Přirozená čísla nejsou prsten, protože 0 není přirozené číslo a pro přirozená čísla neexistují přirozená čísla. Struktura tvořená přirozenými čísly se nazývá půlkruh. Přesněji,

Poloviční prsten se nazývá komutativní semigroup sčítání a multiplikační semigroup, ve které operace sčítání a násobení souvisejí s distribučními zákony.

Nyní zavádíme přísné definice celých čísel a dokazujeme jejich rovnocennost. Na základě konceptů algebraických struktur a skutečnosti, že množina přirozených čísel je semirování, ale ne kruh, můžeme zavést následující definici:

Definice 1. Kroužek celých čísel je minimální kroužek obsahující semiring přirozených čísel.

Tato definice neříká nic o vzhledu takových čísel. Ve školním kurzu jsou celá čísla definována jako přirozená čísla, naproti nim a 0. Tuto definici lze také brát jako základ pro konstrukci přesné definice.

Definice 2. Kruh celých čísel je kruh, jehož prvky jsou přirozená čísla, naproti nim a 0 (a pouze oni).

Věta 1... Definice 1 a 2 jsou ekvivalentní.

Důkaz: Z 1 označíme kruh celých čísel ve smyslu definice 1 a Z 2 kruh celých čísel ve smyslu definice 2. Nejprve dokážeme, že Z 2 je zahrnut do Z 1. Ve skutečnosti jsou všechny prvky Z 2 buď přirozená čísla (patří do Z 1, protože Z 1 obsahuje semirování přirozených čísel), nebo jejich opak (patří také do Z 1, protože Z 1 je prsten, a proto pro každý prvek tohoto existuje opačný kruh a pro každé přirozené n Î Z 1, –n také patří do Z 1) nebo 0 (0 Î Z 1, protože Z 1 je kruh a jakýkoli kruh obsahuje 0), tedy jakýkoli prvek ze Z 2 také patří k Z 1, a tedy Z 2 Í Z 1. Na druhou stranu, Z 2 obsahuje semiring přirozených čísel a Z 1 je minimální kruh obsahující přirozená čísla, to znamená, že nemůže obsahovat žádná další splňující tuto podmínku. Ukázali jsme ale, že obsahuje Z 2, a proto Z 1 \u003d Z 2. Věta je prokázána.

Definice 3. Kruh celých čísel je kruh, jehož prvky jsou všechny možné prvky reprezentovatelné jako rozdíl b - a (všechna možná řešení rovnice a + x \u003d b), kde a a b jsou libovolná přirozená čísla.

Věta 2... Definice 3 je ekvivalentní s předchozími dvěma.

Důkaz: Z 3 označíme kruh celých čísel ve smyslu definice 3 a Z 1 \u003d Z 2, jako dříve, kruh celých čísel ve smyslu definic 1 a 2 (jejich rovnost již byla stanovena). Nejprve dokážeme, že Z 3 je zahrnut v Z 2. Ve skutečnosti lze všechny prvky Z 3 reprezentovat jako určité rozdíly přirozených čísel b - a. Pro libovolná dvě přirozená čísla jsou podle věty o trichotomii možné tři možnosti:



V tomto případě je rozdíl b - a je také přirozeným číslem, a proto patří k Z 2.

V tomto případě bude rozdíl mezi dvěma stejnými prvky označen symbolem 0. Dokážeme, že se skutečně jedná o nulu prstence, tj. Neutrální prvek s ohledem na sčítání. K tomu použijeme definici rozdílu a - a \u003d x ó a \u003d a + x a dokážeme, že b + x \u003d b pro jakékoli přirozené číslo b. Pro důkaz stačí přidat prvek b na pravou a levou stranu rovnosti a \u003d a + x a poté použít zákon o zrušení (všechny tyto akce lze provést na základě známých vlastností prstenů). Nula patří k Z 2.

V tomto případě je rozdíl a - b přirozené číslo, které označíme

b - a \u003d - (a - b). Dokažme, že prvky a - b a b - a jsou skutečně opačné, to znamená, že se sčítají až k nule. Pokud označíme a - b \u003d x, b - a \u003d y, dostaneme a \u003d b + x, b \u003d y + a. Sčítáním rovnic po termínech a zrušení b dostaneme a \u003d x + y + a, tj. X + y \u003d a - a \u003d 0. Tedy a - b \u003d - (b - a) je opakem přirozeného, \u200b\u200bto znamená, že patří Z 2. Tedy Z 3 Í Z 2.

