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3】の解法手順

EX3-1

\begin{align*} &f(x)=x^5-10x^3+5x^2+10x+13 \\ \\ &\qquad \{\alpha,\beta,\gamma,\delta,\epsilon\}: \ roots \ of \ f(x)\\ &\qquad v: \ Primitive \ element \\ \\ & v=1\cdot\alpha+2\cdot \beta+3\cdot\gamma+4 \cdot \delta+5 \cdot \epsilon \end{align*}

流れ
EX3-2

\[ \qquad The \ system \ of \ equations \]

\[ \left\{ \begin{array}{l} r_1=\alpha^5-10\alpha^3+5\alpha^2+10 \alpha +1=0\\ r_2=\beta^4+\alpha\beta^3+(\alpha^2-10)\beta^2+(\alpha^3-10 \alpha +5)\beta \\ \qquad +\alpha^4-10\alpha^2+5 \alpha +10=0\\ r_3=\gamma^3+( \beta +\alpha )\gamma^2+(\beta^2+\alpha \beta +\alpha^2-10)\gamma +\beta^3 \\ \qquad +\alpha\beta^2+(\alpha^2-10) \beta +\alpha^3-10 \alpha +5=0\\ r_4=\delta^2+( \gamma +\beta +\alpha )\delta +\gamma^2+( \beta +\alpha )\gamma \\ \qquad +\beta^2+\alpha \beta +\alpha^2-10=0 \\ r_5=\alpha+\beta+\gamma+\delta+\epsilon=0 \\ r_6=v-(\alpha+2\beta+3\gamma+4\delta+5\epsilon )=0 \\ \end{array} \right.\\ \quad \\ \qquad \qquad \qquad \Downarrow \]

\[ \qquad Elimination \ Theory \]

\[ V(v)= {{v}^{120}}-3000 {{v}^{118}}+4350000 {{v}^{116}}.... \\ \qquad \qquad ..........\\ \quad \\ \qquad =( v^5-125v^3+2500v-4375 )\times .....\\ \qquad \times (v^5-125v^3+800v^2-1750 v+1225 ) \\ \]

流れ
EX3-3

\[g_{0}(x)=x^5-125x^3+2500x-4375 \]

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

流れ
EX3-4

\[Factorization \ of \ f(x) \ on \ F_0(v)\] \[\quad "maxima's \ function \ "\] \[\qquad factor(f(x),g_0(v))\]

流れ
EX3-5

\begin{align*} &\alpha=\alpha(v)=\frac{22 {{v}^{4}}+25 {{v}^{3}}-2575 {{v}^{2}}-5125 v+35250}{5375}\\ &\beta=\beta(v), \ \gamma=\gamma(v), \ \delta=\delta(v), \ \epsilon=\epsilon(v)\\ \quad \\ \end{align*}

\begin{align*} &roots \ of \ V(x)\\ &\quad [ \ v_1=v_1(v), \ ....\ , \ v_{120}=v_{120}(v) \ ] \\ \end{align*}

流れ
EX3-6

\begin{align*} &g_0(v_i)=0 \quad for \ (i=1,34,65,91,97) \\ &\qquad \qquad \Downarrow\ \\ &C_5: Galois \ group \ of \ F(x) \\ &\qquad composition \ series \quad C_5 \rhd \{e\} \end{align*}

流れ
EX3-7

\[g_1(x)\ : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ \qquad g_1(x) \ \in \ F_0(a_1)[x] \\ \quad \\ B_1=a_1^5+ 500\zeta^3+1000\zeta^2+875 \zeta +125 =0 \]

流れ
EX3-8

\begin{align*} &v=v(a_1,\zeta) \\ \quad \\ &\left\{ \begin{array}{l} \alpha=\alpha(a_1,\zeta), \quad \beta=\beta(a_1,\zeta) \\ \gamma=\gamma(a_1,\zeta), \quad \delta=\delta(a_1,\zeta) \\ \epsilon=\epsilon(a_1,\zeta) \\ \end{array} \right.\\ \end{align*}
(覚書:\(t_1=0 \ \Rightarrow \ A_1=0\) の時どうしますか?

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EX3-6 方程式 \(f(x)\) のガロア群の決定

EX3-6-1 \(g_0(x)\) の根は?

