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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RT4-2 \(F_1/F_0\) の計算:最小多項式 \(g_1(x)\)を求める(続き)

実際に\(t_1^2\) を計算してみると、 \(t_1^2\) は 式(41)の様に \(F_0\) の"数"で表される事が判りましす。
これを\(A_1\)とします。すると、\(t_1\) は式(43)に示す様に、2項方程式 \(B_1=0\) の冪根であるとも言えます。この冪根を \(\sqrt{A_1} \equiv a_1\) と表現する事にします。そして\(a_1\)を基礎体 \(F_0\) に添加する数とします。 すると \(F_0(a_1)\) が \(F_1\) を構成している事が判りました。

\begin{align} \setCounter{40} &t_1^2=(-v^3-9v)^2=v^6+18v^4+81v^2=-135 \quad (mod \ g_0(v))\\ \notag \\ &A_1=-135 \in F_0\\ \notag \\ &B_1=t_1^2-A_1=a_1^2-A_1 \quad \ \therefore \ t_1= a_1 \equiv \sqrt{A_1}=\sqrt{-135}\\ \notag \\ &\tilde{t_1}=a_1 \ \in F_0(a_1)=F_1 \end{align}

式(44)に示すように、\(a_1\) は拡大体 \(F_0(a_1)\) の数なので、\(t_1\) を \(t_1\) でなく、敢えて \(\tilde{t_1}\) と表現を 変えております。こうして求められた \(\{ \ t_0, \tilde{t_1}\}\) を使って、式(28)の逆変換である式(30)を計算する事により 式(45)の様に、\(\{ \ \tilde{h_0}, \tilde{h_1}\}\) を求める事が出来ます。\(\{ \ \tilde{h_0}, \tilde{h_1}\}\) も \(t_0\) と \(\tilde{t_1}\) の線形結合なので、敢えて"チルダ"を付けております。

\begin{align} &\begin{bmatrix} \tilde{h_0} \\ \tilde{h_1} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&-1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} t_0 \\ \tilde{t_1} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} t_0+\tilde{t_1}\\ t_0-\tilde{t_1} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x^3+9x+a_1\\ x^3+9x-a_1 \end{bmatrix} \\ \notag \\ &\left\{ \begin{array}{l} h_0=x^3+9x-v^3-9v \\ h_1=x^3+9x+v^3+9v\\ \\ \{ \ h_0,h_1 \ \} \ \in F(v)[x] \\ \quad g_0(x)=h_0 \cdot h_1 \end{array} \right. \quad \implies \quad \left\{ \begin{array}{l} \tilde{h_0}=x^3+9x+a_1\\ \tilde{h_1}=x^3+9x-a_1\\ \\ \{ \ \tilde{h_0},\tilde{h_1} \ \} \ \in F_0(a_1)[x] \\ \quad g_0(x)=\tilde{h_0} \cdot \tilde{h_1} \end{array} \right. \qquad \end{align}


\(\{ \ h_0,h_1 \ \}\) は、式(46)の左側の式で示す様に単拡大の世界 \(F(v)\) での多項式ですが、 \(a_1\) が添加された拡大体 \(F_0(a_0)=F_1\) での世界では、式(46)の右側の式が示す様に、 \(\{ \ \tilde{h_0},\tilde{h_1} \ \} \) は、 \(v\) が入ってこない多項式表現となりました。
更に、\(F_0\) 上での \(v\) の最小多項式 \(g_0(x)\) は、 \(F_1\) 上では、\([ \ g_0(x)=\tilde{h_0} \cdot\tilde{h_1} \ ] \) と因数分解されていることが 判ります。 また、 \(\tilde{h_0}\) はもともと\((x-v)\)を因子に持っておりましたから 拡大体 \(F_1\) での \(v\) の最小多項式は \(g_1(x)=\tilde{h_0}\) となる事が判りました。

この節の結論

\begin{align} g_1(x)&=x^3+9x+a_1 \ \in F_1[x]=F_0(a_1)[x]\\ \notag \\ &a_1 \equiv \sqrt{A_1}=\sqrt{-135} \\ \end{align}



次ページに続く


【参考】

このページに未だ余白があるので、下に2つの表を参考までに挙げておきます。
計算の先回りをするようですが、2つの表は、【例題1】の計算の全体像を示したものです。 【Fig4-2】の「黄色、水色、緑色の部分」と、下の2つの表の色は同一の部分を示しております。