Na druhou stranu Z 3 obsahuje semiring přirozených čísel, protože jakékoli přirozené číslo n lze vždy reprezentovat jako

n \u003d n / - 1 Î Z 3,

a tedy Z 1 Í Z 3, protože Z 1 je minimální kruh obsahující přirozená čísla. Pomocí již prokázané skutečnosti, že Z 2 \u003d Z 1, získáme Z 1 \u003d Z 2 \u003d Z 3. Věta je prokázána.

I když se na první pohled může zdát, že v uvedených definicích celých čísel nejsou žádné axiomy, jsou tyto definice axiomatické, protože všechny tři definice říkají, že množina celých čísel je prsten. Proto jsou axiomy v axiomatické teorii celých čísel podmínkami z definice kruhu.

Dokažme to axiomatická teorie celých čísel je konzistentní... Pro důkaz je nutné zkonstruovat model prstence celých čísel pomocí zjevně konzistentní teorie (v našem případě to může být pouze axiomatická teorie přirozených čísel).

Podle definice 3 lze každé celé číslo představovat jako rozdíl dvou přirozených čísel z \u003d b - a. Každému celému číslu z přiřaďte odpovídající pár ... Nevýhodou této korespondence je její nejednoznačnost. Zejména číslo 2 odpovídá dvojici<3, 1 >a pár<4, 2>stejně jako mnoho dalších. Číslo 0 také odpovídá dvojici<1, 1>a pár<2,2>a pár<3, 3>, atd. Koncept pomáhá tomuto problému předcházet ekvivalence párů... Řekněme, že pár ekvivalentní pár pokud a + d \u003d b + c (notace: @ ).

Uvedený vztah je reflexivní, symetrický a tranzitivní (čtenáři je poskytnut důkaz).

Jako každý vztah ekvivalence, i tento vztah generuje rozdělení množiny všech možných párů přirozených čísel do tříd ekvivalence, které budeme označovat jako [ ] (každá třída se skládá ze všech párů odpovídajících páru ). Nyní je možné přiřadit každé celé číslo k dobře definované třídě ekvivalentních párů přirozených čísel. Mnoho takových tříd dvojic přirozených čísel lze použít jako model celých čísel. Dokažme, že všechny axiomy prstence v tomto modelu platí. K tomu je nutné zavést pojmy sčítání a násobení tříd dvojic. Udělejme to podle následujících pravidel:

1) [] + [] = [];

2) [] × [ ] = [].

Ukažme, že zavedené definice jsou správné, to znamená, že nezávisí na výběru konkrétních zástupců z tříd dvojic. Jinými slovy, pokud jsou páry rovnocenné @ a @ , pak odpovídající částky a produkty @ jakož i @ .

Důkaz: Použijte definici ekvivalence párů:

@ ó а + b 1 \u003d b + a 1 (1),

@ ó c + d 1 \u003d d + c 1 (2).

Přidáním rovnosti (1) a (2) po jednotlivých bodech dostaneme:

a + b 1 + c + d 1 \u003d b + a 1 + d + c 1.

Všechny výrazy v poslední rovnosti jsou přirozená čísla, takže máme právo použít komutativní a asociativní zákony sčítání, což nás vede k rovnosti

(a + c) + (b 1 + d 1) \u003d (b + d) + (a 1 + c 1),

což je ekvivalentní podmínce @ .

Abychom dokázali správnost násobení, vynásobíme rovnost (1) c, dostaneme:

ac + b 1 c \u003d bc + a 1 c.

Potom přepíšeme rovnost (1) jako b + a 1 \u003d a + b 1 a vynásobíme d:

bd + a 1 d \u003d reklama + b 1 d.

Přidejme výsledné rovnosti po jednotlivých úsecích:

ac + bd + a 1 d + b 1 c \u003d bc + ad + b 1 d + a 1 c,

což znamená, že @ (jinými slovy, tady jsme to dokázali × @ ).

Pak uděláme stejný postup s rovností (2), pouze to vynásobíme 1 a b 1. Dostaneme:

a 1 c + a 1 d 1 \u003d a 1 d + a 1 c 1

b 1 d + b 1 c 1 \u003d b 1 c + b 1 d 1,

a 1 c + b 1 d + b 1 c 1 + a 1 d 1 \u003d a 1 d + b 1 d + b 1 c 1 + a 1 c 1 ó

ó @

(tady jsme to dokázali × @ ). Pomocí vlastnosti tranzitivity relace ekvivalence pro páry jsme dospěli k požadované rovnosti @ odpovídá podmínce

× @ .

Je tedy prokázána správnost zavedených definic.

Dále jsou přímo kontrolovány všechny vlastnosti prstenů: asociativní zákon sčítání a násobení pro třídy párů, komutativní zákon sčítání a distributivní zákony. Uveďme jako příklad důkaz asociativního zákona sčítání:

+ ( +) = + = .

