stringtranslate.com

Циклотомический полином

В математике n циклотомический многочлен для любого положительного целого числа n — это единственный неприводимый многочлен с целыми коэффициентами , который является делителем и не является делителем для любого k < n . Его корни — все n-е примитивные корни из единицы , где k пробегает положительные целые числа, меньшие n , и взаимно просты с niмнимая единица ). Другими словами, n-й циклотомический многочлен равен

Его также можно определить как монический многочлен с целыми коэффициентами, который является минимальным многочленом над полем рациональных чисел любого примитивного корня степени n из единицы ( является примером такого корня).

Важное соотношение, связывающее циклотомические многочлены и первообразные корни из единицы, заключается в следующем:

показывая, что является корнем тогда и только тогда, когда он является d- м примитивным корнем из единицы для некоторого d , который делит n . [1]

Примеры

Если nпростое число , то

Если n = 2 p, где pпростое число, отличное от 2, то

Для n до 30 циклотомические многочлены имеют вид: [2]

Случай 105-го циклотомического многочлена интересен, поскольку 105 — это наименьшее положительное целое число, являющееся произведением трех различных нечетных простых чисел (3×5×7), и этот многочлен — первый, имеющий коэффициент, отличный от 1, 0 или −1: [3]

Характеристики

Фундаментальные инструменты

Циклотомические многочлены — это монические многочлены с целыми коэффициентами, неприводимые над полем рациональных чисел. За исключением n, равного 1 или 2, они являются палиндромами четной степени.

Степень , или, другими словами, число n- ных первообразных корней из единицы, равна , где — функция Эйлера .

Тот факт, что является неприводимым многочленом степени в кольце , является нетривиальным результатом Гаусса . [ 4] В зависимости от выбранного определения, нетривиальным результатом является либо значение степени, либо неприводимость. Случай простого n доказать легче, чем общий случай, благодаря критерию Эйзенштейна .

Фундаментальное соотношение, включающее циклотомические полиномы, имеет вид

что означает, что каждый корень n-й степени из единицы является примитивным корнем d- й степени из единицы для уникального d, делящего n .

Формула обращения Мёбиуса позволяет выразить в виде явной рациональной дроби:

где - функция Мёбиуса .

Циклотомический многочлен может быть вычислен путем (точного) деления на циклотомические многочлены собственных делителей n, ранее вычисленные рекурсивно тем же методом:

(Напомним, что .)

Эта формула определяет алгоритм вычисления для любого n , при условии, что доступны целочисленная факторизация и деление многочленов . Многие системы компьютерной алгебры , такие как SageMath , Maple , Mathematica и PARI/GP , имеют встроенную функцию для вычисления циклотомических многочленов.

Простые случаи для вычислений

Как отмечено выше, если n — простое число, то

Если n — нечетное целое число, большее единицы, то

В частности, если n = 2 p — дважды нечетное простое число, то (как отмечено выше)

Если n = p mстепень простого числа (где p — простое число), то

В более общем случае, если n = p m r, где r взаимно просто с p , то

Эти формулы можно применять многократно, чтобы получить простое выражение для любого циклотомического многочлена через циклотомический многочлен с индексом, свободным от квадратов : Если q является произведением простых делителей n (его радикала ), то [5]

Это позволяет вывести формулы для n- го циклотомического многочлена, когда n имеет не более одного нечетного простого множителя: Если p — нечетное простое число, а h и k — положительные целые числа, то

Для других значений n вычисление n-го циклотомического многочлена аналогично сводится к вычислению, где q — произведение различных нечетных простых делителей n . Чтобы иметь дело с этим случаем, для p — простого числа, не делящего n , [6]

Целые числа, появляющиеся как коэффициенты

Проблема ограничения величины коэффициентов циклотомических полиномов была предметом ряда исследовательских работ. Несколько обзорных работ дают обзор. [7]

Если n имеет не более двух различных нечетных простых множителей, то Миготти показал, что все коэффициенты находятся в наборе {1, −1, 0}. [8]

Первый циклотомический многочлен для произведения трех различных нечетных простых множителей имеет коэффициент −2 (см. его выражение выше). Обратное неверно: имеет коэффициенты только в {1, −1, 0}.

Если n является произведением большего количества различных нечетных простых множителей, коэффициенты могут увеличиваться до очень больших значений. Например, имеет коэффициенты от −22 до 23, наименьшее n с 6 различными нечетными простыми числами имеет коэффициенты величиной до 532.

