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

(2-3) 方程式\(f(x)\)のガロア群のまとめ

前節(2-1)(2-2)で、少ししつこいくらいに「ガロア拡大体における自己同型写像全体が群になる」という事を、 計算例で説明しました。まとめると以下のようになります。

[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 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{2},..., \sigma_{6}\}\) が存在する。

[2] \(F_0\)上の自己同型写像全体 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{2},..., \sigma_{6}\}\) 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」と言う。

[3] \(n(=6)=F_0(v)\)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」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 \(\{\sigma_{1}, \sigma_{2},..., \sigma_{6}\}\) は、前節より判る様に対称群 \(S_3\) です。
ここで群論の知識を前提としなければなりませんが、\(S_3\)の組成列(Conposition series)が、式(22)という系列に なります。
そしてここでいよいよガロア理論の定理の登場です。定理は「この組成列は式(23)の様に、2つの巡回拡大に分解できる」と 主張しております。この流れを下の四角の中にまとめました。

\begin{align} \setCounter{21} &Gal(F_0(v)/F_0)=S_3 =\{\sigma_{1}, \sigma_{2},..., \sigma_{6}\} \notag \\ &\quad S_3 \ : \ Galois \ group \ of \ F_0(v)/F_0 \ and \ f(x) \notag \\ \notag \\ & \ Composition \ series \ of \ Galois \ group \ S_3 \notag \\ & \quad \biggl[ S_3 \ \rhd \ A_3 \ \rhd \ e \biggr]\\ & \qquad \qquad \Downarrow \notag \\ &Cyclic \ extensions \notag \\ &\quad \biggl[S_3/A_3 \ \rhd \ e\biggr] \rightarrow \biggl[A_3/e \ \rhd \ e\biggr] \\ \end{align}


ここで、上記組成列に対応する群の要素を下記に表示しておきます。

\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} S_3=\{\sigma_{1},\sigma_{2},\sigma_{3},\sigma_{4},\sigma_{5},\sigma_{6}\} \\ A_3=\{\sigma_{1},\sigma_{4},\sigma_{5}\} \\ e=\{\sigma_{1}\} \\ \end{array} \right.\\ \notag \\ &\left\{ \begin{array}{l} S_3/A_3=\{\rho_1,\rho_2\} \quad \rho_1=\{\sigma_{1},\sigma_{4},\sigma_{5}\} ,\quad \rho_2=\{\sigma_{2},\sigma_{3},\sigma_{6}\}\\ A_3/e=A_3=\{\sigma_{1},\sigma_{4},\sigma_{5}\}\\ \end{array} \right.\\ \end{align}

式(22)(23)に関連して、下のFig.4-2で【例題1】を計算する全体像を描いてみました。

体の変換
● Fig4-2の1段目(黄色の部分)
 教科書によく出てくる図です。

 ガロア群 \(S_3\) の組成列
  \( S_3 \rhd A_3 \rhd \{e\} \)
 対応する体の拡大系列
  \(F_0 \Rightarrow F_1 \Rightarrow F_2\)

● Fig4-2の2段目
  この段が最も重要な段です。

黄色の部分のガロア拡大 \(F_2/F_0\) を、 丁度 \(F_1 \Leftrightarrow A_3\) が竹の節の様になっている 箇所で分割して、 2つの単純な
ガロア拡大(巡回拡大、冪根拡大)に分割する。

  「分割する」← 最も重要!

2段目の説明をもう少ししてみます。よく教科書での問題で、

「\(F_2/F_0\)はガロア拡大、\(F_2/F_1\)はガロア拡大\( \Rightarrow \) \(F_1/F_0\)はガロア拡大か?」

という問いが出されます。一般的には \(F_1/F_0\) はガロア拡大とは言えません。
しかし \(F_1\) が対応する \(A_3\) が、 \(S_3\) の正規部分群である場合には、\(F_1/F_0\) はガロア拡大となります。 勿論今の場合、 \(A_3\) は \(S_3\) の正規部分群です!
従って、以下のようなことが言えます。

   \(F_2/F_0\)はガロア拡大: \( Gal(F_2/F_0)=S_3\)    ← (1段目、黄色の部分)
   \(F_2/F_1\)はガロア拡大: \( Gal(F_2/F_1)=A_3\)    ← 3次巡回群(2段目右)
   \(F_1/F_0\)はガロア拡大: \( Gal(F_1/F_0)=S_3/A_3\)  ← 2次巡回群(2段目左)

● Fig4-2の3段目
更に、剰余群 \(S_3/A_3\) と群 \(A_3\) は、それぞれ位数2,3の巡回群である事に注意してください。
この時、ガロア拡大 \(F_1/F_0\) と \(F_2/F_1\) は巡回拡大、即ち冪根拡大となります。
冪根拡大の場合は2項方程式と言うものが生成されます。その解である冪根 \(a_1\) や \(a_2\) を順に体 \(F_0\) や\(F_1\) に 添加して \(F_1=F_0(a_1)\)、\(F_2=F_1(a_2)\) と拡大出来るというのが 【Fig.4-2】の3段目の緑の部分です。

これに関連して更に注意していただきたいことがあります。

それは、Fig4-2の3段目の緑の部分を、ガロア理論を使って計算する際に、\(\{p_1=2,p_2=3\}\) で示される 1の原始 \(p_1\)、\(p_2\) 乗根がどうしても必要になります。原始2乗根は \(-1\) なので、基礎体 \(Q\) には 既に含まれているので問題ありませんが、原始3乗根は\(Q\) には含まれておりません。従って、 緑の部分を計算する前に、どうしても1の原始3乗根 \(\omega\) を計算して、基礎体 \(Q\) に予め添加しておく必要があります! その \(\omega\) の計算がFig4-2の3段目の水色の部分です。
(参照)【APX2】超速習ガロア計算 \("\omega"\)

ガロア理論と言うと、Fig4-2の黄色の部分が説明の主となりますが、計算をする時に 最も重要となるのは、水色の部分と、緑色の部分です。即ち、黄色の「体の拡大と群の縮小」の部分を 完全に分解して、緑色の部分と水色の部分の、「全てを巡回拡大の積み上げ」 で再構成する事により、初めてガロア式計算が可能になるという事を是非覚えておいていただきたいと思います。

次ページに続く


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