Protože všechny komponenty párů jsou přirozená čísla

= <(a + c) +m), (b + d) +n)> =

= <(a + c), (b + d)> + = ( + ) +.

Zbytek zákonů se kontroluje podobným způsobem (užitečným trikem může být samostatná transformace levé a pravé strany požadované rovnosti na stejnou formu).

Je také nutné prokázat přítomnost neutrálního doplňkového prvku. Může to být třída dvojic formuláře [<с, с>]. Opravdu,

[] + [] = [] @ [], tak jako

a + c + b \u003d b + c + a (platí pro libovolná přirozená čísla).

Navíc pro každou třídu párů [ ] existuje opak. Tato třída bude třídou [ ]. Opravdu,

[] + [] = [] = [] @ [].

Lze také dokázat, že zavedená množina tříd dvojic je komutativní prsten s jednotou (třída dvojic [ ]) a že pro jejich obrázky v tomto modelu jsou zachovány všechny podmínky pro definice operací sčítání a násobení pro přirozená čísla. Zejména je rozumné zavést následující prvek pro přirozený pár podle pravidla:

[] / = [].

Zkontrolujme pomocí tohoto pravidla platnost podmínek C1 a C2 (z definice sčítání přirozených čísel). Podmínka C1 (a + 1 \u003d a /) bude v tomto případě přepsána jako:

[] + [] =[] / = []. Opravdu,

[] + [] = [] = [], tak jako

a + c / + b \u003d a + b + 1 + c \u003d b + c + a +1 \u003d b + c + a /

(opět si připomínáme, že všechny komponenty jsou přirozené).

Podmínka C2 bude vypadat takto:

[] + [] / = ([] + []) / .

Transformujeme odděleně levou a pravou stranu této rovnosti:

[] + [] / = [] + [] = [] / .

([] + []) / = [] / =[<(a + c) / , b + d>] =[].

Vidíme tedy, že levá a pravá strana jsou si rovny, což znamená, že podmínka C2 je pravdivá. Čtečce je poskytnut důkaz o stavu U1. podmínka Y2 je důsledkem distributivního zákona.

Byl tedy sestaven model prstence celých čísel, a proto je axiomatická teorie celých čísel konzistentní, pokud je konzistentní axiomatická teorie přirozených čísel.

Vlastnosti operace celého čísla:

2) a × (–b) \u003d –a × b \u003d - (ab)

3) - (- a) \u003d a

4) (–a) × (–b) \u003d ab

5) a × (–1) \u003d - a

6) a - b \u003d - b + a \u003d - (b - a)

7) - a - b \u003d - (a + b)

8) (a - b) × c \u003d ac - bc

9) (a - b) - c \u003d a - (b + c)

10) a - (b - c) \u003d a - b + c.

Důkazy všech vlastností opakují důkazy odpovídajících vlastností prstenů.

1) a + a × 0 \u003d a × 1 + a × 0 \u003d a × (1 + 0) \u003d a × 1 \u003d a, tj. A × 0 je neutrální sčítací prvek.

2) a × (–b) + ab \u003d a (–b + b) \u003d a × 0 \u003d 0, tj. Prvek a × (–b) je naproti prvku a × b.

3) (- a) + a \u003d 0 (podle definice opačného prvku). Podobně (- a) + (- (- a)) \u003d 0. Rovnicí levé strany rovnosti a použitím zákona o zrušení dostaneme - (- a) \u003d a.

4) (–a) × (–b) \u003d - (a × (–b)) \u003d - (- (a × b)) \u003d ab.

5) a × (–1) + a \u003d a × (–1) + a × 1 \u003d a × (–1 + 1) \u003d a × 0 \u003d 0

a × (–1) + a \u003d 0

a × (–1) \u003d –а.

6) Podle definice je rozdíl a - b číslo x takové, že a \u003d x + b. Přidáním levé a pravé strany rovnosti –b vlevo a pomocí komutativního zákona získáme první rovnost.

- b + a + b - a \u003d –b + b + a - a \u003d 0 + 0 \u003d 0, což dokazuje druhou rovnost.

7) - a - b \u003d - 1 × a - 1 × b \u003d –1 × (a + b) \u003d - (a + b).

8) (a - b) × c \u003d (a + (- 1) × b) × c \u003d ac + (- 1) × bc \u003d ac - bc

9) (a - b) - c \u003d x,

a - b \u003d x + c,

a - (b + c) \u003d x, to znamená

(a - b) - c \u003d a - (b + c).

10) a - (b - c) \u003d a + (- 1) × (b - c) \u003d a + (- 1 × b) + (–1) × (- c) \u003d a - 1 × b + 1 × c \u003d \u003d a - b + c.

