Кубическая взаимность - Cubic reciprocity

Кубическая взаимность представляет собой сборник теорем в элементарный и алгебраический теория чисел условия того государства, при которых соответствие Икс3 ≡ п (модq) разрешима; слово «взаимность» происходит от формы основная теорема, который гласит, что если п и q основные числа в кольце Целые числа Эйзенштейна, оба взаимно просты с 3, сравнение Икс3п (мод q) разрешима тогда и только тогда, когда Икс3q (мод п) разрешима.

История

Где-то до 1748 года Эйлер сделал первые предположения о кубической остаточности малых целых чисел, но они не были опубликованы до 1849 года, после его смерти.[1]

В опубликованных работах Гаусса трижды упоминаются кубические вычеты и взаимность: есть один результат, относящийся к кубическим вычетам в Disquisitiones Arithmeticae (1801).[2] Во введении к пятому и шестому доказательствам квадратичной взаимности (1818 г.)[3] он сказал, что публикует эти доказательства, потому что их методы (Лемма Гаусса и Гауссовы суммы соответственно) можно применить к кубической и биквадратичной взаимности. Наконец, сноска во второй (из двух) монографий по биквадратная взаимность (1832) утверждает, что кубическую взаимность легче всего описать в кольце целых чисел Эйзенштейна.[4]

Из его дневника и других неопубликованных источников следует, что Гаусс знал правила кубической и четвертой остаточной остаточности целых чисел к 1805 году и открыл полноценные теоремы и доказательства кубической и биквадратичной взаимности примерно в 1814 году.[5][6] Доказательства этого были найдены в его посмертных бумагах, но неясно, принадлежат ли они ему или Эйзенштейну.[7]

Якоби опубликовал несколько теорем о кубической остаточной остаточности в 1827 г., но без доказательств.[8] В своих кенигсбергских лекциях 1836–1837 гг. Якоби представил доказательства.[7] Первые опубликованные доказательства были сделаны Эйзенштейном (1844 г.).[9][10][11]

Целые числа

А кубический остаток (мод п) - любое число, равное третьей степени целого числа (mod п). Если Икс3а (мод п) не имеет целочисленного решения, а это кубический невосток (мод п).[12]

Как это часто бывает в теории чисел, проще работать по модулю простых чисел, поэтому в этом разделе все модули п, qи т. д., считаются положительными нечетными простыми числами.[12]

Прежде всего отметим, что если q ≡ 2 (mod 3) - простое число, тогда каждое число является кубическим вычетом по модулю q. Позволять q = 3п + 2; поскольку 0 = 03 очевидно кубический вычет, предположим Икс не делится на q. Затем по Маленькая теорема Ферма,

Умножая две сравнения, мы получаем

Теперь подставляем 3п + 2 для q у нас есть:

Поэтому единственный интересный случай - это когда модуль п ≡ 1 (мод. 3). В этом случае классы ненулевых вычетов (mod п) можно разделить на три набора, каждый из которых содержит (п−1) / 3 числа. Позволять е - кубический невычет. Первый набор - кубические остатки; второй е умноженное на числа в первом наборе, а третий - е2 умноженное на числа в первом наборе. Другой способ описать это разделение - позволить е быть первобытный корень (мод п); тогда первый (соответственно второй, третий) набор - это числа, индексы которых относительно этого корня конгруэнтны 0 (соответственно 1, 2) (mod 3). В словаре теория групп, первый набор представляет собой подгруппу индекс 3 мультипликативной группы а два других - его смежные классы.

Простые числа ≡ 1 (мод. 3)

Теорема Ферма[13][14] заявляет, что каждое простое п ≡ 1 (mod 3) можно записать как п = а2 + 3б2 и (кроме признаков а и б) это представление единственно.

Сдача м = а + б и п = аб, мы видим, что это эквивалентно п = м2мин + п2 (что равно (пм)2 − (пм)п + п2 = м2 + м(пм) + (пм)2, так м и п не определены однозначно). Таким образом,

и это простое упражнение, чтобы показать, что ровно одно из м, п, или же мп делится на 3, поэтому

и это представление уникально с точностью до знаков L и M.[15]

Для относительно простых целых чисел м и п определить рациональный кубический символ вычета в качестве

Важно отметить, что этот символ не нет обладают мультипликативными свойствами символа Лежандра; для этого нам понадобится истинный кубический символ, определенный ниже.

