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2】の解法手順

EX2-1

\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
EX2-2

\[\qquad The \ system \ of \ equations\]

\[ \qquad \left\{ \begin{array}{l} \alpha^3-3\alpha+1=0\\ \beta^2+\alpha\beta+\alpha^2-3=0\\ \alpha+\beta+\gamma=0\\ v-(\alpha+2\beta+3\gamma)=0 \end{array} \right.\\ \qquad \qquad \qquad \Downarrow \]

\[\qquad Elimination \ Theory\]

\[ \qquad V(v)= v^6-18v^4+81v^2-81 \\ \qquad \qquad =\left( {{v}^{3}}-9 v-9\right) \, \left( {{v}^{3}}-9 v+9\right) \]

流れ
EX2-3

\[g_{0}(x)=x^3-9x-9 \]

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

流れ
EX2-4

\[Factorization \ of \ f(x) \ on \ F_0(v)\] \[\quad "maxima's \ function \ "\] \[\qquad factor(f(x),g_0(v))\]

流れ
EX2-5

\begin{align*} \alpha&=-\frac{{{v}^{2}}}{3}+2 & \beta&=\frac{2 {{v}^{2}}}{3}-v-4\\ \gamma&=-\frac{{{v}^{2}}}{3}+v+2 & & \end{align*}

\begin{align*} v_{1}&=v & v_{2}&={{v}^{2}}-v-6\\ v_{3}&=-{{v}^{2}}+2 v+6 & v_{4}&=-{{v}^{2}}+v+6\\ v_{5}&={{v}^{2}}-2 v-6 & v_{6}&=-v \end{align*}

流れ
EX2-6

\begin{align*} &g_0(v_i)=0 \quad for \ (i=1,4,5) \\ &\qquad \qquad \Downarrow\ \\ &A_3: Galois \ group \ of \ F(x) \\ &\qquad composition \ series \quad A_3 \rhd \{e\} \end{align*}

流れ
EX2-7

\begin{align*} &g_1(x) : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ &g_{1}(x)=x-\frac{{{a}_{1}^{2}} \omega }{3}-\frac{2 {{a}_{1}^{2}}}{3}+{a_1} \in F_{1}[x] \\ \end{align*}

\begin{align*} \\ F_1=F_0(a_1) \quad Here \ B_1&={{a}_{1}^{3}}-3\omega +3 =0, \\ \Omega&=\omega^2+\omega+1=0 \end{align*}

流れ
EX2-8

\begin{align*} v=&\frac{{{a}_{1}^{2}} \omega }{3}+\frac{2 {{a}_{1}^{2}}}{3}-{a_1} \\ \\ \alpha=&\frac{{a_1} \omega }{3}-\frac{{{a}_{1}^{2}}}{3}+\frac{2 {a_1}}{3}\\ \beta=&-\frac{{{a}_{1}^{2}} \omega }{3}-\frac{2 {a_1} \omega }{3}-\frac{{a_1}}{3}\\ \gamma=&\frac{{{a}_{1}^{2}} \omega }{3}+\frac{{a_1} \omega }{3}+\frac{{{a}_{1}^{2}}}{3}-\frac{{a_1}}{3}\\ \\ Here &\quad B_1={{a}_{1}^{3}}-3\omega +3 =0,\\ &\quad \Omega=\omega^2+\omega+1=0 \end{align*}

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EX2-8 Roots \( \{\alpha,\beta,\gamma\} \ of \ f(x)\)

前節までで \(v\) の最小多項式 \(g_1(x)\) の次数を1次式まで下げる事が出来ました。 従って \(g_1(x)=0\) の根が、\(v\) の値となります。この \(v\) の値を式(22)に代入したものが、 最終的に求めたい \(f(x)\) の根となります。

\begin{align} \setCounter{72} g_1(x)&=0 \quad \Rightarrow \quad \therefore \ v=-a_1+\frac{a_1^2(\omega+2)}{3} \\ \notag \\ \alpha=&\frac{{a_1} \omega -{{a}_{1}^{2}}+2 {a_1}}{3} \\ \beta=&-\frac{\left( {{a}_{1}^{2}}+2 {a_1}\right) \omega +{a_1}}{3} \\ \gamma=&\frac{\left( {{a}_{1}^{2}}+{a_1}\right) \omega +{{a}_{1}^{2}}-{a_1}}{3}\\ \notag \\ &但し上の計算は \ ( \ mod \ \varOmega \ ) \ \rightarrow \ ( \ mod \ B_1 \ ) \ で剰余を取る事! \notag \\ \end{align}


\begin{align} &\left\{ \begin{array}{l} &B_0 = a_0^2-A_0=0 \qquad A_0 =-\frac{3}{4} \qquad \quad a_0=\sqrt{A_0} \\ &\varOmega = \omega^2+ \omega +1 =0 \quad \omega = -\frac{1}{2}+a_0 \\ &B_1 = a_1^3-A_1=0 \qquad A_1 = 3\omega-3 \qquad a_1=\sqrt[3]{A_1}\\ \end{array} \right. \\ \notag \\ &g_0(x)=(x-v_1)(x-v_4)(x-v_5)=x^3-9x-9\\ &g_1(x)=(x-v_1)=x+a_1-\frac{a_1^2(\omega+2)}{3} \\ \end{align}


以上がガロア理論を使って3次方程式 \(f(x)=x^3-3x+1=0\) を解く計算手順でした。

最後に今まで説明に出てきた巡回拡大、そのガロア群、巡回拡大に付随する2項方程式、拡大された 体での最小多項式の素性などを、参考までに下記の表で整理してみました。
【表6】巡回拡大と二項方程式
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
\(Gal(Q(a_0)/Q)= C_2 \)

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

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

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

\(A_3=\{\sigma_1,\sigma_4,\sigma_5\}\)
\(B_1=a_1^3-A_1\)

\(A_1=3 \ \omega-3\)
\(g_0(x)=h_0 \cdot h_1 \cdot h_2\)

\(h_0=(x-v_1)\)
\(h_1=(x-v_4)\)
\(h_2=(x-v_5)\)
\(g_0(x)=\tilde {h_0} \cdot \tilde{h_1} \cdot \tilde{h_2}\)
\(\Downarrow\)
\(g_1(x)=\tilde {h_0}\)


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