Svépomocné úkoly

Č. 2.1. V pravém sloupci tabulky vyhledejte páry ekvivalentní těm, které jsou uvedeny v levém sloupci tabulky.

A)<7, 5> 1) <5, 7>
b)<2, 3> 2) <1, 10>
v)<10, 10> 3) <5, 4>
d)<6, 2> 4) <15, 5>
5) <1, 5>
6) <9, 9>

U každého páru uveďte jeho opak.

Č. 2.2. Vypočítat

a) [<1, 5>] + [ <3, 2>]; b) [<3, 8>] + [<4, 7>];

v) [<7, 4>] – [<8, 3>]; d) [<1, 5>] – [ <3, 2>];

e) [<1, 5>] × [ <2, 2>]; f) [<2, 10>]× [<10, 2>].

Č. 2.3. U modelu celých čísel popsaného v této části zkontrolujte komutativní zákon sčítání, asociativní a komutativní zákony násobení a distributivní zákony.

Definice:

Součet a součin celých čísel p-adic určených sekvencemi a nazývají se celá čísla p-adic určená sekvencemi, resp.

Abychom si byli jisti správností této definice, musíme dokázat, že posloupnosti a definovat některá celá čísla - adická čísla a že tato čísla závisí pouze na, a ne na výběru definujících posloupností. Obě tyto vlastnosti jsou prokázány zřejmým ověřením.

Je zřejmé, že vzhledem k definici akcí na celá čísla - adická čísla tvoří komunikační kruh obsahující kruh racionálních celých čísel jako podřetězce.

Dělitelnost celých čísel - adická čísla se určuje stejným způsobem jako v jakémkoli jiném kruhu: pokud existuje celé číslo - adické číslo takové, že

Pro studium vlastností dělení je důležité vědět, jaká jsou celá čísla - adická čísla, pro která existují inverzní celá čísla - adická čísla. Taková čísla se nazývají dělitele nebo jedničky. Budeme jim říkat - adické jednotky.

Věta 1:

Celé číslo je adické číslo definované posloupností právě tehdy, když je jednotkou kdy.

Důkaz:

Let je jednotka, pak existuje celé číslo - adické číslo takové, že. Pokud je definována posloupností, pak to podmínka znamená. Zejména, a tedy, naopak, ať to snadno vyplývá z podmínky, že tak, že. Proto pro libovolné n lze najít takové, že srovnání je platné. Od té doby. To znamená, že posloupnost definuje celé číslo - adické číslo. Srovnání ukazují, že tj. což je jednotka.

Z prokázané věty vyplývá, že racionální celé číslo. Považováno za prvek prstenu právě tehdy, když je jednotkou kdy. Pokud je tato podmínka splněna, je obsažena v. To znamená, že každé racionální celé číslo b je dělitelné takovým in, tj. že jakékoli racionální číslo ve tvaru b / a, kde a a b jsou celá čísla a je obsaženo v Racionálních číslech tohoto tvaru, se nazývá -integer. Zjevným způsobem tvoří prsten. Výsledek, který jsme získali, lze nyní formulovat následovně:

Důsledek:

Kruh celých čísel adic obsahuje podřetězec isomorfní k kruhu racionálních celých čísel.

Zlomková čísla p-adic

Definice:

Zlomek tvaru, k\u003e \u003d 0 definuje zlomkové p -adické číslo nebo jen p -adické číslo. Dvě zlomky a definují stejné p -adické číslo, pokud je v.

Shromáždění všech p -adických čísel označuje p. Je snadné ověřit, že operace sčítání a násobení pokračují od p do p a přemění p na pole.

2.9. Teorém. Jakékoli p -adické číslo je ve formuláři jedinečně zastoupeno

kde m je celé číslo a je jednotkou kruhu p.

2.10. Teorém. Jakékoli nenulové p -adické číslo je ve formuláři jedinečně znázorněno

Vlastnosti: Pole p-adic čísel obsahuje pole racionálních čísel. Není obtížné dokázat, že jakékoli p-adické celé číslo, nikoli násobek p, je v kruhu p reverzibilní a násobek p je jednoznačně zapsán ve formě, kde x není násobkem p, a proto je reverzibilní, ale. Proto může být jakýkoli nenulový prvek pole p zapsán ve formě, kde x není násobkem p, ale jakýkoli m; je-li m záporné, pak na základě reprezentace celých čísel p-adic jako posloupnosti číslic v systému čísel p-ary můžeme takové číslo p-adic napsat jako sekvenci, tj. formálně jej představovat jako zlomek p-adic s konečnou počet desetinných míst a případně nekonečný počet nenulových desetinných míst. Rozdělení takových čísel lze také provést podobně jako u „školního“ pravidla, ale počínaje nejnižšími, nikoli nejvyššími číslicemi čísla.

