Kubická vzájemnost - Cubic reciprocity
Kubická vzájemnost je sbírka vět v základní a algebraický teorie čísel tento stát podmínky, za kterých shoda X3 ≡ str (modq) je řešitelný; slovo "vzájemnost" pochází z formy hlavní věta, který uvádí, že pokud str a q jsou primární čísla v kruhu Eisensteinova celá čísla, oba coprime na 3, shoda X3 ≡ str (mod q) je řešitelný právě tehdy X3 ≡ q (mod str) je řešitelný.
Dějiny
Někdy před rokem 1748 Euler učinil první domněnky o kubické reziduitě malých celých čísel, ale byly publikovány až v roce 1849, po jeho smrti.[1]
Gaussova publikovaná díla zmiňují kubické zbytky a reciprocitu třikrát: existuje jeden výsledek týkající se kubických zbytků v Disquisitiones Arithmeticae (1801).[2] V úvodu k pátému a šestému důkazu kvadratické vzájemnosti (1818)[3] řekl, že tyto důkazy zveřejňuje, protože jejich techniky (Gaussovo lema a Gaussovy částky, v uvedeném pořadí) lze použít na kubickou a dvojkvadratickou vzájemnost. Nakonec poznámka pod čarou ve druhé (ze dvou) monografií dvojkvadratická vzájemnost (1832) uvádí, že kubickou vzájemnost lze nejsnáze popsat v prstenci Eisensteinových celých čísel.[4]
Z jeho deníku a dalších nepublikovaných zdrojů se zdá, že Gauss znal pravidla pro kubickou a kvartickou reziduitu celých čísel do roku 1805 a kolem roku 1814 objevil plnohodnotné věty a důkazy o kubické a biquadratické vzájemnosti.[5][6] Důkazy o nich byly nalezeny v jeho posmrtných novinách, ale není jasné, zda jsou jeho nebo Eisensteinovy.[7]
Jacobi publikoval několik vět o kubické reziduitě v roce 1827, ale žádné důkazy.[8] Ve svých přednáškách v Königsbergu z let 1836–37 Jacobi předložil důkazy.[7] První publikované důkazy byly od Eisensteina (1844).[9][10][11]
Celá čísla
A krychlový zbytek (mod str) je jakékoli číslo shodné se třetí mocninou celého čísla (mod str). Li X3 ≡ A (mod str) nemá celočíselné řešení, A je kubický zbytek (mod str).[12]
Jak to v teorii čísel často bývá, je jednodušší pracovat s prvočísly modulo, takže v této části všechny moduly str, q, atd., se považují za pozitivní, lichá prvočísla.[12]
Nejprve si všimneme, že pokud q ≡ 2 (mod 3) je prvočíslo, pak každé číslo je kubický zbytek modulo q. Nechat q = 3n + 2; od 0 = 03 je zjevně kubický zbytek, předpokládejme X není dělitelné q. Pak Fermatova malá věta,
Násobení dvou shod, které máme
Nyní se nahrazuje 3n + 2 pro q my máme:
Jediným zajímavým případem je tedy modul str ≡ 1 (mod 3). V tomto případě nenulové třídy reziduí (mod str) lze rozdělit do tří sad, z nichž každá obsahuje (str-1) / 3 čísla. Nechat E být kubický zbytek. První sada je kubické zbytky; druhý je E krát čísla v první sadě a třetí je E2 krát čísla v první sadě. Další způsob, jak popsat toto rozdělení, je nechat E být primitivní kořen (mod str); pak první (resp. druhá, třetí) množina jsou čísla, jejichž indexy vzhledem k tomuto kořenu jsou shodné s 0 (resp. 1, 2) (mod 3). Ve slovníku teorie skupin, první sada je podskupinou index 3 z multiplikativní skupiny a další dva jsou jeho kosety.
Připraví ≡ 1 (mod 3)
Fermatova věta[13][14] uvádí, že každý prime str ≡ 1 (mod 3) lze zapsat jako str = A2 + 3b2 a (kromě znaků A a b) toto vyobrazení je jedinečné.