Гипотезы Эйлера. Позволять п = а2 + 3б2 быть первым. Тогда имеет место следующее:[16][17][18]

Первые два можно переформулировать следующим образом. Позволять п - простое число, сравнимое с 1 по модулю 3. Тогда:[19][20][21]

  • 2 - кубический остаток п если и только если п = а2 + 27б2.
  • 3 - кубический остаток п тогда и только тогда, когда 4п = а2 + 243б2.
Теорема Гаусса. Позволять п положительное простое число такое, что
потом [22][23]

Легко видеть, что из теоремы Гаусса следует:

Теорема Якоби (сформулированная без доказательства).[24] Позволять qп ≡ 1 (mod 6) - положительные простые числа. Очевидно оба п и q также сравнимы с 1 по модулю 3, поэтому предположим:
Позволять Икс быть решением Икс2 ≡ −3 (mod q). потом
и у нас есть:
Лемер Теорема. Позволять q и п быть простыми числами, с Потом:[25]
куда

Обратите внимание, что первое условие подразумевает: любое число, которое делит L или же M - кубический вычет (mod п).

Первые несколько примеров[26] из этого эквивалентны гипотезам Эйлера:

Поскольку очевидно LM (mod 2), критерий q = 2 можно упростить как:

Теорема Мартине. Позволять пq ≡ 1 (mod 3) - простые числа, потом[27]
Теорема Шарифи. Позволять п = 1 + 3Икс + 9Икс2 быть первым. Тогда любой делитель Икс - кубический вычет (mod п).[28]

Целые числа Эйзенштейна

Фон

Во второй монографии о биквадратной взаимности Гаусс говорит:

Теоремы о биквадратичных вычетах проявляются с величайшей простотой и подлинной красотой только тогда, когда область арифметики распространяется на воображаемый числа, так что без ограничений числа вида а + би составляют объект исследования ... мы называем такие числа целые комплексные числа.[29] [жирным шрифтом в оригинале]

Эти числа теперь называются звенеть из Гауссовские целые числа, обозначаемый Z[я]. Обратите внимание, что я является корнем четвертой степени из 1.

В сноске он добавляет

Теория кубических вычетов аналогичным образом должна основываться на рассмотрении чисел вида а + бх куда час мнимый корень уравнения час3 = 1 ... и аналогично теория вычетов высших степеней приводит к введению других мнимых величин.[30]

В своей первой монографии о кубической взаимности[31] Эйзенштейн разработал теорию чисел, построенных из кубического корня из единицы; их теперь называют кольцом Целые числа Эйзенштейна. Эйзенштейн сказал (перефразируя): «Чтобы исследовать свойства этого кольца, нужно только обратиться к работе Гаусса по Z[я] и модифицируем доказательства ". Это неудивительно, поскольку оба кольца уникальные домены факторизации.

«Другие мнимые величины», необходимые для «теории вычетов высших степеней», - это кольца целых чисел из поля циклотомических чисел; целые числа Гаусса и Эйзенштейна являются простейшими примерами этого.

Факты и терминология

Позволять

И рассмотрите кольцо Целые числа Эйзенштейна:

Это Евклидова область с функцией нормы, заданной как:

Обратите внимание, что норма всегда конгруэнтна 0 или 1 (mod 3).

В группа единиц в (элементы с мультипликативным обратным или, что то же самое, с единичной нормой) - циклическая группа корней шестой степени из единицы,

это уникальная область факторизации. Простые числа делятся на три класса:[32]

  • 3 - особый случай:
Это единственный прайм в делится на квадрат простого числа в . Говорят, что простое 3 разветвляться в .
  • Положительные простые числа в конгруэнтно 2 (mod 3) также являются простыми числами в . Говорят, что эти простые числа остаются инертный в . Обратите внимание, что если - любое инертное простое число, тогда:
  • Положительные простые числа в конгруэнтно 1 (mod 3) - произведение двух сопряженных простых чисел в . Говорят, что эти простые числа расколоть в . Их факторизация дается:
Например

Число начальный если он взаимно прост с 3 и конгруэнтен обычному целому по модулю что то же самое, что сказать, что это соответствует по модулю 3. Если один из или же является первичным. Более того, произведение двух первичных чисел первично, и сопряжение первичного числа также первично.