Def. Kruh K se nazývá kruh celých čísel, pokud je aditivní skupina kruhu K aditivní skupinou celých čísel a násobení v kruhu K je komutativní a pokračuje v násobení přirozených čísel (v systému N přirozených čísel).

T1.Nechat je aditivní skupina celých čísel, je v ní přirozené násobení a 1 je jednotka systému N přirozených čísel. Potom algebra Z \u003d je kruh celých čísel.

Doc. Ukažme, že algebra Z je komutativní kruh. Hypotézou, algebra - aditivní skupina prstenu - existuje abelianská skupina jako aditivní skupina celých čísel.

Nechť a, b, c jsou libovolné prvky množiny Z. Mohou být reprezentovány jako radost z přirozených čísel. Nechť (1) a \u003d m-n, b \u003d p-q, c \u003d r-s (m, n, p, q, r, sN).

Přirozené násobení v Z je definováno vzorcem (2) a * b \u003d (m-n) * (p-q) \u003d (mp + nq) - (mq + np).

Přirozené násobení je komutativní, protože b * a \u003d (p-q) * (m-n) \u003d (pm + qn) - (pn + qm) a sčítání a násobení přirozených čísel je komutativní.

Přirozené množení je asociativní. Ve skutečnosti na základě (1) a (2) máme:

a * (b * c) \u003d (mn) [(pq) (rs)] \u003d (mn) [(pr + qs) - (ps-qr)] \u003d (mpr + mqs + nps + nqr) - (mps + mqr + npr + nqs);

(a * b) * c \u003d [(mn) (pq)] (rs) \u003d [(mp + nq) - (mq + np)] (rs) \u003d (mpr + nqr + mqs + nps) - (mps + nqs + mqr + npr).

Proto kvůli komutativitě sčítání přirozených čísel platí a * (b * c) \u003d (a * b) * c.

Prvek 1 je neutrální vzhledem k přirozenému množení. Ve skutečnosti pro libovolné a z 2 máme a * 1 \u003d (m-n) (1-0) \u003d m * 1-n * 1 \u003d m-n \u003d a.

Proto algebra je komutativní monoid.

Def. Pokud pro celá čísla a a b existuje přirozené číslo k takové, že a + k \u003d b a k 0, pak řeknou, že „a je menší než nebo b“, a napíše a b právě tehdy, když b

T2. Nechť Z \u003d kruh celých čísel. Pak: 1) pro všechna celá čísla a a b je splněna jedna a pouze jedna ze tří podmínek: a

2) pro jakékoli celé číslo a je splněna jedna a pouze jedna ze tří podmínek: a<0, a=0, 0

3) postoj< монотонно относительно сложения, т.е. для любых целых a, bи c

a

4) postoj<монотонно относительно умножения, т.е. для любых целых a, bи с

pokud 0, pak stříd

T. na rozdělení se zbytkem. Nechť a je celé číslo a b nenulové přirozené číslo. Rozdělit číslo aab na zbytek znamená reprezentovat jej jako a \u003d bq + r, kde 0 r

Rozdělení se zbytkem je vždy možné a neúplný kvocient a zbytek jsou jednoznačně určeny dividendou a dělitelem.

T. Pro všechna celá čísla a, b pro b\u003e 0 existuje jedinečná dvojice celých čísel q a r splňující podmínky: (1) a \u003d bq + r a 0 r

Doc. Dokážme, že existuje alespoň jeden pár čísel q, r splňující podmínky (1). Nejprve zvažte případ, kdy a je přirozené číslo. Opravte ba dokázejte indukcí na a, že (2) existuje dvojice celých čísel q, r splňující (1).

Pro a \u003d 0 platí prohlášení (2), protože 0 \u003d b * 0 + 0. Předpokládejme, že (2) platí pro a \u003d n, tj. existují celá čísla q, r taková, že (3) n \u003d bq + r a 0 r

Největší společný dělitel. Celé číslo c se nazývá společný dělitel celých čísel a 1,…, a n, pokud existuje dělitel každého z těchto čísel.

Def. Největší společný dělitel celých čísel a 1,…, a n je jejich společný dělitel, který je dělitelný jakýmkoli společným dělitelem těchto čísel.

Celá čísla 1,…, a n se nazývají coprime, pokud se jejich největší společný dělitel rovná jedné.

GCD čísel a 1, ..., a n je označeno gcd (a 1, ..., a n), pozitivní gcd těchto čísel je označeno uzlem (a 1, ..., a n).

