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4】の解法手順

EX4-1

\begin{align*} &f(x)=x^4+4x+2 \\ &\qquad \{\alpha,\beta,\gamma,\delta\}: \ roots \ of \ f(x)\\ \\ & v: \ Primitive \ element \\ & \qquad v=1\cdot\alpha+2\cdot\beta+3\cdot\gamma+4 \cdot \delta \end{align*}

流れ
EX4-2

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

\[ \left\{ \begin{array}{l} r_1={{\alpha }^{4}}+4\alpha +2=0\\ r_2={{\beta }^{3}}+\alpha {{\beta }^{2}}+{{\alpha }^{2}} \beta +{{\alpha }^{3}}+4=0 \\ r_3={{\gamma }^{2}}+\left( \beta +\alpha \right) \gamma +{{\beta }^{2}}+\alpha \beta +{{\alpha }^{2}}=0\\ r_4= \alpha+\beta+\gamma+\delta =0\\ r_5=v-(\alpha+2\beta+3\gamma+4\delta )=0 \\ \end{array} \right.\\ \quad \\ \qquad \qquad \qquad \Downarrow \]

\[ \qquad Elimination \ Theory \]

\[ V(v)=v^{24}-160v^{20}+5440v^18+30080v^{16}+...\\ \quad...+700091596800v^2+4691625312256\\ \]

流れ
EX4-3

\begin{align*} &V(x): \ irreducible \ polynomial \\ \\ &\therefore \ g_0(x) \equiv V(x) \qquad deg(g_0(x))=24\\ \\ &g_0(x):minimal \ polynomial \ of \ v \ on \ F_0=Q(\omega) \\ \end{align*}

流れ
EX4-4

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

流れ
EX4-5

\begin{align*} &\alpha=\alpha(v), \ \beta=\beta(v), \ \gamma=\gamma(v), \ \delta=\delta(v)\\ \\ &roots \ of \ g_0(x) \ ( \ =V(x) \ )\\ &\quad [ \ v_1=v_1(v), \ ....\ , \ v_{24}=v_{24}(v) \ ] \\ \end{align*}

流れ
EX4-6

\begin{align*} &S_4: Galois \ group \ of \ f(x) \\ &composition \ series \quad S_4 \rhd \ A_4 \rhd \ V_4 \rhd \{e\} \end{align*}

流れ
EX4-7

\[g_1(x)\ : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ \qquad g_1(x) \ \in \ F_0(a_1)[x]\qquad deg(g_1(x))=12 \\ \quad \\ B_1=a_1^2+17510400\]

流れ
EX4-8

\[g_2(x)\ : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ \qquad g_2(x) \ \in \ F_1(a_2)[x] \qquad deg(g_2(x))=4\\ \quad \\ B_2=a_2^3-\frac{14 {a_1} \omega }{27}-2304 \omega -\frac{89 {a_1}}{135}+1088 \]

流れ
EX4-9

\[ g_3(x)\ : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ \qquad g_3(x) \ \in \ F_2(a_3)[x] \qquad deg(g_3(x))=2\\ \]

\[ B_3=a_3^2-\biggl( \frac{23 {a_1} {{a}_{2}^{2}} \omega }{324480}+\frac{63 {{a}_{2}^{2}} \omega }{338}-\frac{8 {a_2} \omega }{13}\\ \qquad \qquad +\frac{{a_1} {{a}_{2}^{2}}}{324480}+\frac{135 {{a}_{2}^{2}}}{338}-\frac{32 {a_2}}{13} \biggr)\\ \]

流れ
EX4-10

\[ g_4(x)\ : \ minimal \ polynomial \ of \ v\\ \qquad g_4(x) \ \in \ F_3(a_4)[x] \qquad deg(g_4(x))=1\\ \]

\[ B_4=a_4^2-\biggl(-\frac{11 {a_1} {{a}_{2}^{2}} \omega }{2595840}+\frac{9 {{a}_{2}^{2}} \omega }{676}+\frac{2 {a_2} \omega }{13} \\ \qquad \qquad -\frac{23 {a_1} {{a}_{2}^{2}}}{5191680}-\frac{63 {{a}_{2}^{2}}}{5408}+\frac{3 {a_2}}{26}\biggr)\\ \]

