Cyklotomický polynom - Cyclotomic polynomial

V matematiky je n th cyclotomic polynom pro jakékoliv kladné číslo n , je unikátní ireducibilní polynom s celočíselnými koeficienty, které je dělitel na a není dělitelem žádného k < n . Jeho kořeny jsou všichni n th primitivní kořeny jednoty , kde K přejede kladných čísel není větší než n a coprime k n (a i je fiktivní jednotka ). Jinými slovy, n -tý cyklotomický polynom je roven

To může také být definován jako monic polynomu s koeficienty celého čísla, která je minimální polynom nad oblasti z racionálních čísel kteréhokoli primitivní n th-kořen jednoty ( je příkladem takového root).

Důležitý vztah spojující cyklotomické polynomy a primitivní kořeny jednoty je

ukazující, že x je kořenem právě tehdy, když je to d -tý primitivní kořen jednoty pro nějaké d, které rozděluje n .

Příklady

Pokud n je prvočíslo , pak

Pokud n = 2 p, kde p je liché prvočíslo , pak

Pro n až 30 jsou cyklotomické polynomy:

Případ 105. cyklotomického polynomu je zajímavý, protože 105 je nejnižší celé číslo, které je součinem tří odlišných lichých prvočísel (3*5*7) a tento polynom je první, který má koeficient jiný než 1, 0, popř. −1:

Vlastnosti

Základní nástroje

Cyklotomické polynomy jsou monické polynomy s celočíselnými koeficienty, které jsou v poli racionálních čísel neredukovatelné . Kromě n rovného 1 nebo 2 jsou palindromiky sudého stupně.

Stupeň , nebo jinými slovy počet n -tých primitivních kořenů jednoty, je , kde je Eulerova totientní funkce .

Skutečnost, že jde o neredukovatelný polynom stupně v prstenci, je kvůli Gaussovi netriviální výsledek . V závislosti na zvolené definici je netriviální výsledek buď hodnota stupně, nebo neredukovatelnost. Díky Eisensteinovu kritériu je snadnější dokázat případ prime n než obecný případ .

Základní vztah zahrnující cyklotomické polynomy je

což znamená, že každý n -tý kořen jednoty je primitivní d -tý kořen jednoty pro jedinečné d dělící n .

Inverze vzorec Möbiovo umožňuje expresi jako explicitní racionální frakce:

kde je funkce Möbius .

Cyklotomický polynom lze vypočítat (přesně) dělením cyklotomických polynomů vlastních dělitelů n dříve vypočítaných rekurzivně stejnou metodou:

(Připomeňme si to .)

Tento vzorec umožňuje výpočet na počítači pro libovolné n , jakmile je k dispozici celočíselná faktorizace a dělení polynomů . Mnoho systémů počítačové algebry , jako jsou SageMath , Maple , Mathematica a PARI/GP , má vestavěnou funkci pro výpočet cyklotomických polynomů.

Snadné případy pro výpočet

Jak bylo uvedeno výše, pokud n je prvočíslo, pak

Pokud n je liché celé číslo větší než jedna, pak

Zejména pokud n = 2 p je dvakrát liché prvočíslo, pak (jak je uvedeno výše)

Pokud n = p m je primární síla (kde p je primární), pak

Obecněji platí, že pokud n = p m r s r relativně prime k p , pak

Tyto vzorce lze použít opakovaně, abychom získali jednoduchý výraz pro jakýkoli cyklotomický polynom ve smyslu cyklotomického polynomu se čtvercovým volným indexem: Pokud q je součin hlavních dělitelů n (jeho radikál ), pak

To umožňuje dát vzorce pro n -tý cyklotomický polynom, když n má nejvýše jeden lichý prvočíselný faktor: Pokud p je liché prvočíslo a h a k jsou kladná celá čísla, pak:

Pro ostatní hodnoty n je výpočet n -tého cyklotomického polynomu redukován podobně jako pro kde q je součin odlišných lichých hlavních dělitelů n . K vyřešení tohoto případu, kdo má, že pro p prvočíslo, a ne rozdělení n ,

Celá čísla zobrazující se jako koeficienty

Problém ohraničení velikosti koeficientů cyklotomických polynomů byl předmětem řady výzkumných prací.

Pokud n má nejvýše dva odlišné liché primární faktory, pak Migotti ukázal, že koeficienty všech jsou v sadě {1, −1, 0}.

První cyklotomický polynom pro součin tří různých lichých prvočinitelů je ten, že má koeficient −2 (viz jeho výraz výše ). Opak není pravdivý: má pouze koeficienty v {1, −1, 0}.

Pokud n je součin více různých lichých prvočinitelů, mohou se koeficienty zvýšit na velmi vysoké hodnoty. Například má koeficienty od -22 do 23, nejmenší n se 6 různými lichými prvočísly, má koeficienty velikosti až 532.

