總結本論文之研究成果,並提出未來之建議研究方向。
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第二章 餘數系統
2.1 前言
在資訊領域中,二進制數字系統(Binary Number System)通常以 0 和 1 來表 示數值。在進行運算時,每個位元間存在著進位/借位的情況,是屬於權重數字 系統(Weighted Number System)。然而餘數系統(Residue Number System) 其運算 性質無論在加法、減法以及乘法上都具有平行(parallel)、無進位(carry-free)和快 速(high-speed)的特性存在。
2.2 餘數系統定義
餘數系統(Residue Number System)的定義是建構在一組基底(Base)上。假設
該基底由 𝑛 個正整數形成一組集合,此組基底集合(moduil set)表示式為
{𝑚1, 𝑚2, 𝑚3, ⋯ , 𝑚𝑛−1, 𝑚𝑛},其中每個 𝑚𝑖 (𝑖 = 1,2,3,4, … , 𝑛)皆為一個獨立的模數 組(module),且𝐺𝐶𝐷(𝑚𝑖, 𝑚𝑗) = 1,𝑖 ≠ 𝑗。
給定一個正整數數值 𝑋 ,其經過餘數系統表示如下:
𝑋𝑅𝑁𝑆→ (𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, ⋯ , 𝑥𝑛−1, 𝑥𝑛), (2.1)
其中每個 𝑥𝑖 為 𝑋 對於第 𝑖 個模數(module)取餘數的結果,即為 𝑥𝑖 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 𝑚𝑖 = | 𝑋 |𝑚𝑖,0 ≤ 𝑥𝑖 < 𝑚𝑖。
然而在餘數系統中,每一個整數都只有一個餘數表示式,每一個數就只有一 個最小的餘數,因此我們以 M 表示餘數系統能夠表示數字的範圍為動態範圍 (dynamic range),其中:
𝑀 = 𝑚1× 𝑚2× 𝑚3× ⋯ × 𝑚𝑛−1× 𝑚𝑛 = ∏𝑛 𝑚𝑖
𝑖=1 , 0 ≤ 𝑋 < 𝑀。
(2.2)
2.3 餘數系統運算特性
假設有一個模數組 𝑇 = {𝑚1, 𝑚2, 𝑚3, ⋯ , 𝑚𝑛−1, 𝑚𝑛},其中每個 𝑚𝑖 (𝑖 = 1,2,3,4, … , 𝑛)皆為兩兩互質之正整數。給定兩個正整數 𝑋、𝑌,其中動態範圍為 0 ≤ 𝑋 < 𝑀、0 ≤ 𝑌 < 𝑀,𝑀 = ∏𝑛𝑖=1𝑚𝑖。因此我們可以得到,𝑋 的餘數系統表 示式為(𝑥1, 𝑥2, 𝑥3, ⋯ , 𝑥𝑛−1, 𝑥𝑛),其中 𝑥𝑖 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 𝑚𝑖;𝑌 的餘數系統表示式為 (𝑦1, 𝑦2, 𝑦3, ⋯ , 𝑦𝑛−1, 𝑦𝑛),其中 𝑦𝑖 = 𝑌 𝑚𝑜𝑑 𝑚𝑖。
接著定義餘數系統加法(Modular addition)運算數學式子為[13] :
𝑋 + 𝑌 = (|𝑥1+ 𝑦1|𝑚1, |𝑥2+ 𝑦2|𝑚2, ⋯ , |𝑥𝑛+ 𝑦𝑛|𝑚𝑛)。 (2.3)
餘數系統減法(Modular subtraction)運算數學式子為:
𝑋 − 𝑌 = (|𝑥1− 𝑦1|𝑚1, |𝑥2− 𝑦2|𝑚2, ⋯ , |𝑥𝑛− 𝑦𝑛|𝑚𝑛)。 (2.4)
餘數系統乘法(Modular multiplication)運算數學式子為:
𝑋 × 𝑌 = (|𝑥1× 𝑦1|𝑚1, |𝑥2× 𝑦2|𝑚2, ⋯ , |𝑥𝑛× 𝑦𝑛|𝑚𝑛)。 (2.5)
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2.4 中國餘數定理
中國餘數定理最早起源於《老子算經》中的『物不知數』,為提出線性同餘
(congruence) 理論之始祖,南宋秦九韶 (1202-1261) 的一般化解法和德國數學 家高斯 (Gauss) 於 1801 年所發表的剩餘定理相同,因此,西方國家稱此類型 的問題為『中國餘數定理』(Chinese Remainder Theorem,簡稱 CRT)[14] 。中國 餘數定理的計算運用了整數在模數組演算(modular arithmetic)的特性。中國餘數 定理之描述如下:
令 𝑚1, 𝑚2, 𝑚3, ⋯ , 𝑚𝑛−1, 𝑚𝑛 為兩兩互質的正整數,其中𝑀 = ∏𝑛𝑖=1𝑚𝑖,對 任意整數𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, ⋯ , 𝑎𝑛−1, 𝑎𝑛,則有以下特性:
{
X = 𝑎1 𝑚𝑜𝑑 𝑚1 X = 𝑎2 𝑚𝑜𝑑 𝑚2 X = 𝑎3 𝑚𝑜𝑑 𝑚3 X = 𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑑 𝑚⋮ 𝑛
(2.6)
以上等式之系統可使 𝑋 在整數中有唯一解。當有 𝑛 組(𝑎𝑖, 𝑚𝑖)時,可由中 國餘數定理解回 𝑀 中的唯一解 𝑋 (1 ≤ 𝑖 < 𝑛)。因此可以得到 𝑋 解公式:
𝑋 = ∑ 𝑎𝑖 𝑀 𝑚𝑖
𝑛
𝑖=1
𝑦𝑖 𝑚𝑜𝑑 𝑀。 (2.7)
其中 𝑀
