|
回复 35# hbghlyj
我将原始文档迁移过来即可. 文章系某次课程作业, 旨在证明"有限整环为域"这一命题, 即 Wedderburn 小定理. "偏序集上的代数"一话题本系组合数学之内容, 然而笔者当时并未学习之. 故行文所即仅是对 Möbius 变换之匆匆一瞥, 想必缺乏深度.
Wedderburn 小定理之证明
定理简述
Wedderburn 小定理可叙述如是: 有限整环必为域.
以循环群之角度视之, 有限整环必为除环. 有限整环之交换性可通过 Jacobson 定理直接导出. Jacobson 定理表明一切满足
$$
\forall x\in R,\exists n(x)\in\mathbb N\text{ s.t. }x^{n(x)+2}=x
$$
之环为交换环. 倘若 $n(x)$ 与 $x$ 无关, 可通过 Birkhoff 完备性理论证明 Jacobson 定理(见此处论文). 本文大体转录 E. Witt 之经典方法乏善可陈, 是故笔者对证明所涉及的 Möbius 反演定理加以深入.
证明
不妨设 $K$ 为有限体, 记 $C(K):=\{x:xy=yx(\forall y\in K)\}$ 为其中心, $q=|C(K)|$. 由于
$$
\pi:K\to K/C(K),x\mapsto x+C(K)
$$
诱导出商环上的同态, 故可视 $K$ 为 $C(K)$ 上之向量空间. 记 $n:=\dim_{C(K)}K$ 为其维数, 下证明 $n=1$.
记 $N(x):=\{y\in K:xy=yx\}$. 易见 $N(x)$ 为体, 从而为 $C(K)$ 上之向量空间, 记 $n(x):=\dim_{C(K)}N(x)$. 视诸乘法群角度有 $N(x)^*\leq K^*$ , 故 $(q^{n(x)}-1)\mid(q^n-1)$. 由关系
$$
q^l-1\equiv q^{l+p}-1\mod (q^p-1)
$$
可知 $n(x)\mid n$.
将 $K^*$ 中元素划分为共轭类, $x$ 共轭元之数量为 $\dfrac{|K^*|}{|N(x)^*|}=\dfrac{q^n-1}{q^{n(x)}-1}$. 据中心公式有
$$
q^n-1=q-1+\sum_{x\in R}\dfrac{q^n-1}{q^{n(x)}-1}.
$$
其中 $R$ 为某一代表元系之集合.
若 $n\neq 1$, 下引入分圆多项式
$$
\begin{align*}\Phi_r(x):=&\prod_{1\leq d\leq r,\gcd(d,r)=1}(x-e^{2\pi id/r})\\
=&(x^r-1)\prod_{k\geq 1}\left[\prod_{ p_1\cdots p_k\mid r\\p_1,\ldots,p_k\\\text{为互不相同之素数(若存在)}}(x^{r/(p_1\cdots p_k)}-1)\right]^{-1}\\
=&\prod_{d\mid r}(x^d-1)^{\mu(r/d)}.
\end{align*}
$$
其中 $\mu(m)=0$ 若且仅若 $m$ 有素数平方因子, $\mu(m)=(-1)^{k(m)}$ 若且仅若 $m$ 无素数平方因子且素因数个数为 $k(m)$. 最末二行变换可通过容斥原理证明: 其实质乃 Möbius 反演定理(证明见文末).
注意到对任意 $d\mid n$, $\Phi_n(x)$ 之零点为 $x^n-1=0$ 之根, 同时并非 $x^d-1=0$ 之根. 因此 $\Phi_n(q)\mid \dfrac{q^n-1}{q^{n(x)}-1}$. 从而 $\Phi_n(q)\mid q-1$. 注意到
$$
|\Phi_n(q)|=\prod_{1\leq d\leq r,\gcd(d,r)=1}|q-e^{2\pi id/r}|\geq |q-1|^{\varphi(q)}>q-1
$$
矛盾, 从而 $n=1$.
Möbius 反演公式
Möbius 变换建立在局部有限的偏序集 $(P,\leq)$ 上. 其中, 局部有限是谓
$$
\forall x,y\in P,|\{z:x\leq z\leq y\}|<\infty.
$$
今考虑 $I(\mathbb Q)$ 为一切映射 $f:\{(x,y): x\leq y\}\to\mathbb Q,(x,y)\mapsto f(x,y)$ 之集合, 构造环 $(I,+,\ast)$ 如下
1. 对于加法, $(f+g)(x,y):=f(x,y)+g(x,y)$ 恒成立.
2. 对任意 $x\leq y$, 定义乘法为 $(f\ast g)(x,y):=\sum_{x\leq z\leq y}f(x,z)g(z,y)$.
3. 单位元即 Kronecker 映射 $\delta(x,y):=\delta_{x,y}=\left\{\begin{align*}&1&&x=y,\\&0&&x< y.\end{align*}\right.$.
定义 Möbius 逆函数 $\mu^{-1}(x,y)\equiv 1,\forall x\leq y$. 下先说明映射 $\mu^{-1}$ 之可逆性.
一般地, 有结论 $U(I)=\{f:f(x,x)\neq 0,\forall x\in P\}$. 由于 $\{f:f(x,x)\neq 0,\forall x\in P\}$ 构成半群, 下仅需证明对任意 $x\in P$, $f(x,x)$ 恒非零与 $f$ 左可逆等价 (考虑乘法群之单边定义).
