Elliptische Kurve

In der Mathematik sind elliptische Kurven spezielle algebraische Kurven, auf denen geometrisch eine Addition definiert ist. Diese Addition wird in der Kryptographie zur Konstruktion sicherer Verschlüsselungsmethoden verwendet. Elliptische Kurven spielen aber auch in der reinen Mathematik eine wichtige Rolle. Historisch sind sie durch die Parametrisierung elliptischer Integrale entstanden als deren Umkehrfunktionen (elliptische Funktionen).

Eine elliptische Kurve ist eine glatte algebraische Kurve der Ordnung 3 in der projektiven Ebene. Dargestellt werden elliptische Kurven meist als Kurven in der affinen Ebene, sie besitzen aber noch einen zusätzlichen Punkt im Unendlichen.

Elliptische Kurven über dem Körper der reellen Zahlen können als die Menge aller (affinen) Punkte ${\displaystyle (x,y)\in \mathbb {R} ^{2}}$ angesehen werden, die die Gleichung

${\displaystyle y^{2}=x^{3}+ax+b}$

erfüllen, zusammen mit einem sogenannten Punkt im Unendlichen (notiert als ${\displaystyle \infty }$ oder ${\displaystyle {\mathcal {O}}}$). Die (reellen) Koeffizienten ${\displaystyle a}$ und ${\displaystyle b}$ müssen dabei die Bedingung erfüllen, dass für die Diskriminante des kubischen Polynoms in ${\displaystyle x}$ auf der rechten Seite ${\displaystyle 4a^{3}+27b^{2}\neq 0}$ gilt, um Singularitäten auszuschließen (die Wurzeln des Polynoms sind dann paarweise verschieden, die Kurve hat keine Doppelpunkte oder andere Singularitäten).

Im Allgemeinen wird man sich bei der Betrachtung der angegebenen Gleichung aber nicht auf den Fall reeller Koeffizienten und Lösungen beschränken, sondern vielmehr den Fall betrachten, dass Koeffizienten und Lösungen aus dem Körper der komplexen Zahlen stammen. Ausführlich untersucht wurden auch elliptische Kurven über dem Körper der rationalen Zahlen, über endlichen Körpern und über p-adischen Körpern. Die Theorie der elliptischen Kurven verbindet daher sehr unterschiedliche Teilgebiete der Mathematik. Die Untersuchung elliptischer Kurven über den rationalen Zahlen oder endlichen Körpern ist Gegenstand der Zahlentheorie und ein Spezialfall der auch in höheren Dimensionen betrachteten abelschen Varietäten. Ihre Untersuchung über den komplexen Zahlen ist ein klassisches Gebiet der Funktionentheorie.

Jede elliptische Kurve über den komplexen Zahlen kann mit Hilfe eines Gitters in der komplexen Zahlenebene als komplexer Torus dargestellt werden, was sich schon aus der doppelten Periodizität elliptischer Funktionen ergibt (siehe Weierstraßsche elliptische Funktion). Ihre riemannsche Fläche ist topologisch ein Torus und über die zugehörige Aufteilung der komplexen Ebene durch ein Gitter eine abelsche Gruppe. Diese Gruppenstruktur überträgt sich auch auf elliptischen Kurven über den rationalen Zahlen und auf eine besondere Art von Addition für Punkte auf elliptischen Kurven (siehe unten). Der Mathematiker Andrew Wiles bewies im Jahr 1994 (veröffentlicht 1995) den Modularitätssatz für spezielle elliptische Kurven, der besagt, dass alle entsprechenden Kurven über den rationalen Zahlen durch Modulformen parametrisiert werden. Mit Hilfe dieses Satzes konnte der Große Fermatsche Satz bewiesen werden, eine bekannte zahlentheoretische Aussage, die sich einfach formulieren, aber nur schwer beweisen lässt.

Praktische Anwendung finden elliptische Kurven in modernen Verschlüsselungsverfahren (Elliptische-Kurven-Kryptosystem), die die oben erwähnte besondere Addition von Punkten auf elliptischen Kurven für die Definition von Einwegfunktionen verwenden. Weitere Anwendungen finden sich bei der Faktorisierung natürlicher Zahlen.

Werden statt kubischer Polynome solche höheren als vierten Grades betrachtet, erhält man hyperelliptische Kurven (die höheres topologisches Geschlecht haben).