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 X3str (mod q) je řešitelný právě tehdy X3q (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 X3A (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 = Ab, vidíme, že je to ekvivalentní s str = m2mn + n2 (což se rovná (nm)2 − (nm)n + n2 = m2 + m(nm) + (nm)2, tak m a n nejsou určeny jednoznačně). Tím pádem,

a je to jednoduché cvičení, které ukazuje, že přesně jeden z m, nnebo mn 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.

Eulerovy dohady. Nechat str = A2 + 3b2 být předseda. Pak platí následující:[16][17][18]

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.
Gaussova věta. Nechat str být takovým pozitivním prvkem
Pak [22][23]

Lze snadno vidět, že Gaussova věta znamená:

Jacobiho věta (uvedeno bez důkazu).[24] Nechat qstr ≡ 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:
Lehmer věta. Nechat q a str být připraven, s Pak:[25]
kde

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 LM (mod 2), kritérium pro q = 2 lze zjednodušit jako:

Martinetova věta. Nechat strq ≡ 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

  1. ^ Euler, Tractatus ..., §§ 407–410
  2. ^ Gauss, DA, poznámka pod čarou k umění. 358
  3. ^ Gauss, Theorematis fundamentalis ...
  4. ^ Gauss, BQ, § 30
  5. ^ Cox, str. 83–90
  6. ^ Lemmermeyer, s. 199–201, 222–224
  7. ^ A b Lemmermeyer, str. 200
  8. ^ Jacobi, De residuis cubicis ....
  9. ^ Eisenstein, Beweis des Reciprocitätssatzes ...
  10. ^ Eisenstein, Nachtrag zum cubischen ...
  11. ^ Eisenstein, Aplikace de l'algèbre ...
  12. ^ A b srov. Gauss, BQ § 2
  13. ^ Gauss, DA, čl. 182
  14. ^ Cox, př. 1.4–1.5
  15. ^ Irsko a Rosen, rekvizity 8.3.1 a 8.3.2
  16. ^ Euler, Tractatus, §§ 407–401
  17. ^ Lemmermeyer, str. 222–223
  18. ^ Tractatus de numerorum doctrina capita sedecim, quae supersunt, 411, poznámka pod čarou (kapitola 11) [1]
  19. ^ Cox, str. 2, Thm. 4,15, př. 4.15
  20. ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.6.2, Ex 9.23
  21. ^ Lemmermeyer, Prop. 7.1 & 7.2
  22. ^ Gauss, DA poznámka pod čarou k umění. 358
  23. ^ Lemmermeyer, př. 7.9
  24. ^ Jacobi, De residuis cubicis ...
  25. ^ Lemmermeyer, Prop. 7.4
  26. ^ Lemmermeyer, str. 209–212, rekvizity 7.1–7.3
  27. ^ Lemmermeyer, př. 7.11
  28. ^ Lemmermeyer, př. 7.12
  29. ^ Gauss, BQ, § 30, překlad v Cox, str. 83
  30. ^ Gauss, BQ, § 30, překlad v Cox, str. 84
  31. ^ Irsko a Rosen str. 14
  32. ^ Irsko a Rosen Prop 9.1.4
  33. ^ srov. Gauss, BQ, § 38–45
  34. ^ srov. Gauss, BQ, § 46–47
  35. ^ Irsko a Rosen. Bod 9.3.1
  36. ^ Irsko a Rosen, s. 112
  37. ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.3.3
  38. ^ Ireland & Rosen, Prop. 9.3.4
  39. ^ Lemmermeyer, Prop 7.7
  40. ^ Lemmermeyer, Th. 6.9
  41. ^ 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

externí odkazy