若存在 $g=f_l^{-1}$, 则 $g(x,x)\ast f(x,x)=\delta(x,x)\implies g(x,x)=[f(x,x)]^{-1}$. 对任意 $x\leq y$ 且 $x\neq y$ 之序对 $(x,y)$ 有
$$
0=\delta(x,y)=g(x,y)\ast f(x,y)=\sum_{x\leq z\leq y}g(x,z) f(z,y).
$$
从而 $g(x,y) f(y,y)=-\sum_{x\leq z< y} g(x,z)f(z,y)$. 由此可得唯一确定的 $g$. 职是之故, 可作 $I$ 之单位集 $\{f:f(x,x)\neq 0,\forall x\in P\}$. Möbius 函数及其逆函数存在. 特别地, 展开 $\mu^{-1}\ast \mu=\mu\ast \mu^{-1}=\delta$ 有
$$
\delta(x,y)=\sum_{x\leq z\leq y}\mu(x,z)=\sum_{x\leq z\leq y}\mu(z,y).
$$
下给出 Möbius 反演定理: 对任意 $x\in P\text{ s.t. }|\{y\in P:y\leq x\}|$ 有限, 则对 $f,g\in I(A)$ 有
$$
g(x)\equiv\sum_{y\leq x}f(y)\Longleftrightarrow f(x)\equiv \sum_{y\leq x}g(y)\mu(y,x).
$$
其中 $(A,\cdot)$ 为任意乘法 Abel 群.
证明: 注意到左式导出
$$
\begin{align*}
\sum_{y\leq x}g(y)\mu(y,x)\equiv &\sum_{z\leq y\leq x}f(z)\mu(y,x)\\
\equiv&\sum_{z\leq x}\left(\sum_{z\leq y\leq x}\mu(y,x)\right)f(z)\\
\equiv& \sum_{z\leq x}\delta(z,x)f(z)\\
\equiv &f(x).
\end{align*}
$$
右式导出
$$
\begin{align*}
\sum_{y\leq x}f(y)\equiv &\sum_{z\leq y\leq x}g(z)\mu(z,y)\\
\equiv&\sum_{z\leq x}\left(\sum_{z\leq y\leq x}\mu(z,y)\right)g(z)\\
\equiv& \sum_{z\leq x}\delta(z,x)g(z)\\
\equiv &g(x).
\end{align*}
$$
从而等价.
考虑局部有限的偏序集 $(\mathbb N_+,\mid)$, 其中 $\mid $ 为整除偏序. 由唯一分解定理知存在偏序同构使得下图可交换
由同态关系知
$$
\mu\left(\prod_{p\in\mathbb P}p^{n_p},\prod_{p\in\mathbb P}p^{m_p}\right)=\prod_{p\in\mathbb P}\mu(p^{n_p},p^{m_p}).
$$
其中诸 $n_p\mid m_p$ 为必然要求, 从而偏序集 $(\prod\mathbb N,\leqq)$ 上的偏序关系为 $\{a_n\}\leqq\{b_n\}\Leftrightarrow a_n\leq b_n,\forall n$. 下构造相应之 Möbius 函数.
对于以大小关系为序关系的全序集$(\mathbb N,\leq)$, 取 $\delta(m,n)=\delta_{m,n}$. 从而不待计算即可构造 Möbius 函数
$$
\mu_0(m,n):=\left\{\begin{align*}&1&&n=m,\\&-1&&m+1=n,\\&0&&\text{else.}\end{align*}\right..
$$
从而在指数同构下有
$$
\mu(p^{m_p},p^{n_p}):=\left\{\begin{align*}&1&&n_p=m_p,\\&-1&&m_p+1=n_p,\\&0&&\text{else.}\end{align*}\right..
$$
易见对满足偏序 $a\mid b$ 之序对 $(a,b)$, $\mu(a,b)=\mu(1,b/a)$. 下记 $\mu(d)$ 为一切$\mu(n,dn)$之值, 其中 $n\in\mathbb N_+$.
端详上式即得
$$
\mu(x)=\left\{\begin{align*}&(-1)^{n\text{的素因子个数}}&&n\text{无素平方因子},\\&0&&\text{else.}\end{align*}\right.
$$
分圆多项式等价形式之补充说明
对$\mathbb C$上某一适当的全纯区域, 对一切 $d\mid n$, 诸分圆多项式 $\Phi_d(z)$ 于某一区域$D$内全纯且诸 $\log\Phi_d(z)$ 无 branch cuts. 置 $g_n(z)=z^n-1$, 则 $g_n(z)=\prod_{d\mid n}\Phi_d(z)$, 亦即 $\log g_n(z)=\sum_{d\mid n}\log\Phi_d(z)$. 由 Möbius 反演定理知
$$
\log \Phi_n(z)=\sum_{d\mid n}\mu(n/d)\log g_d(z).
$$
从而
$$
\prod_{d\mid n}(z^d-1)^{\mu(n/d)}=\Phi_n(z).
$$
由全纯函数之极大模原理知 $\dfrac{\prod_{d\mid n}(z^d-1)^{\mu(n/d)}}{\Phi_n(z)}\equiv 1,z\in\mathbb C$. |
|