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の計算の続き

(2-2) \( \quad Gal(F_0(v)/F_0): \ \bbox[#FFFF00]{Galois \ group \ of \ f(x)} \)

前頁で、自己同型写像の候補として式(6)で定式化した \(\{\rho_{1}, \rho_{2},..., \rho_{6}\}\) は、 対称群 \(S_3\) をなすことが確認され、前頁の(1)~(3)の主張は満足される事が確認されました。
次にこの \(\{\rho_{1}, \rho_{2},..., \rho_{6}\}\) は、前頁四角枠の主張(4)も満足するか 確認してゆきます。

\(f(x)\) の根 \([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) は、RT1-6の式(63)-(65)で \(v\) の 多項式として表現されているので、\(F_0(v)\)は\(f(x)\) の最小分解体である事が判りました。残るは、 \( \{ \rho_1,..,\rho_6\}\) が、\(f(x)\) の3根の 置換群になっていることが確認できれば良い事になります。 そこで \( \{ \rho_1,..,\rho_6\}\) が、3根に対してどの様に作用するのか計算してみます。 具体例として\(\rho_3(\alpha)\) を計算してみます。

\begin{align} \setCounter{14} \alpha=&\frac{{{v}^{4}}}{18}+\frac{5 {{v}^{2}}}{6}-\frac{v}{2}+2 \\ \rho_3(\alpha)=&\rho_3(\frac{{{v}^{4}}}{18}+\frac{5 {{v}^{2}}}{6}-\frac{v}{2}+2)=\frac{{{v_3}^{4}}}{18}+\frac{5 {{v_3}^{2}}}{6}-\frac{v_3}{2}+2\\ \notag \\ v_3=& \frac{{{v}^{4}}}{6}+\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}+6 なので\\ \notag \\ \rho_3(\alpha)=\alpha(v_3)=&\frac{{{\left( \frac{{{v}^{4}}}{6}+\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}+6\right) }^{4}}}{18}+\frac{5 {{\left( \frac{{{v}^{4}}}{6}+\frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}+6\right) }^{2}}}{6} \notag \\ &-\frac{\left(\frac{{{v}^{4}}}{6}+ \frac{5 {{v}^{2}}}{2}+\frac{v}{2}+6\right)}{2}+2\\ \notag \\ =&v^{16}/23328+(5v^{14})/1944+v^{13}/1944 \notag \\ &+(83v^{12})/1296+(5v^{11})/216+(371v^{10})/432 \notag \\ &+(29v^9)/72+(5843v^8)/864+(92v^7)/27 \notag \\ &+(4639v^6)/144+(353v^5)/24+(26581v^4)/288 \notag \\ &+(129v^3)/4+(3527v^2)/24+(115v)/4+101\\ \notag \\ =&-\frac{{{v}^{4}}}{9}-\frac{5 {{v}^{2}}}{3}-4 \ = \ \beta \qquad ( \ mod \ g_0(v) \ ) \\ \end{align}

(注)前頁(12)式と同様に、式(17)中の \(\rho_3(\alpha)\) と \(\alpha(v_3)\) の順序に注意! 
上記 \(\rho_3(\alpha)\) と同様な計算を \(\rho_3(\beta),\rho_3(\gamma)\) に対しても計算します。 計算結果を整理すると。 \(\rho_3\) は \([ \ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) に対して、 下記に示すような変換をしている事が判りました。

\begin{align} \rho_3(\alpha)\ &= \beta & \rho_3(\beta) &= \alpha & \rho_3(\gamma) &= \ \gamma \\ \end{align}

上記の例と同様に、\([\ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) に対して、全ての \(\rho_i\) がどの様に作用するか 計算してみたのが【表4-3】です。 また前頁と同様に \(\rho_i\) と \(\sigma_i\)の比較の為に【表4-4】を並べてみました。
この【表4-4】は、RT1-2の式(4)より作成したものです。例えば、\(\sigma_3\) は括弧の上段の \([ \ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) の並びを下段の\([ \ \beta,\alpha,\gamma \ ]\) の並びに 変換しております。【表4-4】はRT1-2の式(4)に示す変換結果の下段の並びをそのまま表にしたものです。
【表4-3】 \(\rho_i \) 変換表
\( \ \)\(\rho_i(\alpha)\)\(\rho_i(\beta)\)\(\rho_i(\gamma)\)
\(\rho_1\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)
\(\rho_2\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\beta\)
\(\rho_3\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\gamma\)
\(\rho_4\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\alpha\)
\(\rho_5\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\beta\)
\(\rho_6\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\alpha\)
【表4-4】 \(\sigma_i \) 変換表
\( \ \)\(\sigma_i(\alpha)\)\(\sigma_i(\beta)\)\(\sigma_i(\gamma)\)
\(\sigma_1\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)
\(\sigma_2\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\beta\)
\(\sigma_3\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\gamma\)
\(\sigma_4\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\alpha\)
\(\sigma_5\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\beta\)
\(\sigma_6\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\alpha\)