Единственная теорема факторизации для это: если тогда

где каждый является первичным (по определению Эйзенштейна) простым числом. И это представление уникально, в зависимости от порядка факторов.

Представления о соответствие[33] и наибольший общий делитель[34] определены таким же образом в как и для обычных целых чисел . Поскольку единицы делят все числа, сравнение по модулю также истинно по модулю любого ассоциированного , и любой партнер НОД также является НОД.

Символ кубического остатка

Определение

Аналог Маленькая теорема Ферма верно в : если не делится на простое число ,[35]

Теперь предположим, что так что Или иначе говоря Тогда мы можем написать:

для уникального юнита Этот блок называется кубический остаток из по модулю и обозначается[36]

Характеристики

Характер кубического вычета имеет формальные свойства, аналогичные свойствам Символ Лежандра:

  • Если тогда
  • где черта означает комплексное сопряжение.
  • Если и партнеры тогда
  • Соответствие имеет решение в если и только если [37]
  • Если такие, что тогда [38][39]
  • Кубический символ может быть мультипликативно расширен до составных чисел (взаимно простых с 3) в «знаменателе» таким же образом, как символ Лежандра обобщается в Символ Якоби. Подобно символу Якоби, если «знаменатель» кубического символа является составным, то, если «числитель» является кубическим остатком по модулю «знаменатель», символ будет равен 1, если символ не равен 1, то «числитель» является кубическим невычетом, но символ может равняться 1, когда «числитель» не является остатком:
куда

Формулировка теоремы

Пусть α и β примарны. потом

Есть дополнительные теоремы[40][41] для единиц и простого числа 1 - ω:

Пусть α = а + бω первична, а = 3м + 1 и б = 3п. (Если а ≡ 2 (mod 3) заменить α его ассоциированным элементом −α; это не изменит значения кубических символов.) Тогда


Смотрите также

Примечания

  1. ^ Эйлер, Трактат ..., §§ 407–410
  2. ^ Гаусс Д.А., примечание к ст. 358
  3. ^ Гаусс, Теоретическая основа ...
  4. ^ Гаусс, BQ, § 30
  5. ^ Кокс, стр. 83–90.
  6. ^ Lemmermeyer, стр. 199–201, 222–224.
  7. ^ а б Леммермейер, стр. 200
  8. ^ Якоби, De Residuis Cubicis ....
  9. ^ Эйзенштейн, Beweis des Reciprocitätssatzes ...
  10. ^ Эйзенштейн, Nachtrag zum cubischen ...
  11. ^ Эйзенштейн, Application de l'algèbre ...
  12. ^ а б ср. Гаусс, BQ § 2
  13. ^ Гаусс Д.А., ст. 182
  14. ^ Кокс, Исх. 1,4–1,5
  15. ^ Ирландия и Розен, Реквизит 8.3.1 и 8.3.2
  16. ^ Эйлер, Tractatus, §§ 407–401
  17. ^ Леммермейер, стр. 222–223
  18. ^ Tractatus de numerorum doctrina capita sedecim, quae supersunt, 411, сноска (глава 11) [1]
  19. ^ Кокс, стр. 2, чт. 4.15, Пр. 4,15
  20. ^ Ирландия и Розен, Предложение 9.6.2, Пр. 9.23
  21. ^ Леммермейер, предложения 7.1 и 7.2
  22. ^ Гаусс Д.А. сноска к ст. 358
  23. ^ Lemmermeyer, Ex. 7.9
  24. ^ Якоби, De Residuis Cubicis ...
  25. ^ Леммермейер, Предложение 7.4
  26. ^ Lemmermeyer, стр. 209–212, Реквизиты 7.1–7.3
  27. ^ Lemmermeyer, Ex. 7,11
  28. ^ Lemmermeyer, Ex. 7,12
  29. ^ Gauss, BQ, § 30, перевод в Cox, p. 83
  30. ^ Gauss, BQ, § 30, перевод в Cox, p. 84
  31. ^ Ирландия и Розен стр. 14
  32. ^ Ирландия и Розен Проп 9.1.4
  33. ^ ср. Gauss, BQ, §§ 38–45
  34. ^ ср. Гаусс, Б.К., §§ 46–47
  35. ^ Ирландия и Розен. Позиция 9.3.1
  36. ^ Ирландия и Розен, стр. 112
  37. ^ Ирландия и Розен, Предложение 9.3.3
  38. ^ Ирландия и Розен, Предложение 9.3.4
  39. ^ Леммермейер, Опора 7.7
  40. ^ Lemmermeyer, Th. 6.9
  41. ^ Ирландия и Розен, отл. 9,32–9,37

Рекомендации

Ссылки на оригинальные статьи Эйлера, Якоби и Эйзенштейна были скопированы из библиографий Леммермейера и Кокса и не использовались при подготовке этой статьи.

