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

【例題1】の解法手順(RT1&RT4)

EX1-RT1-1

\begin{align*} &f(x)=3x^3+3x+1 \quad \{\alpha,\beta,\gamma\}: \ roots \ of \ f(x)\\ &Primitive \ element \quad v=1\cdot\alpha+2\cdot \beta+3\cdot\gamma \end{align*}

流れ
EX1-RT1-2

\begin{align*} v_{1}=\alpha+2\beta+3\gamma \qquad v_{2}=\alpha+2\gamma+3\beta \\ v_{3}=\beta+2\alpha+3\gamma \qquad v_{4}=\beta+2\gamma+3\alpha\\ v_{5}=\gamma+2\alpha+3\beta \qquad v_{6}=\gamma+2\beta+3\alpha \end{align*} \begin{align*} V(x)=&(x-v_{1})(x-v_{2})(x-v_{3})\\ \times&(x-v_{4})(x-v_{5})(x-v_{6}) \end{align*}

流れ
EX1-RT1-3

\[V(x, \ \alpha,\beta,\gamma): symmetric \ function \ in \{\alpha,\beta,\gamma\} \] \[\qquad \qquad \Downarrow\] \[V(x, \ e_{1},e_{2},e_{3})\] \[\{e_1,e_2,e_3\}: elementary \ symmetric \ functions\]

流れ
EX1-RT1-4

\[g_{0}(x)=x^6+18x^4+81x^2+135 \]

\[ \qquad g_0(x):minimal \ polynomial \ of \ v \ on \ F_0=Q(\omega) \]

流れ
EX1-RT1-5

\begin{align*} P_{\alpha}(x)=V(x)&\cdot \big( \frac{\gamma }{x-{v_6}}+\frac{\gamma }{x-{v_5}}+\frac{\beta }{x-{v_4}}\\ &+\frac{\beta }{x-{v_3}}+\frac{\alpha }{x-{v_2}}+\frac{\alpha }{x-{v_1}}\big)\\ \end{align*} \[\alpha=\left.\frac{P_\alpha(x)}{V'(x)}\right|_{x=v} \quad The \ same \ holds \ for \ \beta\ and \ \gamma \]

流れ
EX1-RT1-6

\begin{eqnarray*} \left\{ \begin{array}{l} \alpha&=\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}-9 v+36}{18}\\ \beta&=-\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+36}{9}\\ \gamma&=\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+9 v+36}{18}\\ \end{array} \right. \end{eqnarray*}

\begin{align*} v_{1}&=v & v_{2}&=\frac{-v^4}{6}-\frac{5v^2}{2}+\frac{v}{2}-6\\ v_{3}&=\frac{v^4}{6}+\frac{5v^2}{2}+\frac{v}{2}+6 & v_{4}&=\frac{v^4}{6}+\frac{5v^2}{2}-\frac{v}{2}+6\\ v_{5}&=-\frac{v^4}{6}-\frac{5v^2}{2}-\frac{v}{2}-6 & v_{6}&=-v \end{align*}


(覚書1:Lagrange補間式)
(覚書2:ユークリッド互除法に関連して)
流れ
EX1-RT4-1

\begin{align*} &g_0(v_i)=0 \quad for \ (i=1,2,..,6) \\ &\qquad \qquad \Downarrow\ \\ &S_3: Galois \ group \ of \ f(x) \\ &\qquad composition \ series \ S_3 \rhd A_3 \rhd \{e\} \end{align*}

流れ
EX1-RT4-2

\[ g_{1}(x)=x^3+9x+a_{1} \in F_{1}[x] \]

\[\quad g_1(x):minimal \ polynomial \ of \ v \ on \ F_1=F_0(a_1)\\ \quad Here \ \ B_1=a_{1}^2 +135=0 \]

流れ
EX1-RT4-3

\[g_{2}(x)=x+{{a}_{2}^{2}}\, \left( -\frac{\omega }{3}+\frac{{a_1}}{18}-\frac{1}{6}\right) +{a_2} \in F_{2}[x]\]

\[ \quad g_2(x):minimal \ polynomial \ of \ v \ on \ F_2=F_0(a_1,a_2)\\ \quad Here \quad B_2=a_2^3-\frac{6 \omega +{a_1}+3}{2}=0, \ \Omega=\omega^2+\omega+1=0 \]