以上より、\( \{ \rho_1,...,\rho_n\}\)は、 \(f(x)\) の根 \([ \ \alpha,\beta,\gamma \ ]\) の置換を 誘発する写像であり、その作用は対称群 \(S_3=\{\sigma_1,..,\sigma_6\}\) と全く等価である事が判りました。

以上で、式(6)で定式化された\( \{ \rho_1,...,\rho_n\}\) は、 前頁の四角枠全ての主張を全て成立させるものである事が判ったので、 正式に自己同型写像として良いと考えられます。
従ってこの節の結論としては以下の様に言えます。

\(\qquad \qquad Gal(F_0(v)/F_0):Galois \ group \ of \ f(x) \ =\{\rho_1,..,\rho_6\}= S_3\)


以上で自己同型写像の話は終わるのですが、まだ述べていないことが在ります。
それは前頁式(14)に関連する事です。
式(14) \(\rho_3(v_2)=v_4\) を見ると、自己同型写像 \(\rho_3\) が、\(v\) の 共役元 \(v_2\) を \(v_4\) に変換しているとも解釈できます。この関係を全ての \((i,j)\) の 組み合わせで \(\rho_i(v_j)=v_k\) を計算して、\(\rho_i\) による \(v_j\) の 変換表を作成したものが以下の【表4-5】です。

【表4-5】 \(\rho_i(v_j)\)の変換表
\( i \backslash j \)\(\rho_i(v_1)\)\(\rho_i(v_2)\)\(\rho_i(v_3)\)\(\rho_i(v_4)\)\(\rho_i(v_5)\)\(\rho_i(v_6)\)
\(\rho_1\)\(v_1\)\(v_2\)\(v_3\)\(v_4\)\(v_5\)\(v_6\)
\(\rho_2\)\(v_2\)\(v_1\)\(v_5\)\(v_6\)\(v_3\)\(v_4\)
\(\rho_3\)\(v_3\)\(v_4\)\(v_1\)\(v_2\)\(v_6\)\(v_5\)
\(\rho_4\)\(v_4\)\(v_3\)\(v_6\)\(v_5\)\(v_1\)\(v_2\)
\(\rho_5\)\(v_5\)\(v_6\)\(v_2\)\(v_1\)\(v_4\)\(v_3\)
\(\rho_6\)\(v_6\)\(v_5\)\(v_4\)\(v_3\)\(v_2\)\(v_1\)

以上で、拡大体 \(F_0(v)\) に対する \(F_0\) 上の自己同型写像 \(\{\rho_1,\rho_2,..,\rho_6\}\) が、 対称群 \(S_3\) と等価である事が判りました。 そこで、今まで" 自己同型写像 "と言う意味合いを 強調するために \(\rho_i\) と言う文字を敢えて使用してきましたが、今後" ガロア群 "という意味合いを 強調するために、対称群 \(S_n\) でよく用いられる \(\sigma_i\) を \(\rho_i\) の代りに使う事にします。

教科書等で「同型写像が群をなし\(f(x)\)の根を置換する」と記述されている箇所では、 根の置換の写像を、未だ解いてもいない根の値を使って、極めて人為的に決めている印象を何時も抱いておりました。 教科書の例は、殆どの場合、簡単に解ける \([ \ x^3-2=0 \ ]\) でした。「では簡単に解けない他の場合は どうなるの?」と疑問だらけで、本の説明に納得がゆきませんでした。
これに対して、 原始根 \(v\) の導入により、\(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\) の共役根 \(v_i\) を求める計算による 同型写像の導入方法は、同型写像の形が、\(v\) の多項式として極めて自然に定義されると思ったのと 同時に、「この同型写像は方程式の根も置換するのだ」と初めて納得がゆきました。

次ページに続く


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


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