数学\(\mathtt{ VB } \ \)ガロア流方程式の解法技術


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1st upload: 2023/06/17
revision2 : 2023/07/27
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【第3章】凄く疲れます! 巡回拡大満載!

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\(\qquad \qquad \qquad f(x)=x^4+4x+2 \qquad Galois \ Group:S_4\)

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【3-5】 写像 \(\rho_i\) が群構造を持つことの確認

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\(F_0(v)\) は \(F_0\) のガロア拡大である事がわかったので、ガロア理論では次の定理が成り立ちます。

「 \(F_0(v)\) には原始元 \(v\) を \(g_0(x)\) の共役根に変換する自己同型写像が共役根の数だけ存在して、 この自己同型写像は群をなす。」

この節ではこの定理が成り立っていることを確かめます。
その為に、(5.1)で定義される \( \{\rho_i\} \ [i=1,2,..,24]\) を自己同型写像の候補として考える事にします。
この(5.1)は、(4.10-13)の \(v_i\) の多項式表現を写像 \(\rho_i\) だとみなしたものです。
以下この \(\rho_i\) が対称群 \(S_4\) 群をなし、かつ共役根同士の自己同型写像になっている事を確認します。

\begin{align} \rho_{1}(v) &\equiv v_1=v \notag \\ \notag \\ \rho_{2}(v) &\equiv v_2=\frac{801167701943012874015343807}{2531636596706154203109159208286706204672}v^{23}-\frac{51207699710669004924125}{99737485589022345786910893443907584}v^{22} \notag \\ &\quad .......... \notag \\ &+\frac{4663968749846627680850109200993107}{2971516062464968406218495540075104}v+\frac{2718803338720300088760700554765}{1521873254227025539961408896544} \\ \notag \\ &\qquad \qquad .........\notag \\ \notag \\ \rho_{23}(v) &\equiv v_{23}=-\frac{801167701943012874015343807}{2531636596706154203109159208286706204672}v^{23}-\frac{51207699710669004924125}{99737485589022345786910893443907584}v^{22} \notag \\ &\quad .......... \notag \\ &-\frac{4663968749846627680850109200993107}{2971516062464968406218495540075104}v+\frac{2718803338720300088760700554765}{1521873254227025539961408896544} \notag \\ \notag \\ \rho_{24}(v) &\equiv v_{24}=-v \notag \\ \end{align}



(5.1)で定義された \(\rho_i(v), \ [i=1,2,...,24]\) が同型写像として群をなすことを確認する必要があります。 その為には、 \(\rho_i \circ \rho_j = \rho_k\) の積表を作成して、同型写像同士の積が群をなしているかどうかを検証しなければなりません。 検証の手続きは【第2章】の【2-6】と全く同様にします。第3章では \(v_i\) の式が長くなりすぎて計算過程を記述できませんが、 計算の結果の積表を下に示します。