流れ
EX1-RT4-4

\begin{align*} v=&\frac{{{a}_{2}^{2}} \omega }{3}-\frac{{a_1} {{a}_{2}^{2}}}{18}+\frac{{{a}_{2}^{2}}}{6}-{a_2} \\ \\ \alpha=&-\frac{{a_1} \left( {{a}_{2}^{2}} \omega -{{a}_{2}^{2}}\right) +\left( 9 {{a}_{2}^{2}}-18 {a_2}\right) \omega +9 {{a}_{2}^{2}}-36 {a_2}}{54}\\ \beta=&\frac{{a_1} \left( 2 {{a}_{2}^{2}} \omega +{{a}_{2}^{2}}\right) -36 {a_2} \omega +9 {{a}_{2}^{2}}-18 {a_2}}{54}\\ \gamma=&-\frac{{a_1} \left( {{a}_{2}^{2}} \omega +2 {{a}_{2}^{2}}\right) +\left( -9 {{a}_{2}^{2}}-18 {a_2}\right) \omega +18 {a_2}}{54}\\ \\ Here &\quad B_1=a_{1}^2 +135=0,\\ &B_2=a_2^3-\frac{6 \omega +{a_1}+3}{2}=0, \\ &\Omega=\omega^2+\omega+1=0 \end{align*}

(覚書:冪根の実態は?)
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RT1-1 問題の設定

【例題1】RT1の計算の主な主題は「対称式から基本対称式への変換」計算です。
これに関しては、以下のWebサイトを参考にさせていただきました。
  jurupapa氏 「数学-補助定理IV,ガロア群の計算」
       https://maxima.hatenablog.jp/entry/2017/10/24/001257
例題1は次の3次方程式の根を求める事です。

\begin{equation} \setCounter{0} f(x)=x^3+3x+1=0 \quad \in F_0[x] \end{equation}

上記の記号の定義を説明します。
有理数体を\(\boldsymbol{Q}\) とします。すると、\(f(x)\) が定義される基礎体を \(\boldsymbol{F_0}\) とするとき、基礎体は\( \boldsymbol{F_0 = \ Q(\omega) }\) となります。 ここで基礎体 \(F_0\) 上の多項式の集合を \(F_0[x]\) と書きます。

(何故、基礎体では1の原始三乗根 \(\omega\) を、有理数体 \(Q\) に初めから添加しておかなければならないかは、 かなり後のEX1-RT4-3で説明します。とりあえず気にしないでください)

次に \(f(x)\) の根を \([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) とします。 ガロアは、この3根を直接扱うのではなく、下式に示す原始元 \(" \ \boldsymbol{v} \ "\) と言うものを導入しました。 \( \ v \ \)は \([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) の線形結合です。

\begin{align} v=1\cdot\alpha+2\cdot\beta+3\cdot\gamma \end{align}

\([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) にかかっている係数 \([ \ 1,2,3 \ ]\) ですが、 \([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) の全ての置換で、\(v\) が全て異なる様な係数なら 大丈夫です。(例えば、係数3つが異なった値 \([1,-1,2]\) 等)

RT1-2の計算

式(2)の \( \ v \ \)に対して \([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) の順序を入れ替えてみます。
すると次式の様に \( [ \ v_1=v, \ v_2,...,v_6 \ ] \) が考えられます。

\begin{align} \begin{split} v_{1}=\alpha+2\beta+3\gamma \qquad v_{2}=\alpha+2\gamma+3\beta \qquad v_{3}=\beta+2\alpha+3\gamma \\ v_{4}=\beta+2\gamma+3\alpha \qquad v_{5}=\gamma+2\alpha+3\beta \qquad v_{6}=\gamma+2\beta+3\alpha \end{split} \end{align}

上式 \(v_i\) の生成過程をもう少し詳しく説明します。
以下の式に示すように、対称群 \(S_3\)と呼ばれる置換操作 \([\sigma_1,\sigma_2,...,\sigma_6]\) があります。 この置換操作は、括弧の中の上段の \([1,2,3]\) という数値、或いは\([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\)の 文字の並びを、下段の様に並び変える操作です。 \([1,2,3]\) の順列の総数は高校数学でも習ったように \(3!=6\)です。従って対称群 \(S_3\) の元の総数も6個です。

\begin{align} \begin{split} \sigma_{1}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 1&2&3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \alpha&\beta&\gamma \end{pmatrix} \quad \sigma_{2}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 1&3&2 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \alpha&\gamma&\beta \end{pmatrix} \\ \sigma_{3}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 2&1&3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \beta&\alpha&\gamma \end{pmatrix} \quad \sigma_{4}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 2&3&1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \beta&\gamma&\alpha \end{pmatrix} \\ \sigma_{5}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 3&1&2 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \gamma&\alpha&\beta \end{pmatrix} \quad \sigma_{6}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 3&2&1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \gamma&\beta&\alpha \end{pmatrix} \end{split} \end{align}