Pronájem m = A + b a n = A − b, vidíme, že je to ekvivalentní s str = m2 − mn + n2 (což se rovná (n − m)2 − (n − m)n + n2 = m2 + m(n − m) + (n − m)2, tak m a n nejsou určeny jednoznačně). Tím pádem,
a je to jednoduché cvičení, které ukazuje, že přesně jeden z m, nnebo m − n je násobkem 3, takže
a toto znázornění je jedinečné až do známek L a M.[15]
Pro relativně hlavní celá čísla m a n definovat racionální kubický zbytek symbol tak jako
Je důležité si uvědomit, že tento symbol ano ne mít multiplikativní vlastnosti symbolu Legendre; k tomu potřebujeme skutečný kubický znak definovaný níže.
První dva lze přepracovat následovně. Nechat str být prvočíslem, které odpovídá 1 modulo 3. Pak:[19][20][21]
- 2 je kubický zbytek z str kdyby a jen kdyby str = A2 + 27b2.
- 3 je kubický zbytek z str jen a jen pokud 4str = A2 + 243b2.
Lze snadno vidět, že Gaussova věta znamená:
- Jacobiho věta (uvedeno bez důkazu).[24] Nechat q ≡ str ≡ 1 (mod 6) jsou kladná prvočísla. Zřejmě obojí str a q jsou také shodné s 1 modulo 3, proto předpokládejme:
- Nechat X být řešením X2 ≡ −3 (mod q). Pak
- a máme:
Všimněte si, že první podmínka znamená: že jakékoli číslo, které rozděluje L nebo M je kubický zbytek (mod str).
Prvních pár příkladů[26] z toho jsou ekvivalentní Eulerovým domněnkám:
Protože samozřejmě L ≡ M (mod 2), kritérium pro q = 2 lze zjednodušit jako:
- Martinetova věta. Nechat str ≡ q ≡ 1 (mod 3) je prvočíslo, Pak[27]
- Sharifiho věta. Nechat str = 1 + 3X + 9X2 být předseda. Pak jakýkoli dělitel X je kubický zbytek (mod str).[28]
Eisensteinova celá čísla
Pozadí
Ve své druhé monografii o dvojkvadratické vzájemnosti Gauss říká:
Věty o dvoukvadratických zbytcích se lesknou s největší jednoduchostí a ryzí krásou, pouze když je pole aritmetiky rozšířeno na imaginární čísla, takže bez omezení jsou čísla formuláře A + bi tvoří předmět studia ... nazýváme taková čísla integrální komplexní čísla.[29] [tučně v originále]
Tato čísla se nyní nazývají prsten z Gaussova celá čísla, označeno Z[i]. Všimněte si, že i je čtvrtý kořen z 1.
V poznámce pod čarou dodává
Teorie kubických zbytků musí být podobným způsobem založena na zvážení čísel formy A + bh kde h je imaginární kořen rovnice h3 = 1 ... a podobně teorie zbytků vyšších sil vede k zavedení dalších imaginárních veličin.[30]
Ve své první monografii o kubické vzájemnosti[31] Eisenstein vyvinul teorii čísel vytvořených z krychle kořene jednoty; nyní se jim říká prsten Eisensteinova celá čísla. Eisenstein řekl (parafrázuje): „k prozkoumání vlastností tohoto prstence je třeba pouze konzultovat Gaussovu práci na Z[i] a upravit důkazy ". To není překvapující, protože oba kroužky jsou." jedinečné faktorizační domény.
„Dalšími imaginárními veličinami“ potřebnými pro „teorii zbytků vyšších sil“ jsou celá čísla z cyklomotická číselná pole; Gaussova a Eisensteinova celá čísla jsou jejich nejjednoduššími příklady.
Fakta a terminologie
Nechat
A zvažte prsten Eisensteinova celá čísla:
Tohle je Euklidovská doména s normovou funkcí danou:
Všimněte si, že norma je vždy shodná s 0 nebo 1 (mod 3).
The skupina jednotek v (prvky s multiplikativní inverzní nebo ekvivalentní s jednotkovou normou) je cyklická skupina šestých kořenů jednoty,
je jedinečná faktorizační doména. Prvočísla lze rozdělit do tří tříd:[32]
- 3 je speciální případ:
- Je to jediný prime in dělitelné čtvercem prvočísla v . Prime 3 se říká rozvětvovat se v .
