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Author |
hbghlyj
Posted at 2023-3-14 17:52:37
(a) 令$q=\left\lceil a\over b\right\rceil$. 因为$a>b$, 所以$\frac ab>1$, 所以$q>2$.
(b) 首先$\gcd(a,b)|r_0,r_1$. 由$r_{i-1}=q_ir_i-r_{i+1}$, 从$\gcd(a,b)\mid r_{i-1},r_i$推出$\gcd(a,b)\mid r_{i+1}$. 归纳可证$\gcd(a,b)\mid r_i\forall i\in\{0,\dots,t\}$, 故$\gcd (a,b)\mid r_t$.
因为$r_{t+1}=0$, 所以$r_t\mid r_{t-1}$, 归纳可证$\gcd(a,b)\mid r_i\forall i\in\{0,\dots,t\}$, 故$r_t\mid a,b$, 故$r_t\mid\gcd(a,b)$, 故$r_t=\gcd(a,b)$.
如果 \(\gcd (a,b)=1\) 那么 $a=q_1b-r_2\implies\frac ab=q_1-\frac{r_2}b$
$b=q_2r_2-r_3\implies \frac b{r_2}=q_2-\frac{r_3}{r_2}\implies\cfrac ab=q_1-\cfrac1{q_2-\cfrac{r_3}{r_2}}$
如此继续到\[\frac{a}{b}=q_1 - \frac{1}{q_2-\displaystyle {\frac{1}{\cdots -\displaystyle {\frac{1}{q_{t-1}-\frac{r_t}{r_{t-1}}}}}}}. \]$r_{t-1}=q_tr_t-r_{t+1},r_{t+1}=0\implies\frac{r_{t-1}}{r_t}=q_t$, 因此\[\frac{a}{b}=q_1 - \frac{1}{q_2-\displaystyle {\frac{1}{\cdots -\displaystyle {\frac{1}{q_{t-1}-\frac1{q_t}}}}}}. \](c) $\begin{pmatrix} 0 &{} 1 \\ -1 &{} q_1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}b\\r_1\end{pmatrix}$
可以验证$\begin{pmatrix} 0 &{} 1 \\ -1 &{} q_i \end{pmatrix}\begin{pmatrix}r_{i-1}\\r_i\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}r_i\\r_{i+1}\end{pmatrix}$
所以$\begin{pmatrix} 0 &{} 1 \\ -1 &{} q_t \end{pmatrix} \cdots \begin{pmatrix} 0 &{} 1 \\ -1 &{} q_1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} r_t \\r_{t+1} \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} r_t \\ 0 \end{pmatrix}.$
MatrixPower[{{0,-1},{1,0}},-1].MatrixPower[{{1,1},{0,1}},-q]//MatrixForm 输出$\left(
\begin{array}{cc}
0&1\\
-1&q\\
\end{array}
\right)$,即$S^{-1}T^{-q}=\left(
\begin{array}{cc}
0&1\\
-1&q\\
\end{array}
\right)$
(d) 因为$A\in\mathrm{SL}_2(\mathbb Z)$, 所以$\det A=ad-bc=1$, 所以$\gcd(a,c)=1$.
由(c)知存在$W\in\langle S,T\rangle$使$W\begin{pmatrix} a \\ c\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}$
因为$\det W=1$, 所以$1=\det A=\det WA$, 因此$WA$的(2,2)元素为1, 即\[WA=\begin{pmatrix} 1 &{} b' \\ 0 &{} 1 \end{pmatrix}\] |
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