Další 1. Pokud d je GCD celých čísel a 1,…, a n, pak se množina všech běžných dělitelů těchto čísel shoduje se sadou všech dělitelů d.

Další 2. Jakákoli dvě GCD celých čísel a 1, ..., a n jsou přidružena, tj. se mohou lišit pouze znakem. Pokud d je GCD čísel a 1, ..., a n, pak číslo (-d) je také GCD těchto čísel.

Euklidův algoritmus. Způsob, jak najít gcd dvou celých čísel.

Věta. Nechť a a b jsou dvě celá čísla, b ≠ 0 a (1) a \u003d bq + r (0 r<|b|).

Pak uzel (a, b) \u003d uzel (b, r).

Doc. Z (1) vyplývá, že jakýkoli společný dělitel čísel a a b je dělitelem čísla r \u003d a-bq a jakýkoli společný dělitel čísel b a r je dělitelem čísla a. Proto se množina všech běžných dělitelů čísel aab shoduje se množinou všech běžných dělitelů čísel b a r. Z toho vyplývá, že kladný společný dělitel čísel a a b se shoduje s kladným společným dělitelem čísel b a r, tj. uzel (a, b) \u003d uzel (b, r).



Pokud b | a, kde b≥1, pak zjevně uzel (a, b) \u003d b. Chcete-li najít uzly dvou celých čísel, použijte metodu „sekvenčního dělení“, která se nazývá euklidovský algoritmus. Podstata této metody spočívá v tom, že na základě výše uvedeného návrhu se problém hledání uzlů čísel a a b redukuje na jednodušší problém hledání uzlů čísel b a r, kde 0≤r<|b|. Если r=0, то нод(a,b)=b. Если же r≠0, то рассуждения повторяем, отправляясь от bи r. В результате получим цепочку равенств.

Pokud a \u003d 0, pak b \u003d 0 * c \u003d 0 a věta je pravdivá. Pokud a ≠ 0, pak z (1) vyplývá cd \u003d 1. Z věty vyplývá z rovnosti cd \u003d 1, že d \u003d 1. Navíc, a \u003d bd; tedy a \u003d b. Osvědčený.

Nejmenší společný násobek. Celé číslo se nazývá společný násobek celých čísel a 1, ..., a n, pokud je dělitelné každým z těchto čísel.

Def. Nejmenší společný násobek celých čísel a 1,…, a n je jejich společný násobek, který rozděluje jakýkoli společný násobek těchto čísel. Obecně: LCM (a 1, ..., a n). Kladný nejmenší společný násobek čísel a 1,…, a n, jiný než nula, prošel.

Sl-e. Jakákoli dvě nejméně běžná vícenásobná celá čísla a 1,…, a n jsou spojena v Z, tj. se mohou lišit pouze znakem. Pokud je číslo m LCM (a 1, ..., a n), pak číslo (-m) je LCM (a 1, ..., a n).

Sl-e. Pokud je m nejmenší společný násobek čísel a 1,…, a n, pak se množina všech běžných násobků těchto čísel shoduje se množinou všech násobků m.

Příklady

a + b já (\\ Displaystyle a + bi) Kde a (\\ Displaystyle a) a b (\\ Displaystyle b) racionální čísla, já (\\ Displaystyle i) je imaginární jednotka. Takové výrazy lze přidávat a vynásobit podle obvyklých pravidel operací se složitými čísly a každý nenulový prvek má inverzní funkci, jak je vidět z rovnosti (a + bi) (aa 2 + b 2 - ba 2 + b 2 i) \u003d (a + bi) (a - bi) a 2 + b 2 \u003d 1. (\\ Displaystyle (a + bi) \\ vlevo (( \\ frac (a) (a ^ (2) + b ^ (2))) - (\\ frac (b) (a ^ (2) + b ^ (2))) i \\ right) \u003d (\\ frac (( a + bi) (a-bi)) (a ^ (2) + b ^ (2))) \u003d 1.) To znamená, že racionální Gaussova čísla tvoří pole, které je přes dvourozměrný prostor (tj. Kvadratické pole).
  • Obecněji pro jakékoli celé číslo bez čtverce d (\\ Displaystyle d) Q (d) (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q) ((\\ sqrt (d)))) bude rozšíření kvadratického pole Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)).
  • Kruhové pole Q (ζ n) (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q) (\\ zeta _ (n))) získá se přidáním do Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)) primitivní kořen nth stupeň jednoho. Pole musí také obsahovat všechny jeho stupně (tj. Všechny kořeny) n-tý stupeň jednoty), její rozměr přes Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)) se rovná Eulerově funkci φ (n) (\\ Displaystyle \\ varphi (n)).
  • Reálná a komplexní čísla mají nekonečný stupeň nad racionálními čísly, nejde tedy o numerická pole. To vyplývá z nespočtu: jakékoli numerické pole je počítatelné.
  • Pole všech algebraických čísel A (\\ Displaystyle \\ mathbb (A)) není číselné. Ačkoli expanze A ⊃ Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (A) \\ supset \\ mathbb (Q)) algebraické, není to konečné.