\(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\) の根を考えます。 \(V(x)\) の根 \(\{ \ v_1,v_2,..,v_{120} \ \}\) の多項式表現式(26)を \(g_0(x)\) に 代入した結果が式(28)です。計算の結果 \(g_0(v_i)=0\) となる \(v_i\) は、式(29)に示す \(\{v_1,v_{34},v_{65},v_{91},v_{97}\}\) の5つとなる事が判りました。 又計算の際、拡大体 \(F_0(v)\) の中で計算するので \(( \ mod \ g_0(v)) \ \) を取る事に 注意する必要があります。

\begin{align} \setCounter{27} &\left\{ \begin{array}{l} g_0(v_1)= 0 \\ g_0(v_2)=-(252v^4-2450v^3-3500v^2+80850v+52150)/43 \\ \qquad ......... \\ g_0(v_{119})=(1314v^4+3350v^3-153700v^2-355650v+1919900)/43 \\ g_0(v_{120})=-8750 \qquad ( \ mod \ g_0(v) \ ) \end{array} \right. \\ \notag \\ &\qquad g_0(v_1)=g_0(v_{34})=g_0(v_{65})=g_0(v_{91})=g_0(v_{97})=0 \\ \notag \\ \end{align}

\begin{align} &\therefore \ g_0(x)=(x-v_{1})(x-v_{34})(x-v_{65})(x-v_{91})(x-v_{97})\\ \end{align}

式(29)より最小多項式 \(g_0(x)\) の根は、\(\{v_1,v_{34},v_{65},v_{91},v_{97}\}\) である事が判りました。従って \(v\)の最小多項式は式(30)となります。 更に、式(23)の中の\(\{v_1,v_{34},v_{65},v_{91},v_{97}\}\)に式(22)を代入すると、下記の様に5根の\(v\)の多項式表現が得られます。

\begin{align} \sigma_1 (v)&=v_1=v \notag \\ \sigma_{34} (v)&=v_{34}=\frac{22 {{v}^{4}}}{1075}+\frac{{{v}^{3}}}{43}-\frac{103 {{v}^{2}}}{43}-\frac{162 v}{43}+\frac{1410}{43} \notag \\ \sigma_{65} (v)&=v_{65}=-\frac{41 {{v}^{4}}}{1075}-\frac{23 {{v}^{3}}}{215}+\frac{190 {{v}^{2}}}{43}+\frac{513 v}{43}-\frac{2530}{43} \\ \sigma_{91} (v)&={v_{91}}=-\frac{9 {{v}^{4}}}{1075}-\frac{4 {{v}^{3}}}{215}+\frac{48 {{v}^{2}}}{43}+\frac{78 v}{43}-\frac{870}{43} \notag \\ \sigma_{97} (v)&={v_{97}}=\frac{28 {{v}^{4}}}{1075}+\frac{22 {{v}^{3}}}{215}-\frac{135 {{v}^{2}}}{43}-\frac{472 v}{43}+\frac{1990}{43} \notag \\ \end{align}

これら5根は、お互い共役根となっており重根ではなく、\(v\) の多項式で表現されているので \(F_0(v)\) に属する事も判ります。従って \(F_0(v)\) は \(F_0\) の分離拡大かつ正規拡大であります。
従って \(F_0(v)\) は \(F_0\) のガロア拡大となります。

EX2-6-2 \(Gal(F_0(v)/F_0) : \ Galois \ group \ of \ F_0(v)/F_0 \)

\(F_0(v)\) は ガロア拡大体と言う事が判ったので、体論より以下の事が言えます。

[1] ガロア拡大体\(F_0(v)\)に対し、\(F_0\)の元を不動にする \(\sigma_i(v)=v_i\) を満たす
   \(F_0\)上の自己同型写像 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\}\) が存在する。

[2] \(F_0\)上の自己同型写像全体 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\}\) は群をなす。
   それを \(Gal(F_0(v)/F_0)\) で表し 「 \(F_0(v)/F_0\) のガロア群である」と言う。

[3] \(n(=5)=F_0(v)\)の拡大次数 \([F_0(v):F_0]=Gal(F_0(v)/F_0)\) の位数

[4] 拡大体 \(F_0(v)\) は \(f(x)\) の \(F_0\) 上の最小分解体である。
   この時 \(Gal(F_0(v)/F_0)\) は 「\(f(x)\) の \(F_0\) 上のガロア群である」とも言う。


上記四角枠の中の[1][2]で主張されている「\(F_0\)上の自己同型写像全体 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\}\) が存在し、群をなす。」とは、具体的にはどの様なものなのか?
結論は、「自己同型写像全体 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\} =\) 巡回群 \(C_5\) 」です。