𝑚𝑖× 𝑦𝑖 = 1 𝑚𝑜𝑑 𝑚𝑖,則得到:
𝑦𝑖 = (𝑀 𝑚𝑖)
−1
𝑚𝑜𝑑 𝑚𝑖。 (2.8)
第三章 文獻探討
3.1 Lu 和 Chiang 的方法
1992 年,Lu 和 Chiang 等學者[6] 提出利用奇偶校驗技術來解決數值比較 的問題。如果該數為偶數,其奇偶性質為 0;否則它的奇偶性質為 1。Lu 和 Chiang 首先先對兩個數值 𝑋、𝑌 與 𝑋、𝑌 和 𝑋 − 𝑌 的奇偶性質來做討論。根 據 Lu 和 Chiang 所提的定理 3,若 𝑋 和 𝑌 具有相同奇偶性質,且令 Z = 𝑋 − 𝑌,如果 Z 是偶數,則 𝑋 ≥ 𝑌;如果 Z 為奇數,則 𝑋 < 𝑌。又定理 4 所述,若 𝑋 和 𝑌具有不同奇偶性質,且令Z = 𝑋 − 𝑌,如果 Z 是奇數,則 𝑋 ≥ 𝑌;如果 Z 為偶數,則 𝑋 < 𝑌。
根據以上兩個定理,利用奇偶特性來比較兩數的大小,因此他們提出奇偶 校驗方法。首先使用一個額外的模數(modulus)2,對所有的餘數系統奇偶性質 來建立表格,以便日後查詢,不過這樣的表格太大,且不切實際。然而,利用 餘數系統及小數表示方式,來判斷奇偶性質,不過此方法需要太多的計算時間 及儲存空間。
3.2 Chen 的方法
2006 年 Chen 學者[5] ,提出了改良 Lu 和 Chiang 學者的方法,該方法是利 用兩個模數組 𝑇 = {2ℎ− 1, 2ℎ+ 1 },且 ℎ 為正整數來進行奇偶校驗。我們可 以得到𝑀 = 22ℎ − 1,| 1 𝑚⁄ 2|𝑚1 = 𝑚2−1 mod 𝑚1 = 2ℎ−1 和 | 1 𝑚⁄ 1|𝑚2 = 𝑚1−1 mod 𝑚2 = 2ℎ−1,則可以知道:
9
X= M𝑥1
2ℎ− 12ℎ−1+ M𝑥2
2ℎ+ 12ℎ−1− 𝑟𝑀。 (3.1)
其中X 和 𝑟 具有相同的奇偶性質,可將上式導出:
𝑟 = ⌊2ℎ𝑥−11 2ℎ−1+2ℎ𝑥+12 2ℎ−1⌋ = ⌊𝑥1+𝑥2 2+ 𝛿⌋,
其中 |𝛿| = |((𝑥1− 𝑥2)/𝑀)2ℎ−1+ (𝑥1+ 𝑥2)/2𝑀| < 12。
(3.2)
如果 𝑥1 ≥ 𝑥2,我們可以得到0 ≤ 𝛿 < 12,𝑟 的奇偶性質同等於
⌊(𝑥1+ 𝑥2 𝑚𝑜𝑑 4)/2⌋,如果 𝑥1 < 𝑥2,𝑟 的奇偶性質同等於⌊((𝑥1+ 𝑥2 𝑚𝑜𝑑 4) − 1)/2⌋。因此我們可以得到,給定一個數值𝑋 = (𝑥1, 𝑥2),當𝑥1 ≥ 𝑥2,𝑋 奇偶性 質同等於⌊(𝑥1+ 𝑥2 𝑚𝑜𝑑 4)/2⌋;反之,當 𝑥1 < 𝑥2,𝑋 奇偶性質則同等於
⌊((𝑥1+ 𝑥2 𝑚𝑜𝑑 4) − 1)/2⌋。明顯地,Chen 的方法不需要建立表格查表以及計算 小數運算。
3.3 Chen 及 Hsueh 的方法
2011 年由 Chen 和 Hsueh [4] ,為改善模數組 {2ℎ− 1, 2ℎ+ 1 },提出新的 兩個模數組 𝑇 = {2𝑝 − 1,2𝑝 + 1 } 之奇偶校驗方法。根據模數組 {2𝑝 − 1,2𝑝 + 1 } , 可以得到𝑀 = 4𝑝2− 1,| 1 𝑚⁄ 2|𝑚1 = 𝑝 和| 1 𝑚⁄ 1|𝑚2 = 𝑝,則可以知道:
X= M𝑥1
2𝑝 − 1𝑝 + M𝑥2
2𝑝 + 1𝑝 − 𝑟𝑀。 (3.3)
其中 𝑟 的關係式表示如下:
𝑟 = ⌊ 𝑥1
2𝑝 − 1𝑝 + 𝑥2
2𝑝 + 1𝑝⌋ = ⌊𝑥1+ 𝑥2
2 + 𝛿⌋ (3.4)
接著藉由 𝑟 的關係,導出 𝑋 的奇偶性質。因此 Chen 和 Hsueh 導出位元 運算結果如下:給定一個數值 𝑋 = (𝑥1, 𝑥2),令 𝑌 = 𝑥1+ 𝑥2 𝑚𝑜𝑑 4。其中使用 二進位表示法表示 𝑌 為 𝑦1𝑦0。當 𝑥1 ≥ 𝑥2,𝑋 奇偶性質同等於 𝑦1⊕ 𝑦0;反 之,當 𝑥1 < 𝑥2,𝑋 奇偶性質則同等於 𝑦0⊕ 𝑦̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅。0⊕ 𝑦1
11
𝑟 = ⌊𝑡1
13
2(3𝑛 + 2) + 1,則 𝑝 必為奇數。
因此,我們可以化簡為,當 𝑝 為奇數時,𝑋 的奇偶判斷決定於 𝑟 ;反 之,𝑝 為偶數時,𝑋 的奇偶判斷則決定於 𝑥1+ 𝑥2+ 𝑟 𝑚𝑜𝑑 2。接著,根據式 (4.4)和式(4.7),代入可得式(4.8):
𝑟 = ⌊ 𝑥1 2𝑝 − 3
5𝑝 − 7
3 + 𝑥2 2𝑝 + 3
𝑝 + 1
3 ⌋ 。 (4.8)
又知道
1
2𝑝−3 = 2𝑝 1 + ( 2𝑝(2𝑝−3) 3 ) = 2𝑝 1 + 𝑀 3 + 2𝑝𝑀 9
, (4.9)和
1
2𝑝+3 = 2𝑝 1 − ( 2𝑝(2𝑝+3) 3 ) = 2𝑝 1 − 𝑀 3 + 2𝑝𝑀 9
。 (4.10)經由式(4.9)和式(4.10)化簡後,我們可得式(4.11):
𝑟 = ⌊5𝑥1+ 𝑥2
6 + 𝛿⌋ , (4.11)
其中
𝛿 =(5𝑥1− 𝑥2)
𝑀 𝑝 +(𝑥1+ 𝑥2)
2𝑀 +(−7𝑥1+ 𝑥2)
6𝑝 +(−21𝑥1+ 3𝑥2)
2𝑝𝑀 。 (4.12)
接著,我們知道 0 ≤ 𝑥1 < 2𝑝 − 3 和 0 ≤ 𝑥2 < 2𝑝 + 3,因此,可得到:
