) ≡ 4  (mod 7),

Q(3) ≡ 1  (mod 7).

2.      (a)   [3  marks]  A Vigen、ere cipher with encryption key FOX has been used to produce the ciphertext ROQMG. What was the plaintext?

(b)   [3 marks] Suppose you are given a long ciphertext in capital letters (of the

ordinary alphabet) and told that it was produced by enciphering ordinary English text  using either  a simple substitution  cipher or  a transposition cipher.   What statistical feature of the ciphertext would you consider to decide which of the two types of cipher was used, and why?

(c)   [3 marks] Suppose that an RSA cryptosystem has public key (119, 5). What is the decryption exponent?

(d)   [3 marks] Suppose that you are an Elgamal user with public key (59, 2, 5) and private key 6.  Note that this is consistent, because 26  ≡ 5 (mod 59). You receive the message (3, [21, 4]) . Decrypt it.

3.   This question is for students enrolled in the mainstream unit MATH2068 only.  Do not answer this if you are in the advanced unit MATH2988.

Throughout this question, a and b are positive integers with a > b.  Suppose that when we apply the Euclidean Algorithm to a and b, we obtain the following m equations (for some positive integer m):

a = q1 b + r1

b = q2r1 + r2

r1  = q3r2 + r3 

ri2  = qiri1 + ri

rm 3  = qm 1 rm 2 + rm 1

rm 2  = qmrm 1 + rm

Here, for every i ∈ {1, · · · ,m}, qi  and ri  are the quotient and remainder when ri2 is divided by ri1 . To make the notation consistent in the case when i ∈ {1, 2}, we set r 1  = a and r0  = b. We suppose that the algorithm has terminated after these m equations, i.e. rm 1   0 and rm  = 0.

(a)   [4  marks] Give the proof of a result from lectures:  namely, the fact that

gcd(ri2 ,ri1 ) = gcd(ri1 ,ri ) for all i ∈ {1, · · · ,m}.

(b)   [4  marks] Give the proof of a result from lectures:  namely, the fact that

ri  < 12ri2  for all i ∈ {1, · · · ,m}.

(c)   [4  marks]  Suppose that a and b are both less than 2k  for some positive integer k .  Give the proof of a result from lectures:  namely, the fact that m < 2k . (This uses the result from the previous part (b).)

4.      (a)   [4 marks] Give the proof of a result from lectures: namely, the fact that if a,b,c are integers such that gcd(a,b) = 1 and a | bc, then a | c.

(b)   [2  marks]  Complete the deinition:  if m is a positive integer, the Euler

phi-function (m) is . . . .

(c)   [6 marks] Recall that the Euler–Fermat Theorem says that if m is a positive integer and b is an integer such that gcd(b,m) = 1, then b(m)  = 1 (mod m). Now suppose that m = pq where p,q are distinct prime numbers.  Give the proof of a result from lectures: namely, the fact that

a(m)+1  = a (mod m) for every integer a.

You may assume the Euler–Fermat Theorem and that (m) = (p−1)(q−1).

5.   In this question you can use any results proved in lectures or tutorials.

(a)   [4  marks] Let p be an arbitrary prime number such that p = 1 (mod 3).

Prove that there exists some integer x such that x2 + x + 1 = 0 (mod p).

(b)   [4 marks] Prove that there are ininitely many prime numbers p such that

p = 2 (mod 3).

(c)   [4 marks] Prove that 2 and 6 are the only positive integers n satisfying the inequality (n)2  < n.

 6.   This question is for students enrolled in the advanced unit MATH2988 only.  Do not answer this if you are in the mainstream unit MATH2068.

(a)   [5 marks] Let a and b be integers satisfying a ≥ 1, b > 1, gcd(a,b) = 1, and

gcd(b, 10) = 1. The rational number ab  has some ininite decimal expansion

ab = tk tk 1 · · · t1t0 .t1t2t3t4 · · ·

where each ti  is a digit from the set {0, 1, 2, · · · , 9}. Note that the digits ti indexed by negative integers i are the ones that come after the decimal point. Show that if i and j are negative integers such that i = j (mod ordb (10)), then ti  = tj .

(b)   [3 marks] Let i ∈ Z+ .  Show that if m1  and m2  are odd integers such that

m1(2)  = m2(2)  (mod 2i+1), then m1  = m2  (mod 2i ) or m1  = −m2  (mod 2i ).

(c)   [4 marks] Describe a polynomial-time algorithm which determines whether a given positive integer n is a perfect square. (Here, as usual, to say that the algorithm is polynomial-time means that there is some positive integer a such that the maximum number of bit operations required when the algorithm is applied to an arbitrary positive integer n with k binary digits is O(ka ).)