これより写像 \(\rho_i\)は積に対して、対称群 \(S_4\) と等価な群を構成している事が判ります

【表3-1】\(S_4\) の元 \(\rho_i \circ \rho_j =\rho_k \) の積表 (数字のみ表示)
\( i \backslash j \)\(1 \)\(2 \)\(3 \)\(4 \)\(5 \)\(6 \)\(7 \)\(8 \)\(9 \)\({10} \)\({11} \)\({12} \)\({13} \)\({14} \)\({15} \)\({16} \)\({17} \)\({18} \)\({19} \)\({20} \)\({21} \)\({22} \)\({23} \)\({24}\)
\(1\)\(1 \)\(2 \)\(3 \)\(4 \)\(5 \)\(6 \)\(7 \)\(8 \)\(9 \)\({10} \)\({11} \)\({12} \)\({13} \)\({14} \)\({15} \)\({16} \)\({17} \)\({18} \)\({19} \)\({20} \)\({21} \)\({22} \)\({23} \)\({24}\)
\(2\)\(2 \)\(1 \)\(5 \)\(6 \)\(3 \)\(4 \)\(8 \)\(7 \)\({11} \)\({12} \)\(9 \)\({10} \)\({19} \)\({20} \)\({21} \)\({22} \)\({23} \)\({24}\)\({13} \)\({14} \)\({15} \)\({16} \)\({17} \)\({18}\)
\(3 \)\(3 \)\(4 \)\(1 \)\(2 \)\(6 \)\(5 \)\({13} \)\({14} \)\({15} \)\({16} \)\({17} \)\({18} \)\(7 \)\(8 \)\(9 \)\({10} \)\({11} \)\({12} \)\({20} \)\({19} \)\({23} \)\({24}\)\({21} \)\({22} \)
\(4\)\(4 \)\(3 \)\(6 \)\(5 \)\(1 \)\(2 \)\({14} \)\({13} \)\({17} \)\({18} \)\({15} \)\({16} \)\({20} \)\({19} \)\({23} \)\({24}\)\({21} \)\({22} \)\(7 \)\(8 \)\(9 \)\({10} \)\({11} \)\({12} \)
\(5 \)\(5 \)\(6 \)\(2 \)\(1 \)\(4 \)\(3 \)\({19} \)\({20} \)\({21} \)\({22} \)\({23} \)\({24}\)\(8 \)\(7 \)\({11} \)\({12} \)\(9 \)\({10} \)\({14} \)\({13} \)\({17} \)\({18} \)\({15} \)\({16} \)
\(6 \)\(6 \)\(5 \)\(4 \)\(3 \)\(2 \)\(1 \)\({20} \)\({19} \)\({23} \)\({24}\)\({21} \)\({22} \)\({14} \)\({13} \)\({17} \)\({18} \)\({15} \)\({16} \)\(8 \)\(7 \)\({11} \)\({12} \)\(9 \)\({10} \)
\(7 \)\(7 \)\(8 \)\(9 \)\({10} \)\({11} \)\({12} \)\(1 \)\(2 \)\(3 \)\(4 \)\(5 \)\(6 \)\({15} \)\({16} \)\({13} \)\({14} \)\({18} \)\({17} \)\({21} \)\({22} \)\({19} \)\({20} \)\({24}\)\({23} \)
\(8 \)\(8 \)\(7 \)\({11} \)\({12} \)\(9 \)\({10} \)\(2 \)\(1 \)\(5 \)\(6 \)\(3 \)\(4 \)\({21} \)\({22} \)\({19} \)\({20} \)\({24}\)\({23} \)\({15} \)\({16} \)\({13} \)\({14} \)\({18} \)\({17} \)
\(9 \)\(9 \)\({10} \)\(7 \)\(8 \)\({12} \)\({11} \)\({15} \)\({16} \)\({13} \)\({14} \)\({18} \)\({17} \)\(1 \)\(2 \)\(3 \)\(4 \)\(5 \)\(6 \)\({22} \)\({21} \)\({24}\)\({23} \)\({19} \)\({20} \)
\({10} \)\({10} \)\(9 \)\({12} \)\({11} \)\(7 \)\(8 \)\({16} \)\({15} \)\({18} \)\({17} \)\({13} \)\({14} \)\({22} \)\({21} \)\({24}\)\({23} \)\({19} \)\({20} \)\(1 \)\(2 \)\(3 \)\(4 \)\(5 \)\(6 \)
\({11} \)\({11} \)\({12} \)\(8 \)\(7 \)\({10} \)\(9 \)\({21} \)\({22} \)\({19} \)\({20} \)\({24}\)\({23} \)\(2 \)\(1 \)\(5 \)\(6 \)\(3 \)\(4 \)\({16} \)\({15} \)\({18} \)\({17} \)\({13} \)\({14} \)