|𝛿| = |𝑥1(2𝑝 + 3) − 𝑥2(2𝑝 − 3)
6𝑀 | < |(2𝑝 + 3)(2𝑝 − 3)
6𝑀 | =1
6。 (4.13)
根據以上這些式子,我們可以執行 𝑋 奇偶性質之判斷。
在 𝑥1 ≥ 𝑥2 時,根據式(4.13)可以知道 𝛿 範圍為 0 ≤ 𝛿 <16 。根據式 (4.11),𝑟 的奇偶數判斷則為 ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。因此,可以推導出,當 𝑝 為奇數 時,𝑋 的奇偶性質為 ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,𝑝 為偶數時,𝑋 的奇偶性質則為 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
接著,當 𝑥1 < 𝑥2 時,將會出現以下兩種情況:
(1) 當
|
(𝑥1−𝑥2)𝑝3𝑀
| ≥ |
(𝑥1+𝑥2)2𝑀
|
時,根據式(4.13)可以推導出 𝛿 範圍為 −16<𝛿 ≤ 0。如果 𝛿 = 0 ,則
|
(𝑥1−𝑥2)𝑝3𝑀
| = |
(𝑥1+𝑥2)2𝑀
| ,
我們可以得到 𝑥1 = 𝑥2 = 0,這與事實不符,所以修正 𝛿 範圍為−16< 𝛿 < 0。接著將 𝛿 範圍值恆正,因此可以得到 𝑟 = ⌊5𝑥16+𝑥2+ 𝛿⌋ = ⌊5𝑥1+𝑥62−1+16+ 𝛿⌋,滿足 0 <16+ 𝛿 <16。
(2) 當
|
(𝑥13𝑀−𝑥2)𝑝| < |
(𝑥12𝑀+𝑥2)|
時,根據式(4.13)可以推導出 𝛿 範圍為 0 < 𝛿 <1
6。接著,將式子展開後為 ((𝑥2−𝑥1)𝑝)
3𝑀
<
(𝑥1+𝑥2)2𝑀 ,經化簡後可得 2𝑝−3
2𝑝+3
𝑥
2<
𝑥
1,因知道 𝑥1 < 𝑥2,統整後得到式(4.14):2𝑝 − 3
2𝑝 + 3𝑥2 < 𝑥1 < 𝑥2。 (4.14)
15
明顯的,比較 𝑥1 和 𝑥2 的差異,𝑥2− 𝑥1 小於
𝑥
2−
2𝑝−32𝑝+3𝑥
2=
6
2𝑝+3
𝑥
2< 6
。接著,已知 𝑥2− 𝑥1 < 6,令 𝑥2 = 𝑥1+ 𝑘,其中 0 < 𝑘 < 6,5 𝑥1+ 𝑥2 = 6𝑥1 + 𝑘,根據式子,我們知道 5𝑥1+ 𝑥2 不能被 6 整除,因此可以推 論 𝑟 = ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ = ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋。
最後以上兩種推論情況可以知道,𝑟 皆為 ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋,因此根據式(4.7),可
以得到,當 𝑝 為奇數時,𝑋 的奇偶性質為 ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2,反之,當 𝑝 為偶 數時,𝑋 的奇偶性質則為 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
綜上所述,給定一個餘數系統的數值 𝑋 = {𝑥1, 𝑥2 },於模數組 𝑇 = {2𝑝 − 3,2𝑝 + 3 },其中 𝑝 為整數且滿足 𝑝 = 2 𝑚𝑜𝑑 3,我們可以得到,當 𝑥1 ≥ 𝑥2, 且 𝑝 為奇數時,𝑋 的奇偶判斷取決於 ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑝 為偶數時,𝑋 的奇偶性質為 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊5𝑥16+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。又當 𝑥1 < 𝑥2,且 𝑝 為奇數時,𝑋 奇 偶性質為 ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2,反之, 𝑝 為偶數時,𝑋 奇偶性質則為 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊5𝑥1+𝑥62−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
4.3 模數組 𝑻 = {𝟐𝒑 − 𝒋, 𝟐𝒑 + 𝒋 }
接著,將上述模數組 {2𝑝 − 3,2𝑝 + 3 } 的奇偶校驗分析結果,擴展為模數 組 {2𝑝 − 𝑗, 2𝑝 + 𝑗 }。我們先假設模數組為 𝑇 = {𝑚1 = 2𝑝 − 𝑗, 𝑚2 = 2𝑝 + 𝑗 },其 中 𝑗 為奇數和 𝑝 為整數且滿足𝑝 =𝑗+12 𝑚𝑜𝑑 𝑗, 接著可以得到該動態範圍為 𝑀 = 4𝑝2− 𝑗2,並計算|𝑚1
2|
𝑚1
= (4𝑗−2)𝑝+1+𝑗−2𝑗2
2𝑗 和 |𝑚1
1|
𝑚2
= 2𝑝+𝑗−12𝑗 ,將上述式 子代入式(4.2),可以得到式(4.15):
𝑋 = 𝑀𝑥1
17