Pole čísel v kruhu celých čísel

Protože číselné pole je algebraickým rozšířením pole Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)), kterýkoli z jeho prvků je kořenem nějakého polynomu s racionálními koeficienty (to znamená, že je algebraický). Kromě toho je každý prvek kořenem polynomu s celočíselnými koeficienty, protože všechny racionální koeficienty lze vynásobit součinem jmenovatelů. Pokud je daný prvek kořenem nějakého jednotného polynomu s celočíselnými koeficienty, nazývá se celočíselný prvek (nebo algebraické celé číslo). Ne všechny prvky číselného pole jsou celé číslo: je například snadné ukázat, že jediné celočíselné prvky Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)) jsou obyčejná celá čísla.

Lze dokázat, že součet a součin dvou algebraických celých čísel je opět algebraické celé číslo, takže celočíselné prvky tvoří podřetězec číselného pole K (\\ Displaystyle K)volala kruh celých čísel pole K (\\ Displaystyle K) a označil. Pole neobsahuje nulové dělitele a tato vlastnost se zdědí při přechodu na podřetězec, proto je celé číslo celé; pole soukromého kruhu O K (\\ Displaystyle (\\ mathcal (O)) _ (K)) je samotné pole K (\\ Displaystyle K)... Kruh celých čísel libovolného číselného pole má následující tři vlastnosti: je integrálně uzavřený, noetherovský a jednorozměrný. Komutativní prsten s takovými vlastnostmi se nazývá Dedekindův prsten na počest Richarda Dedekinda.

Rozklad na prvočíslo a skupinu tříd

Libovolný prsten Dedekindu také obsahuje jedinečný rozklad nenulových ideálů na produkt prvočísel. Ne každý kruh celých čísel však splňuje vlastnost faktoriálnosti: již pro kruh celých čísel kvadratického pole OQ (- 5) \u003d Z [- 5] (\\ Displaystyle (\\ mathcal (O)) _ (\\ mathbb (Q) ((\\ sqrt (-5)))) \u003d \\ mathbb (Z) [(\\ sqrt ( -5))]) rozklad není jedinečný:

6 \u003d 2 ⋅ 3 \u003d (1 + - 5) (1 - - 5) (\\ Displaystyle 6 \u003d 2 \\ cdot 3 \u003d (1 + (\\ sqrt (-5))) (1 - (\\ sqrt (-5) )))

Zavedením normy na tomto kruhu lze ukázat, že tyto expanze jsou opravdu odlišné, to znamená, že nelze získat od druhé násobením invertibilním prvkem.

Stupeň narušení faktoriální vlastnosti se měří pomocí skupiny ideálních tříd; tato skupina pro kruh celých čísel je vždy konečná a její pořadí se nazývá počet tříd.

Číselné základny polí

Celý základ

Celý základ číselné pole F stupeň n je hodně

B = {b 1 , …, b n}

z n prvky kruhu celočíselných polí Ftakový, že jakýkoli prvek kruhu celých čísel O F pole F lze zapsat jediným způsobem jako Z-lineární kombinace prvků B; to znamená pro všechny x z O F existuje pouze jeden rozklad

x = m 1 b 1 + … + m n b n,

kde m i jsou obyčejná celá čísla. V tomto případě libovolný prvek F lze psát jako

m 1 b 1 + … + m n b n,

kde m i jsou racionální čísla. Po tom celé prvky F se vyznačují vlastností, že se jedná přesně o prvky, pro které všechny m i Celý.

Pomocí nástrojů, jako je lokalizace a Frobeniova endomorfismus, lze vytvořit takový základ pro jakékoli pole čísel. Jeho konstrukce je integrovanou funkcí v mnoha systémech počítačové algebry.

Silový základ

Nechat F - číselné silové pole n... Mezi všemi možnými základnami F (tak jako Q-vector space), existují energetické základny, tj. základny formy

B x = {1, x, x 2 , …, x n−1 }

pro některé xF... Podle věty o primitivním prvku, např x vždy existuje, nazývá se to primitivní prvek toto rozšíření.