流れ
EX4-11

\begin{align*} &v=v(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega) \ \in \ F_4=F_0(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega) \\ \\ &\left\{ \begin{array}{l} \alpha=\alpha(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega), \ \ \beta=\beta(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega) \\ \gamma=\gamma(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega), \ \ \delta=\delta(a_1,a_2,a_3,a_4,\omega) \\ \end{array} \right.\\ \end{align*}

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EX4-7 \(F_1/F_0\) の計算:最小多項式\(g_1(x)\)を求める(続き)

EX4-7-3 \(g_1(x)\)の計算

全体の流れは前頁で説明したので、いよいよ\(g_1(x)\)の計算をします。
計算は、下図Fig.4-2の緑の部分です。

体の変換


【step1】剰余群\([ \ S_4/A_4 \cong C_2 \ ]\) 巡回拡大\([ \ F_1/F_0 \ ]\) \(g_1(x) \)の計算

\begin{align} \setCounter{37} & h_0=\prod_{\sigma_i \in \ A_4}\sigma_i(x-v)=(x-v_1)(x-v_4)...(x-v_{21})(x-v_{24}) \\ & h_1=\prod_{\sigma_i \in \ (S_4-A_4)}\sigma_i(x-v)=(x-v_2)(x-v_3)...(x-v_{22})(x-v_{23}) \notag \\ \notag \\ & \begin{bmatrix} t_0 \\ t_1 \end{bmatrix} =\frac{1}{2} \begin{bmatrix} 1&1 \\ 1&-1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} h_0 \\ h_1 \end{bmatrix} \qquad ( \ Lagrange \ resolvent \ )\\ \notag \\ &\left\{ \begin{array}{l} t_0 \ \in \ F_0[x] \\ t_1 \ \in \ F_0(v)[x] \end{array} \right. \quad \Longrightarrow \quad \left\{ \begin{array}{l} B_1=a_1^2-A_1=0 \quad A_1 \in F_0 \\ \tilde{t_1} \ \in \ F_1[x]=F_0(a_1)[x] \end{array} \right. \\ \notag \\ &\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} \quad \Rightarrow \quad \left\{ \begin{array}{l} g_0(x)=\tilde{h_0} \cdot \tilde{h_1} \\ g_1(x) \equiv \tilde{h_0} \ \in \ F_1[x] \end{array} \right. \\ \notag \\ & g_0(x)=0 \quad \Rightarrow \quad \left\{ \begin{array}{l} g_1(x)=0\\ B_1=0 \end{array} \right. \\ \end{align}


上の計算過程は、【例題1】と全く同様な計算なので詳しい説明は省略します。
式(38)の \(\{h_0,h_1\}\) の中で使われている \((x-v_i\)) の \(v_i\) は以下の様になります。

\begin{align} &\sigma_i(v)=\{v_{1},v_{4},v_{5},v_{8},v_{9},v_{12},v_{13},v_{16},v_{17},v_{20},v_{21},v_{24}\} \quad \sigma_i \in A_4 \notag \\ &\sigma_i(v)=\{v_{2},v_{3},v_{6},v_{7},v_{10},v_{11},v_{14},v_{15},v_{18},v_{19},v_{22},v_{23}\} \quad \sigma_i \in (S_4-A_4) \notag \\ \end{align}

明らかに、\(h_0\) は交代群 \(A_4\) の任意の要素で不変です。更に\((x-v)\)の因子も含んでいますから、 以下で形成される拡大体 \(F_1\) 上での \(v\) の最小多項式になるはずです。

式(38)の \(\{h_0,h_1\}\) の中の \(v_i\) に、式(25)の \(v_i\) の \(v\) による多項式表現を代入して式(39)を計算します。 (注:以下の計算は全て、 \([ \ mod \ g_0(v) \ ]\) で計算する事に注意してください。)

\begin{align} & t_0=x^{12}-80x^8+2720x^6+11840x^4+587520x^2+1193216 \\ & t_1=\Biggl[ -\frac{1842286585 {{v}^{22}}}{575477552142843904}+...-\frac{24232754108316500}{17562181156703}\Biggr]x^6 \ +.... \\ \end{align}