Пусть A ( n ) обозначает максимальное абсолютное значение коэффициентов Φ n . Известно, что для любого положительного k число n вплоть до x с A ( n ) > n k не меньше c ( k ) ⋅ x для положительного c ( k ), зависящего от k и достаточно большого x . В противоположном направлении, для любой функции ψ( n ), стремящейся к бесконечности с n , мы имеем A ( n ) ограниченное сверху n ψ( n ) для почти всех n . [9]

Комбинация теорем Бейтмана и Вона утверждает [7] : 10  что, с одной стороны, для каждого , мы имеем

для всех достаточно больших положительных целых чисел , а с другой стороны, мы имеем

для бесконечного числа положительных целых чисел . Это подразумевает, в частности, что одномерные многочлены (конкретно для бесконечного числа положительных целых чисел ) могут иметь множители (например ), коэффициенты которых суперполиномиально больше исходных коэффициентов. Это не слишком далеко от общей границы Ландау-Миньотта .

Формула Гаусса

Пусть n нечетное, бесквадратное и больше 3. Тогда: [10] [11]

где и A n ( z ), и B n ( z ) имеют целые коэффициенты, A n ( z ) имеет степень φ ( n )/2, а B n ( z ) имеет степень φ ( n )/2 − 2. Более того, A n ( z ) является палиндромным, когда его степень четная; если его степень нечетная, он является антипалиндромным. Аналогично, B n ( z ) является палиндромным, если n не является составным и ≡ 3 (mod 4), в этом случае он является антипалиндромным.

Первые несколько случаев

Формула Лукаса

Пусть n нечетно, свободно от квадратов и больше 3. Тогда [11]

где и U n ( z ), и V n ( z ) имеют целые коэффициенты, U n ( z ) имеет степень φ ( n )/2, а V n ( z ) имеет степень φ ( n )/2 − 1. Это также можно записать

Если n четное, бесквадратное и больше 2 (это делает n /2 нечетным),

где и C n ( z ), и D n ( z ) имеют целые коэффициенты, C n ( z ) имеет степень φ ( n ), а D n ( z ) имеет степень φ ( n ) − 1. C n ( z ) и D n ( z ) оба являются палиндромами.

Вот первые несколько случаев:

Гипотеза сестры Бейтер

Гипотеза сестры Бейтер касается максимального размера (по абсолютной величине) коэффициентов тернарных циклотомических полиномов , где — три простых числа. [12]

Циклотомические многочлены над конечным полем и надп-адические целые числа

Над конечным полем с простым числом элементов p для любого целого числа n , не кратного p , циклотомический многочлен разлагается на неприводимые многочлены степени d , где — функция Эйлера , а dмультипликативный порядок p по модулю n . В частности, является неприводимым тогда и только тогда, когда pпримитивный корень по модулю n , то есть p не делит n , а его мультипликативный порядок по модулю n равен , степени . [13]

Эти результаты верны также и для целых p -адических чисел , поскольку лемма Гензеля позволяет поднять факторизацию над полем с p элементами до факторизации над целыми p -адическими числами.

Полиномиальные значения

Если x принимает любое действительное значение, то для любого n ≥ 3 (это следует из того факта, что корни циклотомического многочлена все недействительны, при n ≥ 3 ).

Для изучения значений, которые может принимать циклотомический многочлен, когда x имеет целое значение, достаточно рассмотреть только случай n ≥ 3 , поскольку случаи n = 1 и n = 2 тривиальны (имеется и ).

Для n ≥ 2 имеем

если n не является степенью простого числа ,
если — степень простого числа с k ≥ 1 .

Значения, которые может принимать циклотомический многочлен для других целых значений x, тесно связаны с мультипликативным порядком по модулю простого числа.

Точнее, если задано простое число p и целое число b , взаимно простое с p , то мультипликативный порядок числа b по модулю p — это наименьшее положительное целое число n, такое что p является делителем Для b > 1 мультипликативный порядок числа b по модулю p также является наименьшим периодом представления числа 1/ p в системе счисления с основанием b (см. Уникальное простое число ; это объясняет выбор обозначения).

Из определения мультипликативного порядка следует, что если n — мультипликативный порядок b по модулю p , то p — делитель Обратное неверно, но имеет место следующее.