𝑥2 + 𝑟 𝑚𝑜𝑑 2 ;反之,若 𝑝 為偶數時,則 𝑋 的奇偶判斷決定於 𝑟 。當 𝑗+12 為偶數情況下,若 𝑝 為偶數時,𝑋 的奇偶判斷決定於 𝑥1+ 𝑥2+ 𝑟 𝑚𝑜𝑑 2 ; 反之,𝑝 為奇數時,𝑋 的奇偶判斷則決定於 𝑟 。圖二列出 𝑋 奇偶性質判斷之 流程。
圖 二 𝑋 奇偶性質判斷流程
定理
給定一個餘數系統的數值 𝑋 = {𝑥1, 𝑥2 },於模數組 𝑇 = {𝑚1 = 2𝑝 − 𝑗, 𝑚2 = 2𝑝 + 𝑗 },其中 𝑗 為奇數和 𝑝 為整數且滿足 𝑝 =𝑗+12 𝑚𝑜𝑑 𝑗,令 𝑡 = 𝑝−
𝑗+1 2
𝑗 ,我
們可以得到,在 𝑥1 ≥ 𝑥2 的情形下, 𝑡 為奇數時,𝑋 的奇偶判斷取決於
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑡 為偶數時,𝑋 的奇偶性質為 𝑥1+ 𝑥2 +
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。又在 𝑥1 < 𝑥2 的情形下, 𝑡 為奇數時,𝑋 的奇偶判斷決 定於 ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑡 為偶數時,則 𝑋 的奇偶性質決定於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
𝑝
(𝑗 + 1)/2
𝑝
𝑋 奇偶等同𝑥1+ 𝑥2
+ 𝑟 𝑚𝑜𝑑 2 𝑋 奇偶等同 𝑟 𝑋 奇偶等同𝑥1
+ 𝑥2+ 𝑟 𝑚𝑜𝑑 2 𝑋 奇偶等同 𝑟
奇數 偶數
奇數 偶數 奇數 偶數
證明
19
|𝛿| = |𝑥1(2𝑝 + 𝑗) − 𝑥2(2𝑝 − 𝑗)
2𝑗𝑀 | < |(2𝑝 + 𝑗)(2𝑝 − 𝑗)
2𝑗𝑀 | = 1
2𝑗。 (4.22)
根據以上這些式子,我們可以執行下列 𝑋 奇偶數之判斷。
情況一:當 𝑥1 ≥ 𝑥2 時,根據式(4.22)可以推導出 𝛿 的範圍為 0 ≤ 𝛿 <2𝑗1,根 據式(4.20), 𝑟 的奇偶數判斷為⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。因此,我們可以推論,在 𝑥1 ≥ 𝑥2 ,當 𝑗+12 和 𝑝 為相異奇偶性質時,𝑋 奇偶性質等同於
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,當 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇偶性質時,則 𝑋 奇偶性質
等同於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2
情況二:當 𝑥1 < 𝑥2時,將會出現以下兩種情況:
(1)
|
(𝑥1−𝑥2)𝑝𝑗𝑀
| ≥ |
(𝑥1+𝑥2)2𝑀
|
當|
(𝑥1−𝑥2)𝑝𝑗𝑀
| ≥ |
(𝑥1+𝑥2)2𝑀
|
時,根據式(4.22)可以推論出 𝛿 的範圍為 −2j1 <𝛿 ≤ 0 。如果 𝛿 = 0,則 |(𝑥1−𝑥𝑗𝑀2)𝑝| = |(𝑥12𝑀+𝑥2)|,因此我們可以得到 𝑥1 = 𝑥2 = 0,這與事實不符,我們將 𝛿 的範圍修正為 −2j1 < 𝛿 < 0。接著,將 𝛿 的範
圍值恆正,所以得到 0 < 2𝑗1 + 𝛿 < 2𝑗1 ,此時 𝑟 的奇偶判斷式修正為 𝑟 =
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2+ 𝛿⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 = ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1+2𝑗1 + 𝛿⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。因此,根據式(4.15),
在 𝑥1 < 𝑥2 的情況下,當
|
(𝑥1−𝑥2)𝑝𝑗𝑀
| > |
(𝑥1+𝑥2)2𝑀
|
時, 𝑟 的奇偶判斷則為⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
(2)
|
(𝑥1−𝑥𝑗𝑀2)𝑝| < |
(𝑥12𝑀+𝑥2)|
當
|
(𝑥1−𝑥𝑗𝑀2)𝑝| < |
(𝑥12𝑀+𝑥2)|
時,根據式(4.22)可以推論出 𝛿 的範圍為 0 <𝛿 <2𝑗1 ,展開後為 ((𝑥2−𝑥1)𝑝)
𝑗𝑀
<
(𝑥1+𝑥2)2𝑀 ,經化簡後得到
2𝑝−𝑗
2𝑝+𝑗
𝑥
2< 𝑥
1,又我們 知道 𝑥1 < 𝑥2,統整得到式(4.23):2𝑝 − 𝑗
2𝑝 + 𝑗𝑥2 < 𝑥1 < 𝑥2。 (4.23)
接著,比較 𝑥1 和 𝑥2 的差異:
𝑥2−2𝑝 − 𝑗
2𝑝 + 𝑗𝑥2 = 2𝑗
2𝑝 + 𝑗𝑥2 < 2𝑗。 (4.24)
根據式(4.24),可以得知 𝑥2− 𝑥1 < 2𝑗。令 𝑥2 = 𝑥1+ 𝑘,其中 0 < 𝑘 < 2𝑗,