式(43)(44)より \(\{ \ t_0 \in F_0[x], \ t_1 \in F_0(v)[x] \ \}\) である事が判りました。

この \(t_1\) の最高次 \(x^6\) の係数は、式(44)の括弧 \([...]\) で囲まれた部分で、これを \(a_1\) とします。 そこで、係数 \(a_1\) の逆数を計算してみると、式(46)となります。 この \(a_1^{-1}\) を \(t_1\) に掛ける事により、 \(t_1\) をモニックな多項式 \(q_1\) にすると、\(q_1\) は \( F_0\) 上の多項式だという事が判りました。

\begin{align} a_1=&\Biggl[ -\frac{1842286585 {{v}^{22}}}{575477552142843904}+...-\frac{24232754108316500}{17562181156703}\Biggr] \in \ F_0(v) \\ a_1^{-1}=&\Biggl[ \frac{368457317 {{v}^{22}}}{2015368425808410779320320}+...+\frac{242327541083165}{3075208169263322112} \Biggr] \\ \end{align}

\begin{align} q_1=& \ a_1^{-1} \cdot t_1={{x}^{6}}-\frac{232 {{x}^{2}}}{5}+432 \ \in \ F_0[x]\\ \end{align}

次に\(a_1^2\) を計算してみます。結果は式(48)に示す様に \(F_0\) の非常に簡単な数になりました。この値を \(A_1\) とします。 この \(A_1\) を使うと、式(49)に示す様に \(a_1\) は \(B_1=0\) の2項方程式の冪根として定義出来る事が判ります。 この時点で \(a_1\) はもはや \(F_0(v)\) の数ではありません。 基礎体 \(F_0\) に添加して拡大体 \(F_1\) を生成する数として定義されます。
更に、この \(a_1\) と式(47)の \(q_1\) を使うと、式(44)の \(t_1\) は、式(50)の様に 拡大体 \(F_1\) 上の多項式として記述出来ることになりました。

\begin{align} &a_1^2=-17510400 \equiv A_1 \ \in \ F_0\\ &\therefore \ B_1=a_1^2-A_1=0 \quad a_1=\sqrt{-17510400} \quad \Rightarrow \quad \bbox[#FFFF00]{ F_1 \equiv F_0(a_1) }\\ \notag \\ &t_1 \quad \longrightarrow \quad \tilde{t_1}=a_1 \cdot q_1=a_1({{x}^{6}}-\frac{232 {{x}^{2}}}{5}+432 ) \ \in \ F_1[x]\\ \end{align}

式(50)の意味するところは、\([ \ t_1 \in F_0(v)[x] \ ]\) でしたが、\([ \ a_1 \cdot q_1 \in \ F_1[x] \ ]\) なので、 元の \(t_1\) と区別するために、意識的に \(\tilde{t_1}\) とチルダを付けたという事です。

最後に、式(43)の \(t_0\) と式(50)の \(\tilde{t_1}\) を、式(39)の逆変換である式(41)に代入すると、\(\{\tilde{h_0},\tilde{h_1}\}\) を 求める事が出来ます。\(\{\tilde{h_0},\tilde{h_1}\}\)とチルダがついているのも、\(\tilde{t_1}\) と同じ理由です。
式(38)に示す様に、\(h_0\) は、\((x-v)\) の因数を含んでいます。 従って、 \(h_0\) が \(F_1\) 上の多項式として表現された \(\tilde{h_0}\) も \((x-v)\) の因数を含んでいます。 従って、\(\tilde{h_0}\) は、 \(F_1\) 上の \(v\) の最小多項式 \(g_1(x)\) となります。    計算結果をまとめると以下の様になります。

\begin{align} &\tilde{h_0}=t_0+\tilde{t_1} \equiv g_1(x) \\ &\qquad \Downarrow \notag \\ &\ g_1(x)= x^{12}-80x^8+2720x^6+11840x^4+587520x^2+1193216 \notag \\ &\qquad \quad +a_1({{x}^{6}}-\frac{232 {{x}^{2}}}{5}+432 ) \quad \in \ F_1[x]\\ \notag \\ &\quad \left\{ \begin{array}{l} \ g_1(v)=0 \\ B_1= \ a_1^2-A_1=0 \qquad A_1=-17510400 \\ \quad \therefore \ a_1=\sqrt{A_1} \qquad F_1 \equiv F_0(a_1) \end{array} \right. \\ \end{align}


(注:次節以降は、今までの \([\ mod \ g_0(v) \ ]\) に代わって、 \([ \ mod \ g_1(v), \ mod \ B_1 \ ]\) で計算する事になります!)      次ページに続く


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


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