Эйлер

  • Эйлер, Леонард (1849), Tractatus de numeroroum doctrina capita sedecim quae supersunt, Комментарий. Арифмет. 2

На самом деле это было написано в 1748–1750 годах, но было опубликовано только посмертно; Это в томе V, стр. 182–283 из

  • Эйлер, Леонард (1911–1944), Опера Омния, Серия прима, Тт. I – V, Лейпциг и Берлин: Тойбнер

Гаусс

Две опубликованные Гауссом монографии по биквадратичной взаимности имеют последовательно пронумерованные разделы: первая содержит §§ 1–23, а вторая §§ 24–76. Ссылки на них имеют вид «Gauss, BQ, § п". Сноски, относящиеся к Disquisitiones Arithmeticae имеют вид «Гаусс Д.А., ст. п".

  • Гаусс, Карл Фридрих (1828), Theoria резидуум biquadraticorum, комментарий прима, Гёттинген: Комментарий. Soc. regiae sci, Göttingen 6
  • Гаусс, Карл Фридрих (1832 г.), Theoria резидуум biquadraticorum, комментарий secunda, Гёттинген: Комментарий. Soc. regiae sci, Göttingen 7

Это в Гауссе Werke, Том II, стр. 65–92 и 93–148

Пятое и шестое доказательства квадратичной взаимности Гаусса находятся в

  • Гаусс, Карл Фридрих (1818 г.), Theoramatis basicis in doctrina de резюмирует квадратичную демонстрацию и усиление новых

Это в Гауссе Werke, Том II, стр. 47–64

Немецкие переводы всех трех из вышеперечисленных следующие, которые также имеют Disquisitiones Arithmeticae и другие работы Гаусса по теории чисел.

  • Гаусс, Карл Фридрих; Мазер, Х. (перевод на немецкий) (1965), Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithmeticae и другие статьи по теории чисел) (второе издание), Нью-Йорк: Челси, ISBN  0-8284-0191-8

Эйзенштейн

  • Эйзенштейн, Фердинанд Готтхольд (1844 г.), Beweis des Reciprocitätssatzes für die cubischen Reste in der Theorie der aus den dritten Wurzeln der Einheit zusammengesetzen Zahlen, J. Reine Angew. Математика. 27, стр. 289–310 (журнал Crelle).
  • Эйзенштейн, Фердинанд Готтхольд (1844 г.), Nachtrag zum cubischen Reciprocitätssatzes für die aus den dritten Wurzeln der Einheit zusammengesetzen Zahlen, Criterien des cubischen Characters der Zahl 3 и ихрер Тейлер, J. Reine Angew. Математика. 28, стр. 28–35 (журнал Crelle)
  • Эйзенштейн, Фердинанд Готтхольд (1845), Application de l'algèbre à l'arithmétique transcendante, J. Reine Angew. Математика.29 с. 177–184 (журнал Crelle)

Все эти документы находятся в томе I его Werke.

Якоби

  • Якоби, Карл Густав Якоб (1827), De Residuis Cubicis commentatio numerosa, J. Reine Angew. Математика. 2 стр. 66–69 (журнал Crelle)

Это в VI томе его Werke

Современные авторы

  • Кокс, Дэвид А. (1989), Простые числа вида x2 + n y2, Нью-Йорк: Wiley, ISBN  0-471-50654-0
  • Ирландия, Кеннет; Розен, Майкл (1990), Классическое введение в современную теорию чисел (второе издание), Нью-Йорк: Springer, ISBN  0-387-97329-X
  • Леммермейер, Франц (2000), Законы взаимности: от Эйлера до Эйзенштейна, Берлин: Springer, ISBN  3-540-66957-4

внешняя ссылка