Nechť A ( n ) označuje maximální absolutní hodnotu koeficientů Φ n . Je známo, že pro každé kladné k je počet nx s A ( n )> n k alespoň c ( k ) ⋅ x pro kladné c ( k ) v závislosti na dostatečně velkém k a x . V opačném směru platí, že pro jakoukoli funkci ψ ( n ) inklinující k nekonečnu s n máme A ( n ) ohraničenou výše n ψ ( n ) pro téměř všechna n .

Gaussův vzorec

Nechť n je liché, bez čtverců a větší než 3. Potom:

kde A n ( z ) i B n ( z ) mají celočíselné koeficienty, A n ( z ) má stupeň φ ( n )/2 a B n ( z ) má stupeň φ ( n )/2 - 2. Kromě toho A n ( z ) je palindromické, když je jeho stupeň sudý; pokud je jeho stupeň lichý, je antipalindromický. Podobně B n ( z ) je palindromický, pokud n není složený a ≡ 3 (mod 4), v takovém případě je antipalindromický.

Prvních několik případů je

Lucasova formule

Nechť n je liché, bez čtverců a větší než 3. Potom

kde U n ( z ) i V n ( z ) mají celočíselné koeficienty, U n ( z ) má stupeň φ ( n )/2 a V n ( z ) má stupeň φ ( n )/2 - 1. To může také být napsán

Je-li n sudé, bez čtverců a větší než 2 (to způsobí, že n /2 bude liché),

kde C n ( z ) i D n ( z ) mají celočíselné koeficienty, C n ( z ) má stupeň φ ( n ) a D n ( z ) má stupeň φ ( n ) - 1. C n ( z ) a D n ( z ) jsou oba palindromické.

Prvních několik případů je:

Cyklotomické polynomy nad konečným polem a nad p -adickými celými čísly

Přes konečného pole s prvočíslo p prvků, pro jakékoliv celé číslo n , která není násobkem p jsou cyclotomic polynomiální factorizes do ireducibilních polynomy stupně D , kde je Eulerova totient funkce a d je multiplikativní pořadí z p modulo n . Zejména je neredukovatelný právě tehdy, když p je primitivní kořenový modul n , to znamená, že p nerozděluje n a jeho multiplikativní pořadí modulo n je stupeň .

Tyto výsledky platí i pro p -adická celá čísla , protože Henselovo lemma umožňuje zvednout faktorizaci přes pole s p prvky na faktorizaci přes p -adická celá čísla.

Polynomiální hodnoty

Pokud x má jakoukoli skutečnou hodnotu, pak pro každé n ≥ 3 (to vyplývá ze skutečnosti, že kořeny cyklotomického polynomu jsou všechny nereálné, pro n ≥ 3 ).

Pro studium hodnot, které může mít cyklotomický polynom, když x je dána celočíselná hodnota, stačí vzít v úvahu pouze případ n ≥ 3 , protože případy n = 1 a n = 2 jsou triviální (jeden má a ).

Pro n ≥ 2 má jeden

pokud n není primární mocnina ,
pokud je primární výkon s k ≥ 1 .

Hodnoty, které může mít cyklotomický polynom pro jiné celočíselné hodnoty x, jsou silně spjaty s multiplikativním řádovým modulem prvočísla.

Přesněji řečeno, vzhledem k prvočíslu p a celému číslu b coprime s p je multiplikativní pořadí b modulo p nejmenší kladné celé číslo n takové, že p je dělitel pro b > 1 , multiplikativní pořadí b modulo p je také nejkratší období reprezentace 1/ p v číselné základně b (viz Unique prime ; to vysvětluje volbu notace).

Z definice multiplikativního řádu vyplývá, že pokud n je multiplikativní pořadí b modulo p , pak p je dělitel Konverze není pravdivá, ale má následující.

Pokud n > 0 je kladné celé číslo a b > 1 je celé číslo, pak (důkaz viz níže)

kde

  • k je nezáporné celé číslo, vždy rovné 0, když b je sudé. (Ve skutečnosti, pokud n není ani 1 ani 2, pak k je buď 0 nebo 1. Kromě toho, pokud n není mocnina 2 , pak k je vždy rovno 0)
  • g je 1 nebo největší lichý primární faktor n .
  • h je liché, coprime s n , a jeho primární faktory jsou přesně liché prvočísla p takové, že n je multiplikativní pořadí b modulo p .

To znamená, že pokud p je lichý primární dělitel, pak buď n je dělitel p - 1 nebo p je dělitel n . V druhém případě nerozděluje

Zsigmondy věta znamená, že pouze případy, kdy b > 1 a h = 1 jsou

Z výše uvedené faktorizace vyplývá, že liché primární faktory

jsou přesně lichá prvočísla p taková, že n je multiplikativní pořadí b modulo p . Tento zlomek může být sudý pouze tehdy, je -li b liché. V tomto případě je multiplikativní pořadí b modulo 2 vždy 1 .

Existuje mnoho párů ( n , b ) s b > 1 , které jsou primární. Ve skutečnosti Bunyakovského domněnka naznačuje, že pro každé n existuje nekonečně mnoho b > 1 takových, které jsou primární. Viz OEISA085398, kde je seznam nejmenších b > 1 takových, které jsou prvočíselné (nejmenší b > 1 takové, které je prvočíselné, je o tom , kde je Euler – Mascheroniho konstanta a je Eulerova totientová funkce ). Viz také OEISA206864 pro seznam nejmenších prvočísel formuláře s n > 2 a b > 1 , a obecněji, OEISA206942 , pro nejmenší kladná celá čísla tohoto formuláře.

