从费马大定理谈起(八):艾森斯坦整数
By 苏剑林 | 2014-08-30 | 44925位读者 |是时候向n=3进军了,为了证明这个情况,我们需要一个新的数环:艾森斯坦整数(Eisenstein Integer)。艾森斯坦是德国著名数学家,同时代的高斯曾经评价:“只有三个划时代的数学家:阿基米德,牛顿和艾森斯坦。”足见艾森斯坦的成就斐然。事实上,阅读费马大定理的研究史,同时也是在阅读数学名人录——没有超高的数学,几乎不可能在费马大定理中有所建树。
基本定义 #
跟高斯整数一样,艾森斯坦整数也是复整数的一种,其中,高斯整数是以1和i为基,i其实是一个四次单位根,也就是x^4-1=0的一个非实数根,因此高斯整数也叫做四次分圆整数;而艾森斯坦整数以1和\omega为基,\omega是三次单位根,也就是x^3-1=0的一个非实数根。任意一个艾森斯坦整数都可以记为a+b\omega,\,a,b\in\mathbb{Z},艾森斯坦整数环记为\mathbb{Z}[\omega],也称为三次分圆整数环。
也许读者会想用虚数单位i写出\omega的具体形式来,或许还在纠结用哪个单位根(有两个不同的复的三次单位根),但这是不必要的,因为我们现在只考虑a+b\omega型的数,因此我们根本就不需要i的存在,我们只需要记住\omega^2+\omega+1=0,就可以把\mathbb{Z}[\omega]中的运算确立下来了,比如
\begin{aligned}(a+b\omega)(c+d\omega)&=ac+(bc+ad)\omega+bd\omega^2\\
&=ac+(bc+ad)\omega+bd(-\omega-1)\\
&=(ac-bd)+(bc+ad-bd)\omega
\end{aligned}
特别地,我们把a+b\omega^2叫做a+b\omega的共轭,根据这个定义,a+b\omega^2的共轭就是a+b\omega(为什么?请读者脱离虚数单位i,只在\mathbb{Z}[\omega]中去证明它。接下来是范数的定义:
N(a+b\omega)=(a+b\omega)(a+b\omega^2)=a^2-ab+b^2
为什么要这样定义?首先,范数必然是一个实数,其次,范数得满足N(\xi\eta)=N(\xi)N(\eta),也就是积性的。从(a+b\omega)(a+b\omega^2)的结构可以看出,这是把a+b\omega中的\omega遍历所有非实数单位根之后相乘,这样的结果必然是一个实数。为什么?我们将a^3+b^3在复数内分解,首先得求解方程a^3+b^3=0,得到a=-b\omega^k,\,k=0,1,2,这样一来根据因式分解定理a^3+b^3=(a+b)(a+b\omega)(a+b\omega^2),所以(a+b\omega)(a+b\omega^2)是实数。另外从定义可以看出,这样的函数必然是积性的。
艾森斯坦整数有六个单位数(N(\xi)=1):\pm 1,\pm\omega,\pm\omega^2,要注意,由于\omega^2+\omega+1=0,单位数有很多不同的表达式,比如1+\omega和1+\omega^2都是单位数。
整除的概念也和高斯整数以及实整数类似的,在此不赘述。两个艾森斯坦整数如果只相差一个单位数因子,那么这两个艾森斯坦整数互为伴随数。有了整除的概念,也可以类似地定义公约数和最大公约数,因此也有了互质的概念。这些都是可以一一对应过来的。最后是艾森斯坦素数的定义,这是跟高斯素数类似的。如果在\mathbb{Z}[\omega]中,\xi=\lambda\eta必有N(\lambda)=1或者N(\eta)=1(但不能同时等于1),那么就称\xi为艾森斯坦素数。
唯一分解定理 #
跟高斯整数一样,艾森斯坦整数最重要的特性,大概就是它满足唯一分解定理!为了证明这一点,只需要证明它是一个欧几里得整环!读者可以参考《从费马大定理谈起(四):唯一分解整环》。而为了证明它是一个欧几里得环,只需要证明对于任意艾森斯坦数a'+b'\omega,\,a',b'\in \mathbb{R},总存在艾森斯坦整数a+b\omega,使得
N(a'+b'\omega-a-b\omega) < 1
这很容易成立,只需要将a'和b'下取整(注意是下取整,不是四舍五入),因为对于任意小于1的非负数x,y,都有x^2-xy+y^2 < 1。该条件的成立,就表明它是欧几里得整环(这是等价定义),余下的证明,参考高斯整数的证明即可。
同余性质 #
在\mathbb{Z}[\omega]中,2是范数最小的艾森斯坦素数,但艾森斯坦整数是三次单位数,我们考虑范数是3的素数1-\omega的基本同余性质,这是因为该素数的同余跟三次方关系比较密切(请看下面的1、2)。下面的性质只列举,不证明,有兴趣证明的朋友,请参考《从费马大定理谈起(三):高斯整数》。
1、1+2\omega、1-\omega^2等都是1-\omega的伴随;(1-\omega)^2=-3\omega,(1-\omega)^4=9\omega^2。
2、1-\omega|a+b\omega,当且仅当3|a+b,其中a,b\in\mathbb{Z}。
3、如果1-\omega\nmid a+b\omega,那么(a+b\omega)^3\equiv \pm 1(\bmod\,9)。
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August 31st, 2014
大神。。暑假您都没有闲着啊
暑假才有更多精力学习和写东西呀,虽然最终学到的东西还是很少~~
August 8th, 2015
有意思