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】の解法手順の後半 RT4

 EX1-RT1-6   EX1-RT2-6   EX1-RT3-5

\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*}

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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RT4-1の計算

(1) \(v_i(v)\) が \(g_0(x)\) の根である事の確認

例として、\(v_2(v)\) が \(g_0(x)\) の根である事を、計算で確かめてみましょう。
RT1で計算した\(g_0(x)\) の \(x\) に \(v_2(v)\) の右辺の多項式を代入してみます。

\begin{align} \setCounter{0} g_0(x)=&x^6+18x^4+81x^2+135 \notag \\ v_2(v)=&-\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6 \notag \\ \notag \\ g_0(v_2(v))=& \ g_0 \left(-\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6 \right) \notag \\ \notag \\ =&{{\left( -\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6\right) }^{6}} +18 {{\left( -\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6\right) }^{4}} \notag \\ &+81 {{\left( -\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6\right) }^{2}}+135 \\ \notag \\ =& \ v^{24}/46656+(5v^{22})/2592-v^{21}/2592+(133v^{20})/1728 \notag \\ &-(25v^{19})/864+(115v^{18})/64-(15v^{17})/16 \notag \\ &+(1747v^{16})/64-(3715v^{15})/216+(4545v^{14})/16 \notag \\ &-(6307v^{13})/32+(99701v^{12})/48-(47105v^{11})/32 \notag \\ &+(689273v^{10})/64-(232887v^9)/32+(2522151v^8)/64 \notag \\ &-(758583v^7)/32+(6375097v^6)/64-(393201v^5)/8 \notag \\ &+(1326249v^4)/8-(118233v^3)/2+(655209v^2)/4 \notag \\ &-31590v+73035 \\ \notag \\ =& \ g_0(v) \cdot (v^{18}+72v^{16}-18v^{15}+2214v^{14}-1026v^{13} \notag \\ &+38016v^{12}-23814v^{11}+400221v^{10}-288252v^9 \notag \\ &+2671056v^8-1939626v^7+11280303v^6-7202520v^5 \notag \\ &+29049192v^4-13880160v^3+41465520v^2 \notag \\ &-10917504v+25240896)/46656\\ \notag \\ =& \ 0 \qquad( \ \because \ g_0(v)=0 \ ) \end{align}

ちょと驚きです! \(v\) の24次まで次数が膨れ上がった多項式(2)が、 式(3)にあるように \(g_0(v)\) と 18次の\(v\) の多項式との積に 因数分解できますので、\(g_0(v)\) で剰余を取りますと、 一気にゼロになってしまいます。従って \(v_2(v)\) は\(g_0(x)\) の根で ある事が判りました。
全ての \(v_i(v) \ [i=1,..,6]\) を \(g_0(x)\) の \(x\) に代入して、 同様な計算をすると 全てゼロとなり、\(g_0(x)\)の根である事が確認できます。 従って、以下の式が成り立ちます

\begin{align} g_0(v_i(v))=0 \quad [ \ i=1,2,...,6 \ ] \end{align}

更に \(v_i\) は全て異なっており \(g_0(x)\) は重根を持たない共役根である事も判りました。

今までRT1で計算してきた過程を振り返ります。

  (1) 原始元 \(v=\alpha+2\beta+3\gamma\) の導入。
  (2) 基礎体\(F_0\) に \(v\) を添加し拡大した体 \(F_0(v)\)が構成された。
  (3) \(v\) より生成された \(V(x),P_\alpha(x),P_\beta(x),P_\gamma(x)\) を使い、\(v\) による多項式表現
    \([\alpha(v),\beta(v),\gamma(v)]\) と \([v_1(v),v_2(v),..,v_6(v)]\) が得られた。
  (4) \(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\) の共役根が \([v_1(v),v_2(v),..,v_6(v)]\) であると確認できた。

(1)~(4)の過程で導入された概念を下図(Fig.4-1)の様に表現してみました。

体の変換

今までは、体論の定理等には触れずに、単純に計算のみで話を進めて来ました。
ここでは、体論の言葉の定義に従って、上記(1)~(4)までの事を以下の様にまとめてみますが、用語の詳細より 計算に慣れてから、再度見直す方が理解が深まると思いますので、余り気にせず読み飛ばしてください。

・(1),(2),(4)より言える事
  原始元\(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\) は重根を持たないので、\(F_0(v)\) は \(F_0\)の
  分離拡大である。従って単拡大である。

・(3)より言える事
  \(v\) の共役根 \(\ [v_1,v_2,..,v_6 \ ]\) は、\(v\) の多項式として表現 されているので、
  \(v_i\) は全て \(F_0(v)\) に属する。従って \(F_0(v)\) は、 \(F_0\) の正規拡大である。

   更に\([\alpha,\beta\,\gamma]\) は \(v\) の多項式として表現できるので、 \(f(x)\)は\(F_0(v)\)の中で

     \(f(x)=(x-\alpha(v)) \cdot (x-\beta(v)) \cdot (x-\gamma(v))\)

  と一次式の積として分解されるので、\(F_0(v)\) は \(f(x)\) の最小分解体である。
  以上まとめると、\(F_0(v)\) は、分離拡大かつ正規拡大なので、

    「 \(F_0(v)\) は \(F_0\) のガロア拡大である。」
    「 \(F_0(v)\) は \(f(x)\) の最小分解体である。」

  と言えます。


ついに、分離拡大、単拡大、正規拡大、ガロア拡大、最小分解体と言う概念が出てきました。
沢山の用語が出てきますが、原始元 \(v\) を導入した瞬間から、全ての計算は、否応なしに、 基礎体 \(F_0\) に \(v\) を添加したガロア拡大体 \(F_0(v)\) で計算する事になります。 用語の詮索より、計算の手順に慣れる事の方が重要だと思います。     次ページに続く


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  1st upload: 2023/06/17
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