接著可以得到 (2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2 = 2𝑗𝑥1+ 𝑘,根據式子,0 < 𝑘 < 2𝑗,我們可以知 道 (2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2 不能被 2𝑗 整除,所以我們推論 𝑟 = ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ =
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 。因此,根據式(4.15),𝑥1 < 𝑥2 ,於 |(𝑥1−𝑥𝑗𝑀2)𝑝| < |(𝑥12𝑀+𝑥2)| 時,𝑟
的奇偶判斷則為 ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
最後,根據以上兩種情況,我們可以統整推論,當 𝑥1 < 𝑥2 時,𝑟 的奇偶 性質判斷皆為 ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
因此,綜上所述,在 𝑥1 ≥ 𝑥2 的情況下,當 𝑗+12 和 𝑝 為相異奇偶性質 時,𝑋 的奇偶判斷取決於 ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇偶
(2𝑗−1)𝑥1+𝑥2
21
的情況下,當 𝑗+12 和 𝑝 相異奇偶性質時,𝑋 的奇偶判斷決定於
⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇偶性質時,則 𝑋 的奇偶判 斷決定於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊(2𝑗−1)𝑥2𝑗1+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
第五章 實驗結果
5.1 前言
根據第四章的方法,本章將 𝑗+12 和 𝑝 對 𝑋 的奇偶性質分析等四種模數組 情況來驗證,其中包含 {11,21} 、{21,31} 、 {15,29} 、 {29,43} 。即模數組 𝑇 = {2𝑝 − 5,2𝑝 + 5 } , 𝑝 分成偶數和奇數來討論,並舉例 𝑝 = 8 和 𝑝 = 13 來驗證。另外,模數組 𝑇 = {2𝑝 − 7,2𝑝 + 7 } , 𝑝 也分成偶數和奇數來討論,
並舉例 𝑝 = 11 和 𝑝 = 18 來實驗。
5.2 模數組 𝑻 = {𝟐𝒑 − 𝟓, 𝟐𝒑 + 𝟓 }
當 𝑗 = 5 時,模數組為 𝑇 = {𝑚1 = 2𝑝 − 5, 𝑚2 = 2𝑝 + 5 },其中 𝑝 為整
數且滿足 𝑝 = 3 𝑚𝑜𝑑 5,根據本文的方法,我們可以得到,給定一個餘數系統
的數值 𝑋 = {𝑥1, 𝑥2 },於模數組 𝑇 = {2𝑝 − 5,2𝑝 + 5 },其中 𝑝 為整數且滿足 𝑝 = 3 𝑚𝑜𝑑 5, 𝑗+12 = 5+12 = 3 為奇數。因此,在 𝑥1 ≥ 𝑥2 時,當 𝑝 為偶數,𝑋 的奇偶判斷取決於 ⌊9𝑥110+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,當 𝑝 為奇數,𝑋 的奇偶判斷取決 於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊9𝑥110+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。又在 𝑥1 < 𝑥2時,當 𝑝 為偶數時,𝑋 奇偶性質為
⌊9𝑥1+𝑥102−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2,反之,當 𝑝 為奇數時,𝑋 奇偶性質則為 𝑥1+ 𝑥2+
⌊9𝑥1+𝑥102−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
,
5.3 模數組 𝑻 = {𝟐𝒑 − 𝟓, 𝟐𝒑 + 𝟓 } 結果分析
5.3.1
𝒑 = 𝟖 為偶數23
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟225
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 58 3 16 0 116 6 11 0 174 9 6 05.3.2
𝒑 = 𝟏𝟑 為奇數接著,我們將討論 𝑝 為奇數時的情形。我們設為 𝑝 = 13 ,並將 𝑋 動態 範圍內所有的數值對於奇偶性質判斷結果呈列如下表二。其中,當 𝑝 = 13 時,模數組為 𝑇 = {𝑚1 = 21, 𝑚2 = 31 },該動態範圍為 𝑀 = 651,令數值為 𝑋 = (𝑥1, 𝑥2),其中 𝑥1 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 21、𝑥2 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 31。因 𝑝 = 13 為奇數,當 𝑥1 ≥ 𝑥2 時, 𝑋 的奇偶判斷取決於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊9𝑥110+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;又當 𝑥1 < 𝑥2
