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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APX3 巡回多項式と円分方程式 \(\Phi_{17}(x)\)

[1] 巡回多項式とは

下記の参考文献「ガロアを読む」(倉田令二朗著)によりますと、以下の性質を持っている多項式を「巡回多項式」と言うそうです。 その他参考サイトにも「巡回方程式」に関係する話題が豊富に掲載されております。

   \(f(x)\) を有理数体 \(Q\) 上のn次の既約多項式とします。\(f(x)=0\) の1つの根を \(a\) としたとき、
  他の(n-1)個の根は、\(a\) の多項式で書ける場合の \(f(x)\) を巡回多項式と言う。

何故この話題を取り上げたかと言いますと、一つは過去の大学入試で度々取り上げられている興味深い 方程式であるからです。もう一つは、円分多項式は巡回多項式なので、 1の原始17乗根の円分多項式を、今まで説明してきたガロア理論を使った方程式の解法の 手法を適用して解を計算してみたかったからです。

[2] 巡回多項式とその拡大代数体上での因数分解

【例題1,2,3,4】では、\(f(x)=0\) の根を使って原始元 \(v\) を定義して、基礎体 \(F_0\) に 添加した拡大体 \(F_0(v)\) が、\(f(x)\) の最小分解体となり、\(f(x)=0\) の根は、全て \(v\) の多項式として表現される事は、既にみてきました。 巡回多項式の場合は、「 \(f(x)=0\) の 一つの根 \(a\) で他の根を表現出来る」と言っています。
それならば、基礎体 \(Q\) に \(f(x)=0\) の 根 \(a\) を添加した拡大体 \(Q(a)\) も \(f(x)\) の最小分解体になっているはずです。 即ち「\(f(x)\) の根 \(a\) が、原始元 \(v\) の役目もはたしてている」という事に他なりません。
すると原始元 \(v\) の最小多項式 \(g(x)\) に対応するものはなにか?と言いますと、 「 \(f(x)\) そのものが \(a\) の最小多項式だ」という事になります。

すると \([ \ f(a)=0 \ ]\) が生成する拡大体 \(Q(a)\) で \(f(x)\) を因数分解できるはずです。 そこで、代数計算ソフトmaximaの命令 \(factor(p,q)\) で因数分解してみます。 下記の場合、\([ \ p=f(x), q=f(a) \ ]\) です。

\begin{align} \setCounter{0} & ● 3次方程式 \notag \\ f(x)&=x^3-3x-1=0 \qquad (井汲景太氏が取り上げた方程式) \\ &factor(p,q)= (x-a)(x+a^2-2)(x-a^2+a+2) \notag \\ \notag \\ f(x)&= x^3-3x+1=0 \\ &\qquad (【例題2】、1970年東北大学文系、1997年早稲田大学理工学部) \notag \\ & factor(p,q)=(x-a)(x-a^2+2)(x+a^2+a-2) \notag \\ \notag \\ f(x)&= x^3+3x^2-1=0 \qquad(1990年東大文系) \\ &factor(p,q)=(x-a)(x-a^2-2a+2)(x+a^2+3a+1) \notag \\ \notag \\ f(x)&= x^3+x^2-2x-1=0 \qquad(1997年東京都立大) \\\ & factor(p,q)=(x-a)(x-a^2+2)(x+a^2+a-1) \notag \\ \notag \\ & ● 4次方程式 \notag \\ f(x)&= x^4+2x^2-4x+2=0 \\ &factor(p,q)=\frac{1}{9}(x-a)(x+a^3+a^2+3a-2)\notag \\ &\qquad \qquad \times (3x-4a^3-2a^2-9a+10)(3x+a^3-a^2+3a-4)\notag \\ \notag \\ f(x)&= x^4-4x^2+2=0 \qquad (1997年早稲田大学理工学部) \\ &factor(p,q)=(x-a)(x+a)(x-a^3+3a)(x+a^3-3a) \notag \\ \notag \\ & ● 5次方程式 \notag \\ f(x)&= x^5+x^4-4x^3-3x^2+3x+1=0 \\ &factor(p,q)=(x-a)(x-a^2+2)(x-a^3+3a) \notag \\ &\qquad \qquad \times (x-a^4+4a^2-2)(x+a^4+a^3-3a^2-2a+1) \notag \\ \notag \\ f(x)&= x^5-10x^3+5x^2+10x+1=0 \quad (【例題3】) \\ &factor(p,q)=\frac{1}{2401}(x-a)(7x-4a^4+2a^3+39a^2-36a-22)\notag \\ &\qquad \qquad\times (7x-a^4-3a^3+8a^2+19a-9) \notag \\ &\qquad \qquad \times (7x+2a^4-a^3-23a^2+18a+25)\notag \\ &\qquad \qquad \times (7x+3a^4+2a^3-24a^2+6a+6)\notag \\ \notag \\ & ● 6次方程式 \notag \\ f(x)&= x^6+x^3+1=0 \\ &factor(p,q)=(x-a)(x-a^2)(x-a^4) (x+a^4+a)(x-a^5)(x+a^5+a^2) \notag \\ \notag \\ \end{align}