\({12} \)\({12} \)\({11} \)\({10} \)\(9 \)\(8 \)\(7 \)\({22} \)\({21} \)\({24}\)\({23} \)\({19} \)\({20} \)\({16} \)\({15} \)\({18} \)\({17} \)\({13} \)\({14} \)\(2 \)\(1 \)\(5 \)\(6 \)\(3 \)\(4 \)
\({13} \)\({13} \)\({14} \)\({15} \)\({16} \)\({17} \)\({18} \)\(3 \)\(4 \)\(1 \)\(2 \)\(6 \)\(5 \)\(9 \)\({10} \)\(7 \)\(8 \)\({12} \)\({11} \)\({23} \)\({24}\)\({20} \)\({19} \)\({22} \)\({21} \)
\({14} \)\({14} \)\({13} \)\({17} \)\({18} \)\({15} \)\({16} \)\(4 \)\(3 \)\(6 \)\(5 \)\(1 \)\(2 \)\({23} \)\({24}\)\({20} \)\({19} \)\({22} \)\({21} \)\(9 \)\({10} \)\(7 \)\(8 \)\({12} \)\({11} \)
\({15} \)\({15} \)\({16} \)\({13} \)\({14} \)\({18} \)\({17} \)\(9 \)\({10} \)\(7 \)\(8 \)\({12} \)\({11} \)\(3 \)\(4 \)\(1 \)\(2 \)\(6 \)\(5 \)\({24}\)\({23} \)\({22} \)\({21} \)\({20} \)\({19} \)
\({16} \)\({16} \)\({15} \)\({18} \)\({17} \)\({13} \)\({14} \)\({10} \)\(9 \)\({12} \)\({11} \)\(7 \)\(8 \)\({24}\)\({23} \)\({22} \)\({21} \)\({20} \)\({19} \)\(3 \)\(4 \)\(1 \)\(2 \)\(6 \)\(5 \)
\({17} \)\({17} \)\({18} \)\({14} \)\({13} \)\({16} \)\({15} \)\({23} \)\({24}\)\({20} \)\({19} \)\({22} \)\({21} \)\(4 \)\(3 \)\(6 \)\(5 \)\(1 \)\(2 \)\({10} \)\(9 \)\({12} \)\({11} \)\(7 \)\(8 \)
\({18} \)\({18} \)\({17} \)\({16} \)\({15} \)\({14} \)\({13} \)\({24}\)\({23} \)\({22} \)\({21} \)\({20} \)\({19} \)\({10} \)\(9 \)\({12} \)\({11} \)\(7 \)\(8 \)\(4 \)\(3 \)\(6 \)\(5 \)\(1 \)\(2 \)
\({19} \)\({19} \)\({20} \)\({21} \)\({22} \)\({23} \)\({24}\)\(5 \)\(6 \)\(2 \)\(1 \)\(4 \)\(3 \)\({11} \)\({12} \)\(8 \)\(7 \)\({10} \)\(9 \)\({17} \)\({18} \)\({14} \)\({13} \)\({16} \)\({15} \)
\({20} \)\({20} \)\({19} \)\({23} \)\({24}\)\({21} \)\({22} \)\(6 \)\(5 \)\(4 \)\(3 \)\(2 \)\(1 \)\({17} \)\({18} \)\({14} \)\({13} \)\({16} \)\({15} \)\({11} \)\({12} \)\(8 \)\(7 \)\({10} \)\(9 \)
\({21} \)\({21} \)\({22} \)\({19} \)\({20} \)\({24}\)\({23} \)\({11} \)\({12} \)\(8 \)\(7 \)\({10} \)\(9 \)\(5 \)\(6 \)\(2 \)\(1 \)\(4 \)\(3 \)\({18} \)\({17} \)\({16} \)\({15} \)\({14} \)\({13} \)
\({22} \)\({22} \)\({21} \)\({24}\)\({23} \)\({19} \)\({20} \)\({12} \)\({11} \)\({10} \)\(9 \)\(8 \)\(7 \)\({18} \)\({17} \)\({16} \)\({15} \)\({14} \)\({13} \)\(5 \)\(6 \)\(2 \)\(1 \)\(4 \)\(3 \)
\({23} \)\({23} \)\({24}\)\({20} \)\({19} \)\({22} \)\({21} \)\({17} \)\({18} \)\({14} \)\({13} \)\({16} \)\({15} \)\(6 \)\(5 \)\(4 \)\(3 \)\(2 \)\(1 \)\({12} \)\({11} \)\({10} \)\(9 \)\(8 \)\(7 \)
\({24}\)\({24}\)\({23} \)\({22} \)\({21} \)\({20} \)\({19} \)\({18} \)\({17} \)\({16} \)\({15} \)\({14} \)\({13} \)\({12} \)\({11} \)\({10} \)\(9 \)\(8 \)\(7 \)\(6 \)\(5 \)\(4 \)\(3 \)\(2 \)\(1 \)


