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(RT2&RT4)

EX1-RT2-1

\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-RT2-2

\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-RT2-3

\[ Remainder \ Theorem \] \[ \qquad (1) \quad \alpha^3+3\alpha+1=0 \\ \qquad (2) \quad \beta^2+\alpha\beta+\alpha^2+3=0\\ \qquad (3) \quad \alpha+\beta +\gamma=0\]

流れ
EX1-RT2-4

\[ \quad divide \ V(x) \ by \ (1),(2),(3) \] \[ \qquad \qquad \Downarrow \] \[g_{0}(x)=x^6+18x^4+81x^2+135 \]

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

流れ
EX1-RT2-5

\begin{align*} \begin{pmatrix} 1\\v\\v^2\\v^3\\v^4\\v^5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0\\ 0 & -1 & -2 & 0 & 0 & 0\\ -3 & 0 & 0 & 3 & 3 & 0\\ 3 & 3 & 24 & 0 & 0 & -6\\ 9 & -9 & 0 & -45 & -45 & 0\\ -72 & -9 & -288 & 9 & -9 & 90\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1\\ \beta \\ \alpha \\ \alpha\beta \\ \alpha^2 \\ \alpha^2\beta \end{pmatrix} \end{align*}

流れ
EX1-RT2-6

\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:RT2-4の計算の仕組み)
(覚書2:Lagrange補間式を使って根を求める計算法)
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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RT2-1 問題の設定

【例題1】RT2の計算の主眼は、対称式を剰余の定理を使って一気に基礎体の多項式に変換する方式です。 この計算方式の提唱者は以下の方です。
  「退職後は素人数学者」氏 「可解な代数方程式のガロア理論に基づいた解法」
     https://ikumi.que.jp/blog/wp-content/uploads/2018/09/galois-solution.pdf
この章は同氏の方式そのものを使わせていただきました。

【例題1】は次の3次方程式 \(f(x)\)の根を求める事です。 RT1-1で様々な数学用語を説明をしたので、RT2ではごく簡単に説明するだけにします。

\begin{equation} \setCounter{0} f(x)=x^3+3x+1=0 \quad \in F_0[x]\\ \{ \ \alpha,\beta,\gamma \ \} :roots \ of \ F(x) \end{equation}

\(f(x)\) の根を \(\{ \ \alpha,\beta,\gamma \ \}\) を使い、以下に示す 原始元\(" \ \boldsymbol{v} \ "\)を定義します。

\begin{align} v=1\cdot\alpha+2\cdot\beta+3\cdot\gamma \end{align}

\(\{\ \alpha,\beta,\gamma \ \}\)にかかっている係数\([ \ 1,2,3 \ ]\)ですが、 異なった数の組み合わせなら殆どの場合構いません。【注1】

RT2-2の計算

対称群 \(S_3=\{ \ \sigma_1,\sigma_2,...,\sigma_6 \ \}\) の元を以下の様に定義します。

\begin{align} \begin{split} \sigma_{1}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 1&2&3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \alpha&\beta&\gamma \end{pmatrix} \quad \sigma_{2}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 1&3&2 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \alpha&\gamma&\beta \end{pmatrix} \\ \sigma_{3}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 2&1&3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \beta&\alpha&\gamma \end{pmatrix} \quad \sigma_{4}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 2&3&1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \beta&\gamma&\alpha \end{pmatrix} \\ \sigma_{5}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 3&1&2 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \gamma&\alpha&\beta \end{pmatrix} \quad \sigma_{6}=\begin{pmatrix} 1&2&3 \\ 3&2&1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \alpha&\beta&\gamma \\ \gamma&\beta&\alpha \end{pmatrix} \end{split} \end{align}


上記置換操作による \(v\) に対する計算例 \(\sigma_4(v)\) を示しておきます。

\begin{align} \sigma_4(v)&=\sigma_4(\alpha+2\beta+3\gamma) =\sigma_4(\alpha)+2\sigma_4(\beta)+3\sigma_4(\gamma) =\beta+2\gamma+3\alpha \notag \\ \end{align}

同様な計算を、\(S_3\)の置換操作操作を原始元 \( v\) に作用させた場合以下の様になります。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} \sigma_{1}(v)&=v_{1}=\alpha+2\beta+3\gamma \qquad \sigma_{2}(v)=v_{2}=\alpha+2\gamma+3\beta \\ \sigma_{3}(v)&=v_{3}=\beta+2\alpha+3\gamma \qquad \sigma_{4}(v)=v_{4}=\beta+2\gamma+3\alpha \\ \sigma_{5}(v)&=v_{5}=\gamma+2\alpha+3\beta \qquad \sigma_{6}(v)=v_{6}=\gamma+2\beta+3\alpha \end{array} \right. \\ \end{align}