[3] 因数分解の答え=自己同型写像全体

上記(7)の場合を考えます。\(factor(p,q)=0\)の5根は式(11)の様になります。5根は最小多項式の根ですから、 ガロア拡大\(Q(a)/Q\)の自己同型写像の多項式表示となっております。

\begin{align} &f(x)=x^5+x^4-4x^3-3x^2+3x+1\notag \\ &factor(p,q) =(x-a)(x-a^2+2)(x-a^3+3a) \notag \\ &\qquad \qquad \times (x-a^4+4a^2-2)(x+a^4+a^3-3a^2-2a+1) \\ \notag \\ &\left\{ \begin{array}{l} x_1=a \qquad x_2=a^2-2 \qquad x_3=a^3-3a \\ x_4=a^4-4a^2+2 \qquad x_5=-a^4-a^3+3a^2+2a-1 \\ \end{array} \right. \\ \end{align}

そこで、式(11)の \([ \ x_2=a^2-2 \ ]\) を、自己同型写像 \([ \ \mu(a)=a^2-2 \ ]\) として考えてみます。 \(\mu^i(a), \ i=[1,2,3,4,5,6]\) を以下に計算してみます。勿論 \((mod \ f(a))\) で計算します。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} \mu(a)=&a^2-2&=x_2 \\ \mu^2(a)=&{{\left( {{a}^{2}}-2\right) }^{2}}-2=a^4-4a^2+2&=x_4 \\ \mu^3(a)=&{{\left( {{a}^{4}}-4 {{a}^{2}}+2\right) }^{2}}-2=a^3-3a&=x_3 \\ \mu^4(a)=&{{\left( {{a}^{3}}-3 a\right) }^{2}}-2=-a^4-a^3+3a^2+2a-1&=x_5 \\ \mu^5(a)=&{{\left( -{{a}^{4}}-{{a}^{3}}+3 {{a}^{2}}+2 a-1\right) }^{2}}-2=a&=x_1 \\ \mu^6(a)=&(a)^2-2&=x_2 \\ \end{array} \right. \\ \notag \\ &\therefore \quad \mu^5 = e \\ \end{align}

\(f(x)\) の根 \(a\) に対して、自己同型写像 \(\mu\) を次々に作用させると、全ての根が現れてきて、 5回で一巡する事が判ります。即ち \(\mu\) は5次の巡回群を生成する事が判りました。
従って \(Q(a)/Q\) のガロア群は、5次の巡回群となります。ガロア群が判ったので、あとは今まで説明してきた 計算手順で、基礎体 \(Q\) に添加する新たな数 \(a_1\) を求めてゆけば、\(f(x)\) を、拡大体 \(Q(a_1)\) 上で 表現する事が出来、\(f(x)=0\) の根 \(a\) も添加数 \(a_1\) を使って表現できることになります。 5次の \(Lagrange \ resolvent\) に代入する際に、以下の様に \(h_i\) と \(x_j\) の添字の順番を式(12)に従えば 正しく計算できるはずです、、、。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} h_0=(x-x_1)=(x-a) \\ h_1=(x-x_2)=(x-a^2+2) \\ h_2=(x-x_4)=(x-a^4+4a^2-2) \\ h_3=(x-x_3)=(x-a^3+3a) \\ h_4=(x-x_5)=(x+a^4+a^3-3a^2-2a+1) \\ \end{array} \right. \\ \end{align}


次ページに続く


【参考文献、参考サイト】
・「ガロアを読む」 倉田令二朗著  §12 「巡回方程式とアーベル方程式」
・Period-Mathematics氏 「解の巡回」にとどめを刺す!~ガロア理論による背景の完全解明~
    https://period-mathematics.hatenablog.com/entry/2019/05/03/181220
・Period-Mathematics氏 巡回多項式を代数的に解く
     https://period-mathematics.hatenablog.com/entry/2019/05/04/194452
・「解の巡回」- 私的数学塾 (非常に詳しい説明です)
    http://shochandas.xsrv.jp/solution/solution3.htm

岩波数学辞典(1969年)の「ガロア理論」の説明の中に、上記に関連する説明が10行ほど記述されております。そこには、 「Abel方程式」、「巡回方程式」、「Galois方程式」と言う言葉が出てきます。多分、それぞれ微妙に 違うと思うのですが、私には、その違いを上手く説明できません。済みません。