Если n > 0 — положительное целое число, а b > 1 — целое число, то (доказательство см. ниже)

где

Это означает, что если p — нечетный простой делитель, то либо n — делитель p − 1 , либо p — делитель n . В последнем случае не делит

Теорема Зигмонди подразумевает, что единственными случаями, когда b > 1 и h = 1, являются

Из вышеприведенной факторизации следует, что нечетные простые множители

являются в точности нечетными простыми числами p такими, что n является мультипликативным порядком b по модулю p . Эта дробь может быть четной только тогда, когда b нечетно. В этом случае мультипликативный порядок b по модулю 2 всегда равен 1 .

Существует много пар ( n , b ) с b > 1 , таких что является простым числом. Фактически, гипотеза Буняковского подразумевает, что для каждого n существует бесконечно много b > 1, таких что является простым числом. См. OEIS : A085398 для списка наименьших b > 1, таких что является простым числом (наименьшее b > 1, такое что является простым числом, составляет около , где — постоянная Эйлера–Маскерони , а — функция Эйлера ). См. также OEIS : A206864 для списка наименьших простых чисел вида с n > 2 и b > 1 , и, в более общем смысле, OEIS : A206942 для наименьших положительных целых чисел этого вида.


Приложения

Используя , можно дать элементарное доказательство бесконечности простых чисел, сравнимых с 1 по модулю n , [14] что является частным случаем теоремы Дирихле об арифметических прогрессиях .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Роман, Стивен (2008), Продвинутая линейная алгебра , Graduate Texts in Mathematics (Третье изд.), Springer, стр. 465 §18, ISBN 978-0-387-72828-5
  2. ^ Слоан, Н. Дж. А. (ред.), «Последовательность A013595», Онлайновая энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS
  3. ^ Брукфилд, Гэри (2016), «Коэффициенты циклотомических полиномов», Mathematics Magazine , 89 (3): 179–188, doi :10.4169/math.mag.89.3.179, JSTOR  10.4169/math.mag.89.3.179, MR  3519075
  4. ^ Ланг, Серж (2002), Алгебра , Graduate Texts in Mathematics , т. 211 (пересмотренное третье издание), Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN 978-0-387-95385-4, г-н  1878556
  5. ^ Кокс, Дэвид А. (2012), «Упражнение 12», Теория Галуа (2-е изд.), John Wiley & Sons, стр. 237, номер домена : 10.1002/9781118218457, ISBN 978-1-118-07205-9.
  6. ^ Вайсштейн, Эрик В. , «Циклотомический многочлен», MathWorld
  7. ^ ab Санна, Карло (2021), «Обзор коэффициентов циклотомических многочленов», arXiv : 2111.04034 [math.NT]
  8. ^ Айзекс, Мартин (2009), Алгебра: курс для выпускников , AMS Bookstore, стр. 310, ISBN 978-0-8218-4799-2
  9. ^ Майер, Хельмут (2008), "Анатомия целых чисел и циклотомических многочленов", в De Koninck, Jean-Marie; Granville, Andrew ; Luca, Florian (ред.), Анатомия целых чисел. Основано на семинаре CRM, Монреаль, Канада, 13-17 марта 2006 г. , CRM Proceedings and Lecture Notes, т. 46, Providence, RI: American Mathematical Society , стр. 89–95, ISBN 978-0-8218-4406-9, Збл  1186.11010
  10. ^ Гаусс, Д.А., Статьи 356-357
  11. ^ ab Riesel, Hans (1994), Простые числа и компьютерные методы факторизации (2-е изд.), Бостон: Birkhäuser, стр. 309–316, 436, 443, ISBN 0-8176-3743-5
  12. Бейтер, Мэрион (апрель 1968 г.), «Величина коэффициентов циклотомического многочлена », The American Mathematical Monthly , 75 (4): 370–372, doi :10.2307/2313416, JSTOR  2313416
  13. ^ Лидл, Рудольф; Нидеррайтер, Харальд (2008), Конечные поля (2-е изд.), Cambridge University Press, стр. 65.
  14. ^ С. Ширали. Теория чисел . Ориент Блэксван, 2004. с. 67. ISBN 81-7371-454-1 . 

Дальнейшее чтение

Книга Гаусса Disquisitiones Arithmeticae [ Арифметические исследования ] была переведена с латыни на французский, немецкий и английский языки. Немецкое издание включает все его работы по теории чисел: все доказательства квадратичной взаимности, определение знака суммы Гаусса, исследования биквадратичной взаимности и неопубликованные заметки.

Внешние ссылки