以下で実際に自己同型写像を見てみます。 式(18)で定義されている対称群 \(S_5\)の中から、上記5つの自己同型写像を抜き出したものを下に示します。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} &\sigma_{1}=\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5 \\ 1&2&3&4&5 \end{pmatrix} &\ &\sigma_{34}=\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5 \\ 2&3&4&5&1 \end{pmatrix} \\ &\sigma_{65}=\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5 \\ 3&4&5&1&2 \end{pmatrix} &\ &\sigma_{91}=\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5 \\ 4&5&1&2&3 \end{pmatrix} \\ &\sigma_{97}=\begin{pmatrix} 1&2&3&4&5 \\ 5&1&2&3&4 \end{pmatrix} &\ & \end{array} \right. \\ \end{align}

上記の\(\sigma_i\)を見ると計算するまでもなく、5次の巡回群\(C_5\)だと判ります。 【例題2】と全く同様に計算する事により、以下の様に【表1】【表2】【表3】を作成する事ができます。
【表1】\(\sigma_i \circ \sigma_j\) 積表
\( i \backslash j \)\(\sigma_1\)\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{97}\)
\(\sigma_1\)\(\sigma_{1}\)\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{97}\)
\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{97}\)\(\sigma_{1}\)
\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{97}\)\(\sigma_{1}\)\(\sigma_{34}\)
\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{91}\)\(\sigma_{97}\)\(\sigma_{1}\)\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{65}\)
\(\sigma_{97}\)\(\sigma_{97}\)\(\sigma_{1}\)\(\sigma_{34}\)\(\sigma_{65}\)\(\sigma_{91}\)

【表1】より、同型写像の全体
\(\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\}\) は

\( (\sigma_{34})^2=\sigma_{65}, \ (\sigma_{34})^3=\sigma_{91} \)
\( (\sigma_{34})^4=\sigma_{97}, \ (\sigma_{34})^5=\sigma_{1}=\{e\} \)

なので、5次の巡回群 \(C_5\) である事が判ります。
このガロア群 \(C_5\) の組成列も単純です。
従って以下の事が言えます。

\begin{align*} &Gal(F_0(v)/F_0)=C_5 =\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\} \ : \ \ F_0(v)/F_0 のガロア群\\ \notag \\ &\therefore \quad ガロア群 C_5 の組成列: \quad C_5 \ \rhd \ \{e\}\\ \end{align*}

【表2】\(\sigma_i(v_j)\) 変換表
\( i \backslash j \)\(\sigma_i(v_1)\)\(\sigma_i(v_{34})\)\(\sigma_i(v_{65})\)\(\sigma_i(v_{91})\)\(\sigma_i(v_{97})\)
\(\sigma_1\)\(v_{1}\)\(v_{34}\)\(v_{65}\)\(v_{91}\)\(v_{97}\)
\(\sigma_{34}\)\(v_{34}\)\(v_{65}\)\(v_{91}\)\(v_{97}\)\(v_{1}\)
\(\sigma_{65}\)\(v_{65}\)\(v_{91}\)\(v_{97}\)\(v_{1}\)\(v_{34}\)
\(\sigma_{91}\)\(v_{91}\)\(v_{97}\)\(v_{1}\)\(v_{34}\)\(v_{65}\)
\(\sigma_{97}\)\(v_{97}\)\(v_{1}\)\(v_{34}\)\(v_{65}\)\(v_{91}\)
【表3】\(\sigma_i(\alpha,\beta,\gamma,\delta,\epsilon)\) 変換表
\( i \backslash j \)\(\sigma_i(\alpha)\)\(\sigma_i(\beta)\)\(\sigma_i(\gamma)\)\(\sigma_i(\delta)\)\(\sigma(\epsilon)\)
\(\sigma_1\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\epsilon\)
\(\sigma_{34}\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\epsilon\)\(\alpha\)
\(\sigma_{65}\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\epsilon\)\(\alpha\)\(\beta\)
\(\sigma_{91}\)\(\delta\)\(\epsilon\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)
\(\sigma_{97}\)\(\epsilon\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\delta\)

【表3】を見ると、\(f(x)\) の5根 \(\{\alpha,\beta,\gamma,\delta,\epsilon \}\) も巡回群 \(C_5\) によって、 巡回置換されている事が判ります。従って以下の事が言えます。

\begin{align} Gal(F_0(v)/F_0)=C_5 =\{\sigma_{1}, \sigma_{34},\sigma_{65},\sigma_{91}, \sigma_{97}\} \ : \ f(x) のガロア群 \notag \\ \end{align}


次ページに続く


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  1st upload: 2023/06/17
  revision2 : 2023/07/27


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