ガロア理論を使って方程式を解いた事ありますか?

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【例題1】 EX1-RT1  EX1-RT2  EX1-RT3  EX1-RT4   ガロア群
         \(f(x)=x^3+3x+1\)           \(S_3\)
【例題2】 EX2  \(f(x)=x^3-3x+1\)           \(A_3\)
【例題3】 EX3  \(f(x)=x^5-10x^3+5x^2+10x+1\)  \( \ \ C_5\)
【例題4】 EX4  \(f(x)=x^4+4x+2\)           \(S_4\)


    【補足1】 APX1 代数体上での因数分解
    【補足2】 APX2 1の原始冪乗根 \("\omega \ and \ \zeta_5"\) の計算
    【補足3】 APX3 巡回多項式と円分方程式 \(\Phi_{17}(x)\)
    【補足4】 APX4 添加数生成時の計算のポイント
    【補足5】 APX5 \(x^3-2=0, \ x^5-3=0\) に関して
    【補足6】 APX6 拡大体 \(F_i\) での計算の注意点

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APX6 拡大体\(F_i\)での計算の注意点

APX6-1 拡大体\(F_i\)での剰余計算に関して

【例題4】を例にとり、体の拡大系列\([ \ F_0 \rightarrow F_1 \rightarrow F_2 \rightarrow F_3 \rightarrow F_4 \ ]\)の 各段階で、多項式等の乗算計算をした後には、各項の次数低減をする必要がありますが、その際に注意する事を書いてみました。
(ここで表中の \(a_i\) は新たな添加数 \(a_i\) を計算する時と言う意味です)

【表1】拡大体\(F_i\)と剰余計算に必要な多項式
\(F_0(v)\)\(a_1\)\(F_1(v)\)\(a_2\)\(F_2(v)\)\(a_3\)\(F_3(v)\)\(a_4\)\(F_4(v)\)
\(\Omega\)\(\cdots\)\(\cdots\)\(\cdots\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
\(B_1\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
\(B_2\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
\(B_3\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
\(B_4\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
\(g_0(v)\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\)\( \uparrow \)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)
\(g_1(v)\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)
\(g_2(v)\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\)\(\)\(\)\(\)
\(g_3(v)\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)\(\)\(\uparrow \)
\(g_4(v)\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\)\(\bigcirc\)\(\bigcirc\)
【表1】は、基本的には縦の列でみて、\(\bigcirc\) がついている多項式を下から順に剰余を取る事を示しています。

(例1)\(a_2\) の列:\(a_2\) を計算する時に必要な計算。
   \([ \ remainder(g_1(v),v) \rightarrow remainder(B_1,a_1) \rightarrow remainder(\Omega,\omega) \ ]\) の順で剰余を取る

(例2)根の列:方程式\(f(x)\)の4根を最終的に求める時に必要な計算。
\([ \ remainder(g_4(v),v) \rightarrow remainder(B_4,a_4) \ ...\ \rightarrow remainder(B_1,a_1) \rightarrow remainder(\Omega,\omega) \ ]\) の順で剰余を取る

上記2例は、【例題4】EX4-8 式(59)のすぐ上の文章中、EX4-11 式(107)に記述してあります。
後、\(\Omega\) の行で \([ \ \cdots \ ]\) の意味は、「この段階で剰余計算をしても本質的には意味がない」という意味です。

APX6-2 拡大体\(F_i\)での逆元計算に関して

体 \(F_i\) で逆元を計算する必要が出てきます。特に拡大次数が3以上の場合には必須となります。
基本的には、仮定した逆元の係数を連立方程式から求める計算です。
【例題4】の体の拡大 \([ \ F_1 \ \rightarrow \ F_2 \ ]\)を例にとって説明してみます。但し計算は下記の剰余を取ります。

   \( \bbox[#FFFF00]{ remainder(g_1(v),v) \rightarrow remainder(B_1,a_1) \rightarrow remainder(\Omega,\omega) } \)