Důkazy
  • Hodnoty If jsou tedy hlavní silou
Pokud n není primární mocnina, nechť máme a P je součin for k dělení n a rozdíl 1 . Jestliže p je prvočíslo dělitelem multiplicity m v n , pak rozdělit P ( x ) a jejich hodnot na 1 , jsou m faktory, které se rovnají p o Jako m je větší počet p v n , p nelze rozdělit hodnotu, při 1 z další faktory Tudíž neexistuje prvočíslo, které by rozdělovalo
  • Pokud n je multiplikativní pořadí b modulo p , pak Podle definice, v případě, pak p se rozdělí další faktor o , a tak by rozdělení ukazuje, že v případě, že by bylo v případě, n nebude multiplikativní pořadí b modulo p .
  • Ostatní hlavní dělitelé jsou dělitelé n . Nechť p je hlavním dělitelem takového, že n není multiplikativní pořadí b modulo p . Pokud k je multiplikativní pořadí b modulo p , pak p předěly jak a Výsledný z a může být zapsána , kde P a Q jsou polynomy. P tedy dělí tento výsledek. Jako k- rozděluje n a výslednicí dvou polynomy rozděluje diskriminační jakéhokoli společného násobku těchto polynomů, p rozděluje také discriminant z Tudíž p rozděluje n .
  • g a h jsou coprime . Jinými slovy, pokud p je hlavní společný dělitel n apak n není multiplikativní pořadí b modulo p . Podle Fermatovy malé věty je multiplikativní řád b dělitelem p - 1 , a tedy menší než n .
  • g je bez čtverců . Jinými slovy, je -li p hlavním společným dělitelem n apaknedělíLet n = pm . Postačuje, aby prokázal, ženerozděluje S ( b ) z nějakého polynomu S ( x ) , která je násobkemBereme
Multiplikativní pořadí b modulo p dělí gcd ( n , p - 1) , což je dělitel m = n / p . Takže c = b m - 1 je násobek p . Nyní,
Protože p je prvočíslo a větší než 2, všechny výrazy kromě prvního jsou násobky To to dokazuje

Aplikace

Použitím lze podat elementární důkaz o nekonečnosti prvočísel shodných s 1 modulem n , což je zvláštní případ Dirichletovy věty o aritmetických postupech .

Důkaz

Předpokládejme, že je konečný seznam prvočísel shodných s modulo Nechme a zvažme . Nechť je hlavním faktorem (aby to bylo rozloženo na lineární faktory a všimněte si, že 1 je nejbližší kořen jednoty ). Protože víme, že je to nové prvočíslo, které není v seznamu. Ukážeme to

Nechť je řád modulo Protože máme . Tedy . Ukážeme to .

Předpokládejme, že je to v rozporu . Od té doby

my máme

pro některé . Pak je dvojitý kořen

Proto musí být kořen derivátu tak

Ale a proto je to v rozporu . Pořadí, které je , se musí rozdělit . Tím pádem

Viz také

Poznámky

Reference

Gaussova kniha Disquisitiones Arithmeticae byla přeložena z latiny do angličtiny a němčiny. Německé vydání obsahuje všechny jeho práce o teorii čísel: všechny důkazy o kvadratické vzájemnosti, určení znaménka Gaussova součtu, vyšetřování biquadratické vzájemnosti a nepublikované poznámky.

  • Gauss, Carl Friedrich (1986) [1801]. Disquisitiones Arithmeticae . Přeložil do angličtiny Clarke, Arthur A. (2. kor. Ed.). New York: Springer . ISBN 0387962549.
  • Gauss, Carl Friedrich (1965) [1801]. Untersuchungen uber hohere Arithmetik (Disquisitiones Arithmeticae & other papers on theory number) . Přeložil do němčiny Maser, H. (2. vyd.). New York: Chelsea. ISBN 0-8284-0191-8.
  • Lemmermeyer, Franz (2000). Zákony vzájemnosti: od Eulera po Eisenstein . Berlín: Springer . doi : 10,1007/978-3-662-12893-0 . ISBN 978-3-642-08628-1.
  • Maier, Helmut (2008), „Anatomie celých čísel a cyklotomických polynomů“, v De Koninck, Jean-Marie; Granville, Andrew ; Luca, Florian (eds.), Anatomie celých čísel. Na základě workshopu CRM, Montreal, Kanada, 13. – 17. Března 2006 , sborník CRM a poznámky z přednášek, 46 , Providence, RI: American Mathematical Society , s. 89–95, ISBN 978-0-8218-4406-9, Zbl  1186.11010
  • Riesel, Hans (1994). Prvočísla a počítačové metody pro faktorizaci (2. vyd.). Boston: Birkhäuser. ISBN 0-8176-3743-5.

externí odkazy