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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RT1-6の計算

(1) \( \alpha,\beta,\gamma \) の計算

前頁より\(\alpha\)は\(v\)の分数式として下式の様に求められました。

\begin{align} \setCounter{33} \alpha&=\frac{18v^4-9v^3+162v^2-81v+405}{6v^5+72v^3+162v} \\ \end{align}

目標は、最小多項式 \(g_0(x)=0\) の根 \(v\) の値を求めてそれを式(34)に代入すれば \(\alpha\) を 求める事が出来るという筋書きなのですが、ここで分数式に問題があります。
これ以降、計算の主体は基礎体 \(F_0\) に原始元 \(v\) を添加した拡大体 \(F_0(v)\) で行われます。 \(F_0(v)\) は代数体と呼ばれるものです。 イメージとしては例えば \(Z/5Z\) と似ております。

\(Z/5Z\)の世界
・\(5\) は素数。
・構成要素は \(\{0,1,2,3,4\}\) で加減剰余が成立する体である。
・四則演算は最終的には5で剰余する。
・除算の際には、逆元を使って乗算する。
  例えば \(2\) の逆元 \(2^{-1}\) を考える時、
   \([\ (2)\cdot(3)+(-1)\cdot(5)=1 \ ]\) と言う互除法的な式を考える。
  \(2 \cdot 3=6\)ですから\(5\)で剰余すれば \( 2\cdot3=1\) となり、\(3^{-1}=2\) という事が判ります。

\(F_0(v)\) の世界
・\(g_0(x)\) は既約多項式。
・構成要素は \(\{0,1,v,v^2,v^3,v^4,v^5\}\) で加減剰余が成立する体である。
・四則演算は最終的には \(g_0(v)\) で剰余する。
・除算の際には、逆元を使って乗算にする。
  (上記は数学的には全く不適切な表現ですがあくまでイメージたと思ってください)
  (構成要素は正確には、最高次数 \(v^5\) までの多項式で、加減剰余が成立する体)

さて問題は逆元をどう計算するかです。上記の \(3\) の逆元を考えた時と全く同様に考えます。
式(34)の分母の \(V'(v)^{-1}\) を多項式でどの様に表現するか?と言う問題です。\(Z/5Z\)の世界と同様に、 ユークリッドの互除法で計算すると、天下り的ですが下式が成り立ちます。

\begin{align} &\Bigl[ \frac{2 {{x}^{5}}+30 {{x}^{3}}+63 x}{7290} \Bigr] \cdot V'(x)+ \Bigl[ \frac{-2 {{x}^{4}}-18 {{x}^{2}}+9}{1215} \Bigr] \cdot g_0(x)=1\\ \notag \\ & \qquad \Downarrow \ substitute \ v \ for \ x \quad \rightarrow \quad g_0(v)=0 \notag \\ \notag \\ &\therefore \quad \Bigl[ \frac{2 {{v}^{5}}+30 {{v}^{3}}+63 v}{7290} \Bigr] \cdot V'(v)=1 \\ \notag \\ & \therefore \quad V'(v)^{-1}=\frac{2 {{v}^{5}}+30 {{v}^{3}}+63 v}{7290}=\frac{{{v}^{5}}}{3645}+\frac{{{v}^{3}}}{243}+\frac{7 v}{810}\\ \end{align}

という事で逆元が求まります。(式(35)の導出は、この節の最後の覚書2で説明してあります)

実は、もう一つ逆元を求める方法があります。こちらの方が素直な方法だと思います。

先ず、 \(V(v)'\) の逆元に相当する多項式を \(IdV(v)\) と表記します。 \(IdV(v)\) が満たすべき条件は以下の式が成り立つ事です。

\begin{align} V(v)'^{-1} \equiv IdV(v) \quad \Rightarrow IdV(v) \cdot V(v)'=1 \\ \end{align}

次に、多項式 \(IdV(v)\) を式(39)の様に、\(c_i\) を係数とする多項式とします。 後は、条件式(38)を満足する様に 係数 \(c_i\) を求める連立方程式を解くだけです。計算過程を以下に示します。

\begin{align} &IdV(v)= \quad c_5 \cdot v^5+c_4 \cdot v^4+c_3 \cdot v^3+c_2 \cdot v^2+c_1 \cdot v+c_0\\ &V(v)'= \quad 6v^5+72v^3+162v\\ \end{align}

\begin{align} \notag \\ &\therefore \ IdV(v) \cdot V(v)'\notag \\ &= \ 6c_5v^{10}+6c_4v^9+(72c_5+6c_3)v^8+(72c_4+6c_2)v^7 \notag \\ &+(162c_5+72c_3+6c_1)v^6+(162c_4+72c_2+6c_0)v^5 \notag \\ &+(162c_3+72c_1)v^4+(162c_2+72c_0)v^3+162c_1v^2 +162c_0v\\ \notag \\ &\qquad \Downarrow \quad g_0(v)で剰余する \notag \\ \notag \\ &= \quad (324c_4-36c_2+6c_0)v^5 +(-3726c_5+324c_3-36c_1)v^4 \notag\\ &+(2106c_4-324c_2+72c_0)v^3 +(-21384c_5+2106c_3-324c_1)v^2 \notag \\ &+(4860c_4-810c_2+162c_0)v -43740c_5+4860c_3-810c_1\\ &= \ 1 \\ \end{align}

\(IdV(v)\) の係数が満足すべき条件は式(42)=(43)が成り立つ事となります。
整理すると係数 \(c_i\) が満足すべき連立方程式は以下の式となります。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} &(324c_4-36c_2+6c_0)=0 & &(-3726c_5+324c_3-36_c1)=0 \notag \\ &(2106c_4-324c_2+72c_0)=0 & &(-21384c_5+2106c_3-324c_1)=0 \\ &(4860c_4-810c_2+162c_0)=0 & &(-43740c_5+4860c_3-810c_1)=1 \\ \end{array} \right. \\ \end{align}

上記係数 \(c_i\) の連立方程式を解くと、以下の様になり \(IdV(v)\) が決定します。

\begin{align} \Bigl[\ & c_0=0, \ c_1=\frac{7}{810}, \ c_2=0, \ c_3=\frac{1}{243}, \ c_4=0, \ c_5=\frac{1}{3645} \ \Bigr]\\ &\therefore \quad IdV(v)= V'(v)^{-1}= \frac{{{v}^{5}}}{3645}+\frac{{{v}^{3}}}{243}+\frac{7 v}{810} \\ \end{align}

式(37)と(45)を比較すると、2つの方式で求めた \(IdV(v)\)が同じ式となる事が確認できました。
\(IdV(v)\) の多項式表現がが求まったので、 \(\{\alpha,\beta,\gamma\}\) は、式(25)(32)(33)を使って、 以下の様に \(v\) の多項式として求める事が出来ます。

\begin{align} \alpha&=\left.\frac{P_\alpha(x)}{V'(x)}\right|_{x=v} =\left.P_\alpha(x) \cdot IdV(x)\right|_{x=v} \notag \\ &=(18v^4-9v^3+162v^2-81v+405)\cdot\Bigl( \frac{2 {{v}^{5}}+30 {{v}^{3}}+63 v}{7290} \Bigr) \notag \\ &=\frac{v^4+15v^2-9v+36}{18} \qquad ( g_0(v)で剰余する)\\ \notag \\ \beta&=\left.P_\beta(x) \cdot IdV(x)\right|_{x=v}=-\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+36}{9}\\ \gamma&=\left.P_\gamma(x) \cdot IdV(x)\right|_{x=v} =\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+9 v+36}{18}\\ \end{align}

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  1st upload: 2023/06/17
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