【表4-A】体の拡大とガロア群の縮小
体の拡大添加数\(a_i\)の二項方程式
巡回拡大次数
\(v\) の最小多項式ガロア群の縮小
組成列
\(Q\)\(g_0(x)=(x-v_1)(x-v_2)\)
\( \quad =x^2+3x+3\)
\(C_2=\{\sigma_1,\sigma_2\}\)
\(\Downarrow\)\(B_0=a_0^2+\frac{3}{4}=0\)

\( |C_2|=p_0=2\)
\(\Downarrow \quad Step \ 0\)\(\Downarrow\)
\(Q(a_0)\)
\(\ \ =Q(\omega)\)
\(g_1(x)=(x-v_1)\)
\(\quad=x+\frac{3}{2}+a_0\)
\(e=\{\sigma_1\}\)
\(F_0=Q(\omega)\)\(g_0(x)=(x-v_1)....(x-v_6) \\ \quad =x^6+18x^4+81x^2+135 \)\( \quad S_3=\{\sigma_1,..,\sigma_6\} \quad \)
\(\Downarrow\)\( B_1=a_1^2+135=0\)

\(|S_3/A_3|=p_1=2\)
\(\Downarrow \quad Step \ 1 \)\(\Downarrow \)
\(F_1=F_0(a_1)\)\(g_1(x)=(x-v_1)(x-v_4)(x-v_5)\\ \quad =x^3+9x+a_1\)\( \quad A_3=\{\sigma_1,\sigma_4,\sigma_5\} \quad \)
\(\Downarrow \)\(B_2=a_2^3-\frac{6 \ \omega+a_1+3}{2}=0\)

\(|A_3|=p_2=3\)
\(\Downarrow \quad Step \ 2 \)\(\Downarrow \)
\(F_2=F_1(a_2)\)\(g_2(x)=(x-v_1)\\=x+a_2^2\left(-\frac{\omega}{3}+\frac{a_1}{18}-\frac{1}{6}\right)+a_2\)\( \quad e=\{\sigma_1\} \quad \)

【表4-B】ガロア拡大と二項方程式
巡回拡大とガロア群二項方程式最小多項式と因子最小多項式
\(Gal(Q(a_0)/Q)= C_2 \)

\(C_2=\{\sigma_1,\sigma_2\}\)
\(B_0=a_0^2-A_0\)

\(A_0=-\frac{3}{4}\)
\(g_0(x)=h_0\cdot h_1\)

\(h_0=(x-v_1)\)
\(h_1=(x-v_2)\)
\(g_0(x)=\tilde {h_0} \cdot \tilde{h_1}\)
\(\Downarrow\)
\(g_1(x)=\tilde {h_0}\)
\(Gal(F_0(a_1)/F_0)= S_3/A_3 \)

\(S_3/A_3=\{\rho_1,\rho_2\}\)

\(\rho_1=\{\sigma_1,\sigma_4,\sigma_5\}\)
\(\rho_2=\{\sigma_2,\sigma_3,\sigma_6\}\)
\(B_1=a_1^2-A_1\)

\(A_1=-135\)
\(g_0(x)=h_0\cdot h_1\)

\(h_0=(x-v_1)(x-v_4)(x-v_5)\)
\(h_1=(x-v_2)(x-v_3)(x-v_6)\)
\(g_0(x)=\tilde {h_0} \cdot \tilde{h_1}\)
\(\Downarrow\)
\(g_1(x)=\tilde {h_0}\)
\(Gal(F_1(a_2)/F_1)= A_3 \)

\(A_3=\{\sigma_1,\sigma_4,\sigma_5\}\)
\(B_2=a_2^3-A_2\)

\(A_2=\frac{6 \ \omega+a_1+3}{2}\)
\(g_1(x)=h_0 \cdot h_1 \cdot h_2\)

\(h_0=(x-v_1)\)
\(h_1=(x-v_4)\)
\(h_2=(x-v_5)\)
\(g_1(x)=\tilde {h_0} \cdot \tilde{h_1} \cdot \tilde{h_2}\)
\(\Downarrow\)
\(g_2(x)=\tilde {h_0}\)


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