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[数论] 整系数的首一多项式的根${}\cap\mathbb{Q}(\zeta)=\mathbb{Z}[\zeta]$

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hbghlyj 发表于 2024-12-11 09:11 |阅读模式
J. S. Milne Algebraic Number Theory Theorem 6.4(b)
设$\zeta=\exp(2\pi i/n)$是一个单位根,
$\mathbb{Z}[\zeta]=\{a_0+a_1\zeta\mid a_0,a_1\in\mathbb{Z}\}$,$\mathbb{Q}(\zeta)=\{a_0+a_1\zeta\mid a_0,a_1\in\mathbb{Q}\}$,如何证明Wikipedia中的:
如果 $\alpha\in\mathbb{Q}(\zeta)$ 是一个具有整数系数的首一多项式的根,那么 $\alpha\in\mathbb{Z}[\zeta]$.

我尝试使用极小多项式和使用Eisenstein判别法,但还没能证明它。

如果 $\alpha$ 是一个具有整数系数的首一多项式的根,则 $\alpha$ 的极小多项式是这个多项式的因式,所以 $\alpha$ 的极小多项式也是一个首一多项式

点评

是不是相当于“代数整数环”与“分圆域”的交集为“分圆整数环”?  发表于 2024-12-12 12:59

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-11 09:19

$n=4,\zeta=i$的情况比较容易:

考虑 $\alpha = a+ib \in \mathbb Q[i]$
所以它的最小多项式的次数是1或2。
根据假设,$\alpha$ 是一个具有整数系数的首一多项式的根
$$\alpha^2 -2a\alpha +a^2 + b^2=0$$
因此 $-2a$ 和 $a^2 + b^2$ 必须是整数。所以如果 $a$ 是整数,$b$ 是整数,给出 $\alpha\in\mathbb Z[i]$。
如果 $a=\frac k 2$ 且 $k$ 是奇整数,我们得到 $k^2/4 + b^2 \in \mathbb Z$,所以 $4b^2 + k^2 \equiv 0 \pmod 4$,荒谬。
所以 $\alpha\in\mathbb Z[i]$,我们完成了。$\blacksquare$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-11 09:33

$n=3$的情况:

现在 $\zeta=\omega=\frac{-1+\sqrt{-3}}2,\omega^2+\omega+1=0$
考虑 $\alpha = a+b\omega \in \mathbb Q[\omega]$
所以它的最小多项式的次数是1或2。
根据假设,$\alpha$ 是一个具有整数系数的首一多项式的根
$$(\alpha-a)^2+b(\alpha-a)+b^2=0$$
展开,
$$α^2 - 2 α a + α b+a^2 - a b + b^2=0$$
因此 $-2a+b$ 和 $a^2 - a b + b^2$ 必须是整数。所以如果 $a$ 是整数,$b$ 是整数,给出 $\alpha\in\mathbb Z[\omega]$。
如果 $a=\frac k 2$ 且 $k$ 是奇整数,我们得到 $\frac{k^2}4-\frac{kb}2\in \mathbb Z$,所以 $k^2-2kb\equiv 0 \pmod 4$,荒谬,因为奇整数的平方是 $1 \pmod 4$。$\blacksquare$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-11 19:09

$n=6,\zeta=-\omega$的情况比较容易:

现在 $\zeta=-\omega$
我们有 $\mathbb Q[-\omega]=\mathbb Q[\omega],\mathbb Z[-\omega]=\mathbb Z[\omega]$
剩下的与 $n=3$ 的情况相同。$\blacksquare$

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abababa 发表于 2024-12-28 17:14
其实就是“分圆域$\mathbb{Q}(\zeta)$的整数环是$\mathbb{Z}[\zeta]$”这个命题,以前网友给讲过一些代数数论的内容,有这个命题,但我一直没什么兴趣,代数数论的书里应该有证明吧。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 03:19
abababa 发表于 2024-12-28 09:14
其实就是“分圆域$\mathbb{Q}(\zeta)$的整数环是$\mathbb{Z}[\zeta]$”这个命题 ...


