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の計算の続き

前頁で \(f(x)\) の根 \(\{\alpha,\beta,\gamma\}\) が \(v\) の多項式として求まったので、下に 再掲します。

\begin{align} \setCounter{48} \alpha=\alpha(v)=&\frac{v^4+15v^2-9v+36}{18} \notag \\ \beta=\beta(v)=&-\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+36}{9}\\ \gamma=\gamma(v)=&\frac{{{v}^{4}}+15 {{v}^{2}}+9 v+36}{18} \notag \\ \end{align}


ここで式(49)は、単なる \([\alpha,\beta,\gamma]\) ではなく、 \([ \ \alpha(v),\beta(v),\gamma(v) \ ]\) と 意識的に多項式である表現にしてある事に注意しておいて下さい。

(2) \( [v_1,v_2,v_3,v_4,v_5,v_6] \) の計算

\(v\) の多項式として表現された式(49)の \([\alpha,\beta,\gamma]\) を式(5)に 代入する事によって、\([v_1,v_2,v_3,v_4,v_5,v_6]\) も \(v\) の多項式として表現できます。

\begin{align} v_1=v_1(v)=&v \notag \\ v_2=v_2(v)=&-\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}-6 \notag \\ v_3=v_3(v)=& \frac{{{v}^{4}}}{6}+\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}+6 \\ v_4=v_4(v)=& \frac{{{v}^{4}}}{6}+\frac{5 {{v}^{2}}}{2}-\frac{v}{2}+6 \notag \\ v_5=v_5(v)=& -\frac{{{v}^{4}}}{6}-\frac{5 {{v}^{2}}}{2}-\frac{v}{2}-6 \notag \\ v_6=v_6(v)=& -v \notag \\ \end{align}


以上で \([\alpha,\beta,\gamma]\) と \( [v_1,v_2,v_3,v_4,v_5,v_6] \) の全てが \(v\) の多項式として表現出来ました。これでRT1の計算過程の説明は終了します。

これからは、いよいよ対称群 \(S_3\) の正規部分群の組成列を使って、\(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\)の 次数が下記の様に低減されてゆきます。
  (1) \(g_0(x)\) の次数:6次
  (2) \(g_1(x)\) の次数:3次
  (3) \(g_2(x)\) の次数:1次
最終的には、「1次の最小多項式 \([ \ g_2(x)=0 \ ]\) の解が \(v\) の値となります。その値を、 式(45)に代入する事により、最終的に求める \([\alpha,\beta,\gamma]\) となる」と言うストーリーとなります。

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<覚書1:Lagrange補間式>

式(18)はデデキントの講義の中に出てくる式だそうです。
\(\alpha\) を求める多項式として他に、 ラクランジュ補間式 \(L_{\alpha}(x)\) もあります。次式がそれです。
\(\alpha\) は \(L_{\alpha}(x)\) の \(x\) に \(v_1\) を代入すれば簡単に求まります。
即ち \(L_{\alpha}(x)\) の 第一項目だけが残り、後はゼロとなります。更に残った第一項目は、 分母分子が共通なので約分され \(\alpha\) だけが残る事になります。

\begin{align} L_{\alpha}(x)= \Biggl[ \quad &\alpha \cdot \frac{(x-v_2)(x-v_3)(x-v_4)(x-v_5)(x-v_6)}{(v_1-v_2)(v_1-v_3)(v_1-v_4)(v_1-v_5)(v_1-v_6)} \notag \\ +&\alpha \cdot \frac{(x-v_1)(x-v_3)(x-v_4)(x-v_5)(x-v_6)}{(v_2-v_1)(v_2-v_3)(v_2-v_4)(v_2-v_5)(v_2-v_6)} \notag \\ +&\beta \cdot \frac{(x-v_1)(x-v_2)(x-v_4)(x-v_5)(x-v_6)}{(v_3-v_1)(v_3-v_2)(v_3-v_4)(v_3-v_5)(v_3-v_6)} \notag \\ +&\beta \cdot \frac{(x-v_1)(x-v_2)(x-v_3)(x-v_5)(x-v_6)}{(v_4-v_1)(v_4-v_2)(v_4-v_3)(v_4-v_5)(v_4-v_6)} \notag \\ +&\gamma \cdot \frac{(x-v_1)(x-v_2)(x-v_3)(x-v_4)(x-v_6)}{(v_5-v_1)(v_5-v_2)(v_5-v_3)(v_5-v_4)(v_5-v_6)} \notag \\ +&\gamma \cdot \frac{(x-v_1)(x-v_2)(x-v_3)(x-v_4)(x-v_5)}{(v_6-v_1)(v_6-v_2)(v_6-v_3)(v_6-v_4)(v_6-v_5)} \quad \Biggr] \\ \notag \\ \end{align}

\begin{align} \qquad \qquad \therefore \quad L_{\alpha}(v_1)=\alpha \\ \end{align}


以前、式(21)で \(P_{\alpha}(x)\) の素性が判る形式で \(P_{\alpha}(x)\) を表現しました。
これと全く同じ趣旨で、式(51)の \( L_{\alpha}(x)\) の素性が判る式で書き直してみます。
式(51)を展開した時の第一項目を、\(k_1(x)\) をすると、\(k_1(x)\) は式(53)になります。

\begin{align} K_1(x)=\alpha \cdot \frac{(x-v_2)(x-v_3)(x-v_4)(x-v_5)(x-v_6)}{(v_1-v_2)(v_1-v_3)(v_1-v_4)(v_1-v_5)(v_1-v_6)}\\ \end{align}


この \(K_1(x)\) を使うと実は \(L_{\alpha}(x)\) は式(54)の様に書けます。

\begin{align} \notag \\ &L_{\alpha}(x)=\sum_{i=1}^{6}\sigma_i\biggl(K_1(x)\biggr) \\ \end{align}


この式を見ると、\(L_{\alpha}(x)\) は対称群 \(S_3\) の任意の元 \(\sigma_i\) で \(\{\alpha,\beta,\gamma\}\) を 置換させても不変である事が実は判ります。従って、\(L_{\alpha}(x)\) は\(F_0\)上の多項式として表現できるはずです。
しかし良く調べてみると、\(L_{\alpha}(x)\) の分子、分母をそれぞれ単独で見ると \(\{\alpha,\beta,\gamma\}\) の対称式には なっていない事が判ります。従って対称式から基本対称式への変換方式は使えません。
ここで困ってしまいますが、実は【例題1】のRT2の方式を使うと、\(L_{\alpha}(x)\) を \(F_0\) 上の多項式として表現できる 事が判ります。その具体的な計算は【例題1】のRT2の最後に覚書として載せておきますのでご覧ください。

次ページに続く


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  1st upload: 2023/06/17
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