EX4-8の式(55)より、\(Lagrange \ resolvent\) を使って、\(\{t_0,t_1,t_2\}\) を求めると箇所から始めてみます。

\begin{align} \setCounter{0} &\begin{bmatrix} t_0 \\ t_1 \\ t_2 \end{bmatrix} =\frac{1}{3} \begin{bmatrix} 1&1&1 \\ 1&\omega&\omega^2\\ 1&(\omega^2)&(\omega^2)^2\\ \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} h_0 \\ h_1 \\ h_2 \end{bmatrix} \\ \notag \\ &\therefore \quad \left \{ \begin{array}{l} t_0=x^4+112 \\ t_1=a_2x^2+a_0 \\ t_2=b_2x^2+b_0 \\ \end{array} \right. \ \Rightarrow \ \left \{ \begin{array}{l} t_1=a_2\biggl(x^2+\frac{a_0}{a_2}\biggr) \\ t_2=b_2\biggl(x^2+\frac{b_0}{b_2}\biggr) \\ \end{array} \right.\\ &\qquad \qquad \{ a_2,a_0, b_2,b_0 \} \in \ F_1(v) \notag \\ \end{align}


式(2)より、多項式 \(\{t_1,t_2\}\) の \(x\) の最高次の係数 \(\{a_2,b_2\}\) の逆数を求める必要が あります。係数 \(\{a_2,b_2\}\) は \(F_1(v)\) の成分 \(\{v,a_1,\omega\}\) の成分の多項式です。 従って、\(\{a_2,b_2\}\) の逆数も同じ成分の多項式で表現する必要があります。
その為には体 \(F_1(v)\) での、独立な基底を定義しなければなりません。代数体としての \(F_1(v)\) を 定義している、方程式は式(3)の3本となります。これより、\(\{v,a_1,\omega\}\) のそれぞれの基底は、 式(4)となる事が判ります。 しかし、体 \(F_1(v)\) 全体での基底は、これらの基底の全ての組み合わせとなります。 従って体 \(F_1(v)\) の基底は、式(5)となる事が判ります。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} g_1(v)={{v}^{12}}-80 {{v}^{8}}+{a_1} \left( {{v}^{6}}-\frac{232 {{v}^{2}}}{5}+432\right) +2720 {{v}^{6}} +11840 {{v}^{4}} \\ \qquad+587520 {{v}^{2}}+1193216=0 \\ B_1=a_1^2+17510400=0\\ \Omega=\omega^2+\omega+1=0\\ \end{array} \right.\\ \notag \\ & \{1,v^1,v^2,....,v^{10},v^{11}\}, \quad \{1,a_1\}, \quad \{1,\omega\} \\ &\qquad \qquad \Downarrow \notag \\ & \{1,v^1,v^2,....,v^{10},v^{11}\}\otimes \{1,a_1\}\otimes\{1,\omega\} \notag \\ \notag \\ & \therefore \ Basis \ of \ F_1(v) \quad \bbox[#FFFF00]{ \{v^i\cdot a_1^j\cdot \omega^k\} } \\ & \qquad \qquad \bigl(i=[0,1,...,10,11] \quad j=[0,1] \quad k=[0,1]\bigr) \notag \\ \end{align}


以上をふまえて、\(\{a_2,b_2\}\) の逆数を\(\{v,a_1,\omega\}\) の多項式\(\{K_1,K_2\}\)として 求めるために、\(F_1(v)\)の基底で式(6)(7)の形で展開できるとして、\(\{c_{ijk},d_{ijk}\}\)を 求める計算をします。条件として式(8)が成り立つ条件で連立方程式を作り、、\(\{c_{ijk},d_{ijk}\}\)を 求める事とします。その具体的な結果は、【例題4】EX4-8の式(62)の上に書いてありますので参照してください。

\begin{align} &(a_2)^{-1}=K_1(v,a_1,\omega)= \displaystyle \sum_{i,j,k} c_{ijk} \cdot v^i \cdot a_1^j \cdot \omega^k \\ &(b_2)^{-1}=K_2(v,a_1,\omega)= \displaystyle \sum_{i,j,k} d_{ijk} \cdot v^i \cdot a_1^j \cdot \omega^k \\ \notag \\ &\bbox[#FFFF00]{ a_2 \cdot (a_2)^{-1}=1, \quad b_2 \cdot (b_2)^{-1}=1 } \quad \rightarrow \quad system \ of \ equations \\ \end{align}


以上が代数体\(F_1(v)\)で、逆元を求める計算手続きです。この様に逆元を求める際にも、【表1】を参考にして \(F_i(v)\) を形成している \(\{\Omega=0,B_i=0,g_j(v)=0\}\) の中で、「計算に必要な方程式はどれか?」 という事を、常に考えながら剰余計算をすることが重要です。

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  1st upload: 2023/06/17
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