感谢!我使用关键詞“整数环(ring of integers)”进行搜索,找到了一个对我来说更容易理解的证明:

在下面的练习冊中,将证明分为5个小练习(2,3,4,5,6)
courses.maths.ox.ac.uk/pluginfile.php/103030/mod_assign/introatt ... 2024-solutionsAC.pdf
生成于 2024 年 2 月 12 日,下午 4:38:05

The first five questions of Section B are related and discuss the cyclotomic field $K=$ $\mathbf{Q}\left(\zeta_p\right)$, where $\zeta_p:=e^{2 \pi i / p}$ and $p$ is an odd prime.

2. Show that the degree $[K: \mathbf{Q}]$ is $p-1$.

3. Evaluate $N_{K / \mathbf{Q}}(1-\zeta)$.

4. Show that $\frac{1}{p}(\zeta-1)^{p-1}$ is an algebraic integer.

5. Evaluate $\operatorname{disc}_{K / \mathbf{Q}}\left(1, \zeta, \ldots, \zeta^{p-2}\right)$. (Hint: you may want to use Question 1 and the answer to Question 3.)

6. (i) Suppose that $c_0, c_1, \ldots, c_{p-2}$ are integers and that
\[
\frac{1}{p}\left(c_0+c_1(\zeta-1)+\cdots+c_{p-2}(\zeta-1)^{p-2}\right) \in \mathcal{O}_K
\]
Show that all the $c_i$ are divisible by $p$. (Hint: suppose not, and let $r$ be minimal such that $p \nmid c_r$. You may wish to recall Questions 3 and 4.)
(ii) Show that $1, \zeta, \ldots, \zeta^{p-2}$ is an integral basis for $\mathcal{O}_K$.

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 03:23
$type sheet2-2024-solutionsABC.pdf (165.87 KB, 下载次数: 0)
6. (i) Suppose that $c_0, c_1, \ldots, c_{p-2}$ are integers and that
\[
\frac{1}{p}\left(c_0+c_1(\zeta-1)+\cdots+c_{p-2}(\zeta-1)^{p-2}\right) \in \mathcal{O}_K
\]
Show that all the $c_i$ are divisible by $p$. (Hint: suppose not, and let $r$ be minimal such that $p \nmid c_r$. You may wish to recall Questions 3 and 4.)
(ii) Show that $1, \zeta, \ldots, \zeta^{p-2}$ is an integral basis for $\mathcal{O}_K$.

Solution: (i) Suppose not, and that $r$ is minimal such that $p \nmid c_r$. Subtracting off elements of $\mathbf{Z}[\zeta-1]$, we have
\[\tag4
\alpha:=\frac{1}{p}\left(c_r(\zeta-1)^r+\cdots+c_{p-1}(\zeta-1)^{p-1}\right) \in \mathcal{O}_K
\]
Now use the result of Question 4, that is to say
\[
\frac{1}{p}(\zeta-1)^{p-1} \in \mathcal{O}_K
\]
Thus, multiplying (4) through by $(\zeta-1)^{p-2-r}$, we see that
\[
\frac{1}{p} c_r(\zeta-1)^{p-2} \in \mathcal{O}_K
\]
However by Question 3 the norm of the left-hand side is $c_r^{p-1} / p$. This is not an integer, and so we get a contradiction.
(ii) A slick way to proceed here is notice that $m_{\zeta-1}(X)=m_\zeta(X+1)$, and so $m_{\zeta-1}^{\prime}(\zeta-1)=$ $m_\zeta^{\prime}(\zeta)$, and so by Questions 1 and 5,
\begin{align*}
\operatorname{disc}_{K / \mathbf{Q}}\left(1,(\zeta-1),(\zeta-1)^2, \ldots,(\zeta-1)^{p-2}\right) & =\operatorname{disc}_{K / \mathbf{Q}}\left(1, \zeta, \ldots, \zeta^{p-2}\right) \\
& =(-1)^{(p-1) / 2} p^{p-2}\tag5
\end{align*}
Since $p$ is the only prime dividing this discriminant, a result from lectures shows that any element of $\mathcal{O}_K$ is of the form $\frac{1}{p}\left(c_r(\zeta-1)^r+\cdots+c_{p-1}(\zeta-1)^{p-1}\right)$, and hence by part (i) of the question lies in $\mathbf{Z}[\zeta-1]$, which is contained in $\mathbf{Z}[\zeta]$.