時,𝑋 奇偶性質為 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊9𝑥1+𝑥102−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 。
根據本文的方法,當 𝑋 = 519 = (15,23) 時,因 𝑝 為奇數且 𝑥1 < 𝑥2 , 所以可以得到 𝑟2 = 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊9𝑥1+𝑥102−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 = 1為奇數。因此,可得知本 文方法與實際上相符。(𝑟1 = 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊9𝑥110+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2、𝑟2 = 𝑥1+ 𝑥2+
⌊9𝑥1+𝑥102−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2)
表 二 數值 𝑋 對模數組{ 21 , 31 }奇偶校驗結果
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 1 1 1 1 166 19 11 0 331 16 21 1 496 13 0 0 2 2 2 0 167 20 12 1 332 17 22 0 497 14 1 1 3 3 3 1 168 0 13 0 333 18 23 1 498 15 2 0 4 4 4 0 169 1 14 1 334 19 24 0 499 16 3 1 5 5 5 1 170 2 15 0 335 20 25 1 500 17 4 0 6 6 6 0 171 3 16 1 336 0 26 0 501 18 5 1 7 7 7 1 172 4 17 0 337 1 27 1 502 19 6 0 8 8 8 0 173 5 18 1 338 2 28 0 503 20 7 1 9 9 9 1 174 6 19 0 339 3 29 1 504 0 8 0 10 10 10 0 175 7 20 1 340 4 30 0 505 1 9 1X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟227
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟229
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 155 8 0 1 320 5 10 0 485 2 20 1 650 20 30 0 156 9 1 0 321 6 11 1 486 3 21 0157 10 2 1 322 7 12 0 487 4 22 1 158 11 3 0 323 8 13 1 488 5 23 0 159 12 4 1 324 9 14 0 489 6 24 1 160 13 5 0 325 10 15 1 490 7 25 0 161 14 6 1 326 11 16 0 491 8 26 1 162 15 7 0 327 12 17 1 492 9 27 0 163 16 8 1 328 13 18 0 493 10 28 1 164 17 9 0 329 14 19 1 494 11 29 0 165 18 10 1 330 15 20 0 495 12 30 1
5.4 模數組 𝑻 = {𝟐𝒑 − 𝟕, 𝟐𝒑 + 𝟕 }
接著,探討本文方法的另一種情形,我們設 𝑗 = 7 作為實驗驗證。當 𝑗 =
7 時,模數組則為 𝑇 = {𝑚1 = 2𝑝 − 7, 𝑚2 = 2𝑝 + 7 },其中 𝑝 為整數且滿足 𝑝 = 4 𝑚𝑜𝑑 7。給定一個餘數系統的數值 𝑋 = {𝑥1, 𝑥2 },於模數組 𝑇 = {2𝑝 − 7,2𝑝 + 7 },其中 𝑝 為整數且滿足 𝑝 = 4 𝑚𝑜𝑑 7, 𝑗+12 =7+12 = 4 為偶數。因 此,我們可以得到,當 𝑥1 ≥ 𝑥2 時, 𝑝 為奇數,𝑋 的奇偶判斷取決於
⌊13𝑥141+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之, 𝑝 為偶數時,𝑋 的奇偶判斷則為 𝑥1+ 𝑥2+
⌊13𝑥141+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。又當 𝑥1 < 𝑥2時,𝑝 為奇數,𝑋 奇偶性質判斷為
⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2,反之, 𝑝 為偶數時,𝑋 奇偶性質判斷則為 𝑥1 + 𝑥2 +
⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。
5.5 模數組 𝑻 = {𝟐𝒑 − 𝟕, 𝟐𝒑 + 𝟕 } 結果分析
𝒑 = 𝟏𝟏 為奇數
31
根據上述分析結果,我們先以 𝑝 = 11 為奇數做驗證, 𝑋 動態範圍內所有
的數值對於奇偶性質判斷結果呈列如下表三。其中, 𝑝 = 11 時,模數組為 𝑇 = {𝑚1 = 15, 𝑚2 = 29 },該動態範圍為 𝑀 = 435,令數值為 𝑋 = (𝑥1, 𝑥2),其 中 𝑥1 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 15、𝑥2 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 29。因 𝑝 = 11 為奇數,根據本文的方法知 道,當 𝑥1 ≥ 𝑥2 時, 𝑋 的奇偶判斷取決於 ⌊13𝑥141+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;又當 𝑥1 < 𝑥2
時,𝑋 奇偶性質判斷則為 ⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 。
根據本文的方法,當 𝑋 = 227 = (2,24) 時,因 𝑝 為奇數且 𝑥1 < 𝑥2 ,所 以 𝑟2 = ⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 = 1 為奇數。因此,可得知本文方法與實際上相 符。(𝑟1 = ⌊13𝑥141+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2、𝑟2 = ⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2)
表 三 數值 𝑋 對模數組{ 15 , 29 }奇偶校驗結果
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 1 1 1 1 111 6 24 1 221 11 18 1 331 1 12 1 2 2 2 0 112 7 25 0 222 12 19 0 332 2 13 0 3 3 3 1 113 8 26 1 223 13 20 1 333 3 14 1 4 4 4 0 114 9 27 0 224 14 21 0 334 4 15 0 5 5 5 1 115 10 28 1 225 0 22 1 335 5 16 1 6 6 6 0 116 11 0 0 226 1 23 0 336 6 17 0 7 7 7 1 117 12 1 1 227 2 24 1 337 7 18 1 8 8 8 0 118 13 2 0 228 3 25 0 338 8 19 0 9 9 9 1 119 14 3 1 229 4 26 1 339 9 20 1 10 10 10 0 120 0 4 0 230 5 27 0 340 10 21 0 11 11 11 1 121 1 5 1 231 6 28 1 341 11 22 1 12 12 12 0 122 2 6 0 232 7 0 0 342 12 23 0 13 13 13 1 123 3 7 1 233 8 1 1 343 13 24 1 14 14 14 0 124 4 8 0 234 9 2 0 344 14 25 0 15 0 15 1 125 5 9 1 235 10 3 1 345 0 26 1 16 1 16 0 126 6 10 0 236 11 4 0 346 1 27 0 17 2 17 1 127 7 11 1 237 12 5 1 347 2 28 1 18 3 18 0 128 8 12 0 238 13 6 0 348 3 0 0X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟233