- Pozitivní prvočísla v congruent to 2 (mod 3) are also prvočísla v . Říká se, že tato prvočísla zůstávají inertní v . Všimněte si, že pokud je jakýkoli inertní prime, pak:
- Pozitivní prvočísla v shodné s 1 (mod 3) jsou produktem dvou konjugovaných prvočísel v . O těchto prvočíslech se říká rozdělit v . Jejich faktorizace je dána:
- například
Číslo je hlavní pokud je coprime do 3 a shodný s obyčejným celým číslem modulo což je stejné jako říkat, že je shodné modulo 3. Pokud jeden z nebo je primární. Produkt dvou primárních čísel je navíc primární a konjugát primárního čísla je také primární.
Unikátní faktorizační věta pro je: pokud pak
kde každý je primární (podle Eisensteinovy definice) prime. A toto znázornění je jedinečné, až do řádu faktorů.
Pojmy shoda[33] a největší společný dělitel[34] jsou definovány stejným způsobem v jako jsou pro běžná celá čísla . Protože jednotky rozdělují všechna čísla, shoda modulo je také pravda, modulo jakýkoli spolupracovník a jakýkoli spolupracovník GCD je také GCD.
Krychlový znak zbytku
Definice
Analog z Fermatova malá věta je pravda v : pokud není dělitelný prvočíslem ,[35]
Nyní předpokládejme, že aby Nebo řečeno jinak Pak můžeme napsat:
pro jedinečnou jednotku Tato jednotka se nazývá znak kubických zbytků z modulo a je označen[36]
Vlastnosti
Krychlový znak zbytku má formální vlastnosti podobné těm z Legendární symbol:
- Li pak
- kde sloupec označuje komplexní konjugaci.
- Li a jsou tedy společníky
- Shoda má řešení v kdyby a jen kdyby [37]
- Li jsou takové, že pak [38][39]
- Kubický znak lze v „jmenovateli“ multiplikativně rozšířit na složená čísla (coprime na 3) stejným způsobem, jako je symbol Legendre zobecněn na Jacobi symbol. Stejně jako Jacobiho symbol, je-li „jmenovatel“ kubického znaku složený, pak je-li „čitatel“ kubický zbytek mod, „jmenovatel“ se bude symbol rovnat 1, pokud se symbol nerovná 1, pak „čitatel“ je kubický zbytek, ale symbol se může rovnat 1, pokud je „čitatel“ beze zbytku:
- kde
Výrok věty
Nechť α a β jsou primární. Pak
Existují doplňující věty[40][41] pro jednotky a prvočíslo 1 - ω:
Nechť α = A + bω být primární, A = 3m + 1 a b = 3n. (Li A ≡ 2 (mod 3) nahradit α jeho přidruženým −α; to nezmění hodnotu kubických znaků.) Potom
Viz také
Poznámky
- ^ Euler, Tractatus ..., §§ 407–410
- ^ Gauss, DA, poznámka pod čarou k umění. 358
- ^ Gauss, Theorematis fundamentalis ...
- ^ Gauss, BQ, § 30
- ^ Cox, str. 83–90
- ^ Lemmermeyer, s. 199–201, 222–224
- ^ A b Lemmermeyer, str. 200
- ^ Jacobi, De residuis cubicis ....
- ^ Eisenstein, Beweis des Reciprocitätssatzes ...
- ^ Eisenstein, Nachtrag zum cubischen ...
- ^ Eisenstein, Aplikace de l'algèbre ...
- ^ A b srov. Gauss, BQ § 2
- ^ Gauss, DA, čl. 182
- ^ Cox, př. 1.4–1.5
- ^ Irsko a Rosen, rekvizity 8.3.1 a 8.3.2
- ^ Euler, Tractatus, §§ 407–401
- ^ Lemmermeyer, str. 222–223
- ^ Tractatus de numerorum doctrina capita sedecim, quae supersunt, 411, poznámka pod čarou (kapitola 11) [1]
- ^ Cox, str. 2, Thm. 4,15, př. 4.15
- ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.6.2, Ex 9.23
- ^ Lemmermeyer, Prop. 7.1 & 7.2
- ^ Gauss, DA poznámka pod čarou k umění. 358
- ^ Lemmermeyer, př. 7.9
- ^ Jacobi, De residuis cubicis ...