この操作 \(\sigma_i \ [i=1,2,...,6] \ \) を原始元 \( v=\alpha+2\beta+3\gamma \) に作用させた場合 以下の様になります。

\begin{align} \begin{split} \sigma_{1}(v)=v_{1}=\alpha+2\beta+3\gamma \qquad \sigma_{2}(v)=v_{2}=\alpha+2\gamma+3\beta \\ \sigma_{3}(v)=v_{3}=\beta+2\alpha+3\gamma \qquad \sigma_{4}(v)=v_{4}=\beta+2\gamma+3\alpha \\ \sigma_{5}(v)=v_{5}=\gamma+2\alpha+3\beta \qquad \sigma_{6}(v)=v_{6}=\gamma+2\beta+3\alpha \end{split} \end{align}

もちろん \(\sigma_{1}\) は恒等置換なので、 \(\sigma_1(v_i)=v_i\) です。当然 \(v=v_1\) です。

次に、この \([ \ v_1,v_2,...,v_6 \ ]\) を使って、次の多項式 \(V(x)\) を考えます。

\begin{align} V(x)=&(x-v_{1})(x-v_{2})(x-v_{3})(x-v_{4})(x-v_{5})(x-v_{6})\\ \notag \\ V(x)=&\sigma_1(V(x)) = \sigma_2(V(x)) = \sigma_3(V(x)) \notag \\ =& \sigma_4(V(x)) = \sigma_5(V(x)) = \sigma_6(V(x)) \\ \notag \\ &\therefore\quad V(x) \in F_0[x] \end{align}

式(8)が成り立つのは、次の理由です。 \(\ V(x) \)の中の\([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\)の順序をどの様に替えようと、 \([ \ v_1,v_2,...,v_6 \ ]\)の順序が変わるだけで、式全体で見れば変化はないからです。 次節で実際で実際に\(\ V(x) \)を計算して \(F_0[x]\) の多項式になっているかどうか 計算してみます。
因みに \(V(x)\) は「ガロア分解式」\(" \ Galois \ resolvent \ "\) と呼ばれているそうです。
式(6)から明らかなように \(v=v_1\) は \(V(x)\) の一つの根です!(覚えておいてください)

<しつこいようですが...>
対称群 \(S_3\) という言葉を持ち出してきたので 「 \(f(x),V(x)\) が対称群 \(S_3\) の全ての置換操作に 対して不変である」いう事を、\(f_{\alpha\beta\gamma}\) という式を使って 確認したいと思います。

\begin{align} f_{\alpha\beta\gamma} \equiv & (x- \alpha)(x-\beta)(x-\gamma)\\ &e.g. \quad \sigma_3(f_{\alpha\beta\gamma})=(x-\beta)(x- \alpha)(x-\gamma) \notag\\ &\qquad \quad \sigma_5(f_{\alpha\beta\gamma})=(x-\gamma)(x- \alpha)(x-\beta) \notag\\ \notag \\ f(x)=&\sigma_1(f_{\alpha\beta\gamma})=\sigma_2(f_{\alpha\beta\gamma})=\sigma_3(f_{\alpha\beta\gamma}) \notag \\ =&\sigma_4(f_{\alpha\beta\gamma})=\sigma_5(f_{\alpha\beta\gamma})=\sigma_6(f_{\alpha\beta\gamma})\\ \notag \\ &\therefore \quad f(x) \in F_0[x] \\ \end{align}


上式より、「 \(f(x), V(x)\) は対称群 \(S_3\) 全てのの置換操作に対して不変である。 従って \(f(x), V(x)\) が 基礎体\(F_0\)上の多項式で表現できる」という事は、対称式は 基本対称式で表現できるという事より明らかです。

<ガロアの思惑>
式(6)の \(V(x)\) と言う多項式は、\(v\) の最小多項式と呼ばれる非常に 重要な多項式になります。そしてRT1-6(左図参照)で明らかになるように、\([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\)は、 \(v\) の多項式で表現されるので、方程式 \(f(x)\) を解く事は、\( \ v \ \)を求める事に帰着するわけです。 即ち \(v\) を求めるという事は、最小多項式を解くという事になります。 何故なら \(v \ (=v_1)\) は \(V(x)\) の根だからです!
この最小多項式を解くという過程が、「群論の組成列と体の拡大との関係性」で 方程式を解いてゆこうと言うガロアの方針(思惑)です。その計算はRT4-1からです。
ガロアの思惑
先ずは次節で \(V(x)\) を計算してみましょう。   次ページに続く


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  1st upload: 2023/06/17
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