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 91 1 4 1 201 6 27 1 311 11 21 1 421 1 15 1 92 2 5 0 202 7 28 0 312 12 22 0 422 2 16 0 93 3 6 1 203 8 0 1 313 13 23 1 423 3 17 1 94 4 7 0 204 9 1 0 314 14 24 0 424 4 18 0 95 5 8 1 205 10 2 1 315 0 25 1 425 5 19 1 96 6 9 0 206 11 3 0 316 1 26 0 426 6 20 0 97 7 10 1 207 12 4 1 317 2 27 1 427 7 21 1 98 8 11 0 208 13 5 0 318 3 28 0 428 8 22 0 99 9 12 1 209 14 6 1 319 4 0 1 429 9 23 1 100 10 13 0 210 0 7 0 320 5 1 0 430 10 24 0 101 11 14 1 211 1 8 1 321 6 2 1 431 11 25 1 102 12 15 0 212 2 9 0 322 7 3 0 432 12 26 0 103 13 16 1 213 3 10 1 323 8 4 1 433 13 27 1 104 14 17 0 214 4 11 0 324 9 5 0 434 14 28 0 105 0 18 1 215 5 12 1 325 10 6 1106 1 19 0 216 6 13 0 326 11 7 0
107 2 20 1 217 7 14 1 327 12 8 1 108 3 21 0 218 8 15 0 328 13 9 0 109 4 22 1 219 9 16 1 329 14 10 1 110 5 23 0 220 10 17 0 330 0 11 0
5.5.2
𝒑 = 𝟏𝟖 為偶數接著,我們再提出 𝑝 = 18 為偶數的情形,𝑋 動態範圍內所有的數值對於
奇偶性質判斷結果呈列如下表四。其中,當 𝑝 = 18 時,模數組為 𝑇 = {𝑚1 = 29, 𝑚2 = 43 },該動態範圍為 𝑀 = 1247,令數值為 𝑋 = (𝑥1, 𝑥2),其中 𝑥1 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 29、𝑥2 = 𝑋 𝑚𝑜𝑑 43。接著因 𝑝 = 18 為偶數,根據本文的方法可以得 到,當 𝑥1 ≥ 𝑥2 時, 𝑋 的奇偶判斷取決於 𝑥1+𝑥2+ ⌊13𝑥141+𝑥2⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;又當 𝑥1 < 𝑥2 時,𝑋 奇偶性質為 𝑥1+𝑥2+ ⌊13𝑥114+𝑥2−1⌋ 𝑚𝑜𝑑 2 。
根據本文的方法,當 𝑋 = 646 = (8,1) 時,因 𝑝 為偶數且 𝑥1 ≥ 𝑥2 ,所
35
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟237
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟239
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟241
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟243
X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 X 𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2X
𝑥1 𝑥2 𝑟1 𝑟2 318 28 17 0 638 0 36 0 958 1 12 0319 0 18 1 639 1 37 1 959 2 13 1 320 1 19 0 640 2 38 0 960 3 14 0
45
第六章 結論與未來研究方向
6.1 結論
本文主要是討論利用餘數系統進行奇偶校驗,我們一開始先將模數組 𝑇 = {2𝑝 − 3,2𝑝 + 3 } 作分析,接著將此分析擴充為模數組 {2𝑝 − 𝑗, 2𝑝 + 𝑗 },因 此,可以得到,在 𝑥1 ≥ 𝑥2 情況下,當 𝑗+12 和 𝑝 為相異奇偶性質時,𝑋 的
奇偶判斷取決於 ⌊((2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2) 2𝑗⁄ ⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,當 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇 偶性質時,𝑋 的奇偶判斷等於 𝑥1+ 𝑥2+ ⌊((2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2) 2𝑗⁄ ⌋ 𝑚𝑜𝑑 2。又在 𝑥1 < 𝑥2情況下, 當 𝑗+12 和 𝑝 相異為奇偶性質時,𝑋 的奇偶判斷決定於
⌊((2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2− 1) 2𝑗⁄ ⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,當 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇偶性質時,
⌊((2𝑗 − 1)𝑥1+ 𝑥2− 1) 2𝑗⁄ ⌋ 𝑚𝑜𝑑 2;反之,當 𝑗+12 和 𝑝 為相同奇偶性質時,