An alternative way to proceed (the one I originally had in mind) is to note that
\[\tag6
\mathbf{Z}[\zeta-1]=\mathbf{Z}[\zeta]
\]
This is true because, for any algebraic integer $t$, $\mathbf{Z}[t \pm 1] \subseteq \mathbf{Z}[t]$, by binomial expansion of each power $(t \pm 1)^i$. Applying this with $t=\zeta-1$ and the $+$ sign gives $\mathbf{Z}[\zeta] \subseteq \mathbf{Z}[\zeta-1]$, and applying it with $t=\zeta$ and the $-$ sign gives the opposite inclusion $\mathbf{Z}[\zeta-1] \subseteq \mathbf{Z}[\zeta]$.
Now, by lectures and Question 5, any element $x \in \mathcal{O}_K$ lies in $\frac{1}{p} \mathbf{Z}[\zeta]$, and hence by (6) lies in $\frac{1}{p} \mathbf{Z}[\zeta-1]$. By part (i) of the question, $x$ therefore lies in $\mathbf{Z}[\zeta-1]$, and so finally by (6) again, we have $x \in \mathbf{Z}[\zeta]$.

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 03:39


Pierre Samuel 所著的《代数数论》一书中对整数环有如下定义:The ring of integers of an algebraic number field is the unique maximal order in the field. It is always a Dedekind domain.

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 03:42


这里的“order”一词需要定义,它的定义是:en.wikipedia.org/wiki/Order_(ring_theory)
In mathematics, an order in the sense of ring theory is a subring $ {\mathcal {O}} $ of a ring $ A $, such that
  • $ A $ is a finite-dimensional algebra over the field $ \mathbb {Q} $ of rational numbers
  • $ {\mathcal {O}} $ spans $ A $ over $ \mathbb {Q} $, and
  • $ {\mathcal {O}} $ is a $ \mathbb {Z} $-lattice in $ A $.

例如,$ A=\mathbb {Q} (i) $,其整数闭包 $ \mathbb {Z} $ 是高斯整数环 $ \mathbb {Z} [i ] $,因此这是唯一的最大 order:$ A $ 中的所有其他 order 都包含在其中。例如,我们可以取由形式为 $ a+2bi $ 的复数组成的子环,其中 $ a $ 和 $ b $ 为整数。

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 03:53
abababa 发表于 2024-12-28 09:14
以前网友给讲过一些代数 ...

我来试一下$n=5$的情况
$\zeta^4+\zeta^3+\zeta^2+\zeta+1=0$
$\alpha=a+b\zeta,a,b\inQ$.
所以它的最小多项式的次数是1或2或3或4。
根据假设,$\alpha$ 是一个具有整数系数的首一多项式的根
$$(\alpha-a)^4+b(\alpha-a)^3+b^2(\alpha-a)^2+b^3(\alpha-a)+b^4=0$$
即$$\alpha ^4+\alpha ^3 (b-4 a)+\alpha ^2 \left(6 a^2-3 a b+b^2\right)+\alpha  \left(-4 a^3+3 a^2 b-2 a b^2+b^3\right)+a^4-a^3 b+a^2 b^2-a b^3+b^4$$
是整系数多项式,
所以$b-4a,6 a^2-3 a b+b^2,-4 a^3+3 a^2 b-2 a b^2+b^3,a^4-a^3 b+a^2 b^2-a b^3+b^4$都是整数。
然后呢?

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 楼主| hbghlyj 发表于 2024-12-29 04:03
hbghlyj 发表于 2024-12-28 19:23
any element $x \in \mathcal{O}_K$ lies in $\frac{1}{p} \mathbf{Z}[\zeta]$


证明的这里用到的一个结论,怎么证明?

还有一个资料 leanprover-community.github.io/blog/posts/the-ring-of-integers-of-a-cyclotomic-field/
也用到了这个结论:
Given an algebraic integer $\alpha$, the discriminant of $K = \mathbb{Q}(\alpha)$ kills the quotient $\mathcal{O}_K / \mathbb{Z}[\alpha]$. See algebra.discr_mul_is_integral_mem_adjoin.

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