【第2章】では、上記以外に \(\rho_i(v_j)\) の表も記述しましたが、表の中身は全く同一で、上記の表の数値を読み替えてもらえば 十分です。 結論として、【表3-1】は、対称群 \(S_4\) と等価な群を構成している事が判ります。さらに写像 \(\rho_i\) は、 全ての \(v_j\) に対して、 \(\rho_i(v_j)=v_k \) という写像関係を有している事も判ります。
従って自己同型写像候補であった \(\{\rho_i\}\) は、ガロア群 \(Gal(F_0(v)/F_0) \) の元そのものである事が判りました。

【3-6】写像 \(\rho_i\) の \(\{\alpha,\beta,\gamma,\delta\}\) に対する置換作用

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\( \{ \rho_1,\rho_2,..,\rho_{24}\}\) が、4根に対してどの様に作用するのか計算してみます。この計算も 式が複雑になっていしまうので省略します。但し計算方法は第2章と全く同様です。
全ての \(\rho_i\) が、 \([\ \alpha,\beta,\gamma,\delta \ ]\) に対してどの様に作用するか 計算してみたのが【表3-2】です。
写像 \(\rho_i\) は(2.2)の \(S_4\) の元 \(\sigma_i\) が \([\ \alpha,\beta,\gamma,\delta \ ]\) に対する置換操作と 全く同一である事が判ります。

【表3-2】 \(\rho_i \) 変換表 (1)
\(\rho_i(\alpha)\)\(\rho_i(\beta)\)\(\rho_i(\gamma)\)\(\rho_i(\delta)\)
\(\rho_{1}\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\delta\)
\(\rho_{2}\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\delta\)\(\gamma\)
\(\rho_{3}\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\delta\)
\(\rho_{4}\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\beta\)
\(\rho_{5}\)\(\alpha\)\(\delta\)\(\beta\)\(\gamma\)
\(\rho_{6}\)\(\alpha\)\(\delta\)\(\gamma\)\(\beta\)
\(\rho_{7}\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\delta\)
\(\rho_{8}\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\delta\)\(\gamma\)

【表3-2】 \(\rho_i \) 変換表(2)
\(\rho_i(\alpha)\)\(\rho_i(\beta)\)\(\rho_i(\gamma)\)\(\rho_i(\delta)\)
\(\rho_{9}\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\delta\)
\(\rho_{10}\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\alpha\)
\(\rho_{11}\)\(\beta\)\(\delta\)\(\alpha\)\(\gamma\)
\(\rho_{12}\)\(\beta\)\(\delta\)\(\gamma\)\(\alpha\)
\(\rho_{13}\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\delta\)
\(\rho_{14}\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\delta\)\(\beta\)
\(\rho_{15}\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\delta\)
\(\rho_{16}\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\delta\)\(\alpha\)

【表3-2】 \(\rho_i \) 変換表(3)
\(\rho_i(\alpha)\)\(\rho_i(\beta)\)\(\rho_i(\gamma)\)\(\rho_i(\delta)\)
\(\rho_{17}\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\alpha\)\(\beta\)
\(\rho_{18}\)\(\gamma\)\(\delta\)\(\beta\)\(\alpha\)
\(\rho_{19}\)\(\delta\)\(\alpha\)\(\beta\)\(\gamma\)
\(\rho_{20}\)\(\delta\)\(\alpha\)\(\gamma\)\(\beta\)
\(\rho_{21}\)\(\delta\)\(\beta\)\(\alpha\)\(\gamma\)
\(\rho_{22}\)\(\delta\)\(\beta\)\(\gamma\)\(\alpha\)
\(\rho_{23}\)\(\delta\)\(\gamma\)\(\alpha\)\(\beta\)
\(\rho_{24}\)\(\delta\)\(\gamma\)\(\beta\)\(\alpha\)


本来写像 \(\rho_i\) は \(v\) を共役根に写像するものであったのですが、その写像機能は元の方程式の根 \(\{\ \alpha,\beta,\gamma,\delta \ \}\)に対しても、写像の機能が \(v\) を通して間接的に及んでいるというところが面白いです。

とにかく写像 \(\rho_i\) は写像っぽいところがいかにも自己同型写像という名前にふさわしい気がします。 \(\sigma_i\) の置換演算子の雰囲気とは違いますね。(本当は全く同じなんですけど、、、) まとめる以下となります。

\( \quad\{\rho_1,\rho_2,..,\rho_{24}\} = Gal(F_0(v)/F_0) \cong S_4\)


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