\(v\)に対する\(\sigma_i\)の変換は上式となりますが、同様に\(v_i\) に 対する変換も考えられます。以下\(\sigma_3(v_4)\)の計算例を示します。

\begin{align} \sigma_3(v_4)&=\sigma_3(\beta+2\gamma+3\alpha ) =\sigma_3(\beta)+2\sigma_3(\gamma)+3\sigma_3(\alpha)\\ &=\alpha+2\gamma+3\beta=v_2 \end{align}

上記の計算例と同様に、全ての \(\sigma_i(v_j)\) の組み合わせで計算した結果以下の表となります。

【表2-1】 \(\sigma_i(v_j)\)の変換表
\( i \backslash j \)\(\sigma_i(v_1)\)\(\sigma_i(v_2)\)\(\sigma_i(v_3)\)\(\sigma_i(v_4)\)\(\sigma_i(v_5)\)\(\sigma_i(v_6)\)
\(\sigma_1\)\(v_1\)\(v_2\)\(v_3\)\(v_4\)\(v_5\)\(v_6\)
\(\sigma_2\)\(v_2\)\(v_1\)\(v_5\)\(v_6\)\(v_3\)\(v_4\)
\(\sigma_3\)\(v_3\)\(v_4\)\(v_1\)\(v_2\)\(v_6\)\(v_5\)
\(\sigma_4\)\(v_4\)\(v_3\)\(v_6\)\(v_5\)\(v_1\)\(v_2\)
\(\sigma_5\)\(v_5\)\(v_6\)\(v_2\)\(v_1\)\(v_4\)\(v_3\)
\(\sigma_6\)\(v_6\)\(v_5\)\(v_4\)\(v_3\)\(v_2\)\(v_1\)
(注)各行の \(\sigma_i\)は \(\{v_1,v_2,..,v_6\}\) の並びを変えているだけで \(v_i\) の重複はありません。

次に、この \([ \ v_1,v_2,...,v_6 \ ]\) を使って、次の多項式 \(V(x)\) を考えます。

\begin{align} V(x)=&(x-v_{1})(x-v_{2})(x-v_{3})(x-v_{4})(x-v_{5})(x-v_{6})\\ \end{align}

この\(V(x)\) に対して任意の \(\sigma_i\) を演算させても、上記【表2-1】からわかるように、\(v_i\) の順序が入れ替わるだけなので \(V(x)\) 自身は不変です。従って\(V(x)\)は\(F_0\)上の多項式として表現できることが 予想されます。

\begin{align} V(x)=&\sigma_1(V(x)) = \sigma_2(V(x)) = \sigma_3(V(x)) \notag \\ =& \sigma_4(V(x)) = \sigma_5(V(x)) = \sigma_6(V(x)) \\ \notag \\ &\therefore\quad V(x) \in F_0[x] \end{align}