- ^ Lemmermeyer, Prop. 7.4
- ^ Lemmermeyer, str. 209–212, rekvizity 7.1–7.3
- ^ Lemmermeyer, př. 7.11
- ^ Lemmermeyer, př. 7.12
- ^ Gauss, BQ, § 30, překlad v Cox, str. 83
- ^ Gauss, BQ, § 30, překlad v Cox, str. 84
- ^ Irsko a Rosen str. 14
- ^ Irsko a Rosen Prop 9.1.4
- ^ srov. Gauss, BQ, § 38–45
- ^ srov. Gauss, BQ, § 46–47
- ^ Irsko a Rosen. Bod 9.3.1
- ^ Irsko a Rosen, s. 112
- ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.3.3
- ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.3.4
- ^ Lemmermeyer, Prop 7.7
- ^ Lemmermeyer, Th. 6.9
- ^ Ireland & Rosen, Ex. 9,32–9,37
Reference
Odkazy na původní práce Eulera, Jacobiho a Eisensteina byly zkopírovány z bibliografií od Lemmermeyera a Coxe a nebyly použity při přípravě tohoto článku.
Euler
- Euler, Leonhard (1849), Tractatus de numeroroum doctrina capita sedecim quae supersunt, Komentář. Aritmetika. 2
Toto bylo ve skutečnosti napsáno 1748–1750, ale bylo publikováno až posmrtně; Je ve svazku V, str. 182–283 z
- Euler, Leonhard (1911–1944), Opera Omnia, řada prima, svazky I – V, Lipsko a Berlín: Teubner
Gauss
Dvě monografie Gauss publikované o dvojkvadratické vzájemnosti mají postupně očíslované oddíly: první obsahuje §§ 1–23 a druhá §§ 24–76. Poznámky pod čarou, které na ně odkazují, mají tvar „Gauss, BQ, § nPoznámky pod čarou odkazující na Disquisitiones Arithmeticae mají formu „Gauss, DA, čl. n".
- Gauss, Carl Friedrich (1828), Theoria residuorum biquadraticorum, Commentatio prima, Göttingen: Komentář. Soc. regiae sci, Göttingen 6
- Gauss, Carl Friedrich (1832), Theoria residuorum biquadraticorum, Commentatio secunda, Göttingen: Komentář. Soc. regiae sci, Göttingen 7
Ty jsou v Gaussově Werke, Sv. II, str. 65–92 a 93–148
Gaussův pátý a šestý důkaz kvadratické reciprocity jsou uvnitř
- Gauss, Carl Friedrich (1818), Theoramatis fundamentalis in doctrina de residuis quadraticis demonstrationes et amplicationes novae
To je v Gaussově Werke, Sv. II, s. 47–64
Německé překlady všech tří výše uvedených jsou následující, což má také Disquisitiones Arithmeticae a další Gaussovy články o teorii čísel.
- Gauss, Carl Friedrich; Maser, H. (překladatel do němčiny) (1965), Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithmeticae a další články o teorii čísel) (druhé vydání), New York: Chelsea, ISBN 0-8284-0191-8
Eisenstein
- Eisenstein, Ferdinand Gotthold (1844), Beweis des Reciprocitätssatzes für die cubischen Reste in der Theorie der aus den dritten Wurzeln der Einheit zusammengesetzen ZahlenJ. Reine Angew. Matematika. 27, str. 289–310 (Crelle's Journal)
- Eisenstein, Ferdinand Gotthold (1844), Nachtrag zum cubischen Reciprocitätssatzes für die aus den dritten Wurzeln der Einheit zusammengesetzen Zahlen, Criterien des cubischen Characters der Zahl 3 and ihrer TeilerJ. Reine Angew. Matematika. 28, s. 28–35 (Crelle's Journal)
- Eisenstein, Ferdinand Gotthold (1845), Aplikace de l'algèbre à l'arithmétique transcendanteJ. Reine Angew. Matematika. 29 s. 177–184 (Crelle's Journal)
Všechny tyto dokumenty jsou v jeho svazku I. Werke.
Jacobi
- Jacobi, Carl Gustave Jacob (1827), De residuis cubicis commentatio numerosaJ. Reine Angew. Matematika. 2 str. 66–69 (Crelle's Journal)
To je v jeho svazku VI Werke
Moderní autoři
- Cox, David A. (1989), Prvočísla tvaru x2 + n y2, New York: Wiley, ISBN 0-471-50654-0
- Irsko, Kenneth; Rosen, Michael (1990), Klasický úvod do moderní teorie čísel (druhé vydání), New York: Springer, ISBN 0-387-97329-X
- Lemmermeyer, Franz (2000), Zákony o vzájemnosti: od Eulera po Eisenstein, Berlín: Springer, ISBN 3-540-66957-4