とりあえず式(7)で定義された\(V(x)\) はどの様な式になるかみてみましょう。

\begin{align} V(x)=&36 {{\gamma }^{6}}+288 \beta {{\gamma }^{5}}+288 \alpha {{\gamma }^{5}}-132 x {{\gamma }^{5}}+863 {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{4}}+1802 \alpha \beta {{\gamma }^{4}} \notag \\ &-828 x \beta {{\gamma }^{4}}+863 {{\alpha }^{2}} {{\gamma }^{4}}-828 x \alpha {{\gamma }^{4}}+193 {{x}^{2}} {{\gamma }^{4}}+1226 {{\beta }^{3}}{{\gamma }^{3}} \notag \\ &+4030 \alpha {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{3}}-1860 x {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{3}}+4030 {{\alpha }^{2}} \beta {{\gamma }^{3}}-3888 x \alpha \beta {{\gamma }^{3}} \notag \\ &+910 {{x}^{2}} \beta {{\gamma }^{3}}+1226 {{\alpha }^{3}} {{\gamma }^{3}}-1860 x {{\alpha }^{2}} {{\gamma }^{3}}+910 {{x}^{2}} \alpha {{\gamma }^{3}}-144 {{x}^{3}} {{\gamma }^{3}} \notag \\ &+863 {{\beta }^{4}} {{\gamma }^{2}}+4030 \alpha {{\beta }^{3}} {{\gamma }^{2}}-1860 x {{\beta }^{3}} {{\gamma }^{2}}+6378 {{\alpha }^{2}} {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{2}} \notag \\ &-6156 x \alpha {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{2}}+1443 {{x}^{2}} {{\beta }^{2}} {{\gamma }^{2}}+4030 {{\alpha }^{3}} \beta {{\gamma }^{2}}-6156 x {{\alpha }^{2}} \beta {{\gamma }^{2}} \notag \\ &+3024 {{x}^{2}} \alpha \beta {{\gamma }^{2}}-480 {{x}^{3}} \beta {{\gamma }^{2}}+863 {{\alpha }^{4}} {{\gamma }^{2}}-1860 x {{\alpha }^{3}} {{\gamma }^{2}} \notag \\ &+1443 {{x}^{2}} {{\alpha }^{2}} {{\gamma }^{2}}-480 {{x}^{3}} \alpha {{\gamma }^{2}}+58 {{x}^{4}} {{\gamma }^{2}} +288 {{\beta }^{5}} \gamma +1802 \alpha {{\beta }^{4}} \gamma \notag \\ &-828 x {{\beta }^{4}} \gamma +4030 {{\alpha }^{2}}{{\beta }^{3}} \gamma -3888 x \alpha {{\beta }^{3}} \gamma +910 {{x}^{2}} {{\beta }^{3}} \gamma +4030 {{\alpha }^{3}} {{\beta }^{2}} \gamma \notag \\ &-6156 x {{\alpha }^{2}} {{\beta }^{2}} \gamma +3024 {{x}^{2}} \alpha {{\beta }^{2}} \gamma -480 {{x}^{3}} {{\beta }^{2}} \gamma +1802 {{\alpha }^{4}} \beta \gamma \notag \\ &-3888 x {{\alpha }^{3}} \beta \gamma +3024{{x}^{2}} {{\alpha }^{2}} \beta \gamma -1008 {{x}^{3}} \alpha \beta \gamma +122 {{x}^{4}} \beta \gamma +288 {{\alpha }^{5}} \gamma \notag \\ &-828 x {{\alpha }^{4}} \gamma +910 {{x}^{2}} {{\alpha }^{3}} \gamma -480 {{x}^{3}} {{\alpha }^{2}} \gamma +122 {{x}^{4}} \alpha \gamma -12 {{x}^{5}} \gamma \notag \\ &+36 {{\beta }^{6}}+288 \alpha {{\beta }^{5}} -132 x {{\beta }^{5}}+863 {{\alpha }^{2}} {{\beta }^{4}}-828 x \alpha {{\beta }^{4}}+193 {{x}^{2}} {{\beta }^{4}} \notag \\ &+1226 {{\alpha }^{3}} {{\beta }^{3}}-1860 x {{\alpha }^{2}} {{\beta }^{3}} +910 {{x}^{2}} \alpha {{\beta }^{3}}-144 {{x}^{3}} {{\beta }^{3}}+863 {{\alpha }^{4}} {{\beta }^{2}} \notag \\ &-1860 x {{\alpha }^{3}} {{\beta }^{2}}+1443 {{x}^{2}} {{\alpha }^{2}} {{\beta }^{2}}-480 {{x}^{3}} \alpha {{\beta }^{2}}+58 {{x}^{4}} {{\beta }^{2}}+288 {{\alpha }^{5}} \beta \notag \\ &-828 x {{\alpha }^{4}} \beta +910 {{x}^{2}} {{\alpha }^{3}} \beta -480 {{x}^{3}} {{\alpha }^{2}} \beta +122 {{x}^{4}} \alpha \beta -12 {{x}^{5}} \beta \notag \\ &+36 {{\alpha }^{6}}-132 x {{\alpha }^{5}}+193 {{x}^{2}} {{\alpha }^{4}}-144 {{x}^{3}} {{\alpha }^{3}} +58 {{x}^{4}} {{\alpha }^{2}}-12 {{x}^{5}} \alpha +{{x}^{6}} \end{align}

上の式は計算ソフト"maxima"で出力した式です。とても手計算では計算できません。
TR1の計算方式は、古典的方法で、\(\{\alpha,\beta,\gamma\}\) の対称式を基本対称式 \(\{e_1,e_2,e_3\}\) に変換して、 \(F_0\) 上の式 \(V(x)\) を求めましたが、次節では全く違った方式で計算してみます。


次ページに続く


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


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