Hodnotit a sledovat

Algebraické číselné pole je konečný trojrozměrný vektorový prostor Q (\\ Displaystyle \\ mathbb (Q)) (jeho rozměr označíme n (\\ Displaystyle n)) a násobení libovolným prvkem pole je lineární transformací tohoto prostoru. Nechat e 1, e 2,… e n (\\ Displaystyle e_ (1), e_ (2), \\ ldots e_ (n)) - nějaký základ F, pak transformace x ↦ α x (\\ Displaystyle x \\ mapsto \\ alpha x) odpovídá matici A \u003d (a já j) (\\ Displaystyle A \u003d (a_ (ij)))definováno podmínkou

α e i \u003d ∑ j \u003d 1 n a i j e j, a i j ∈ Q. (\\ Displaystyle \\ alpha e_ (i) \u003d \\ součet _ (j \u003d 1) ^ (n) a_ (ij) e_ (j), \\ quad a_ (ij) \\ v \\ mathbf (Q).)

Prvky této matice závisí na volbě základny, ale všechny maticové invarianty, jako je determinant a stopa, na ní nezávisí. V kontextu algebraických rozšíření se nazývá determinant matice násobení prvků normou tohoto prvku (označeno N (X) (\\ Displaystyle N (x))); stopa matice - další prvek (označeno Tr (X) (\\ Displaystyle (\\ text (Tr)) (x))).

Stopa prvku je lineární funkční F:

Tr (X + y) \u003d Tr (x) + Tr (y) (\\ Displaystyle (\\ textu (Tr)) (x + y) \u003d (\\ textu (Tr)) (x) + (\\ textu (Tr)) (y)) a Tr (λ X) \u003d λ Tr (x), λ ∈ Q (\\ Displaystyle (\\ textu (Tr)) (\\ lambda x) \u003d \\ lambda (\\ textu (Tr)) (x), \\ lambda \\ v \\ mathbb (Q)).

Norma je multiplikativní a homogenní funkce:

N (x y) \u003d N (x) ⋅ N (y) (\\ Displaystyle N (xy) \u003d N (x) \\ cdot N (y)) a N (λ X) \u003d λ n N (x), λ ∈ Q (\\ Displaystyle N (\\ lambda x) \u003d \\ lambda ^ (n) N (x), \\ lambda \\ v \\ mathbb (Q)).

Jako počáteční základ můžete zvolit celočíselný základ, násobení celočíselným algebraickým číslem (tj. Prvkem kruhu celých čísel) v tomto základu bude odpovídat matici s celočíselnými prvky. V důsledku toho jsou stopa a norma jakéhokoli prvku kruhu celých čísel celá čísla.

Příklad použití normy

Nechat d (\\ Displaystyle d) - je celočíselný prvek, protože je kořenem redukovaného polynomu X 2 - d (\\ Displaystyle x ^ (2) -d)). Na tomto základě vynásobení a + b d (\\ Displaystyle a + b (\\ sqrt (d))) odpovídá matici

(a d b b a) (\\ Displaystyle (\\ begin (pmatrix) a & db \\\\ b & a \\ end (pmatrix)))

Proto, N (a + b d) \u003d a 2 - d b 2 (\\ Displaystyle N (a + b (\\ sqrt (d))) \u003d a ^ (2) -db ^ (2))... Tato norma přebírá celočíselné hodnoty na prvcích kruhu. Normou je homomorfismus multiplikativní skupiny Z [d] (\\ Displaystyle \\ mathbb (Z) [(\\ sqrt (d))]) na multiplikativní skupinu Z (\\ Displaystyle \\ mathbb (Z)), proto se norma vratných prvků prstence může rovnat pouze 1 (\\ Displaystyle 1) nebo - 1 (\\ Displaystyle -1)... Vyřešit Pellovu rovnici a 2 - d b 2 \u003d 1 (\\ Displaystyle a ^ (2) -db ^ (2) \u003d 1), stačí najít všechny invertibilní prvky kruhu celých čísel (nazývaných také vyzváněcí jednotky) a vyberte z nich ty, kteří mají normu 1 (\\ Displaystyle 1)... Podle věty o Dirichletových jednotkách jsou všechny invertibilní prvky daného kruhu mocninami jednoho prvku (až do násobení - 1 (\\ Displaystyle -1)), proto k nalezení všech řešení Pellovy rovnice stačí najít jedno základní řešení.

viz také

Literatura

  • H. Koch. Algebraická teorie čísel. - M .: VINITI, 1990. - T. 62. - 301 s. - (Výsledky vědy a techniky. Řada "Moderní problémy matematiky. Základní směry".).
  • Chebotarev N.G. Základy Galoisovy teorie. Část 2. - M .: Redakční URSS, 2004.
  • Weil G. Algebraická teorie čísel. Za. z angličtiny .. - M .: Editorial URSS, 2011.
  • Serge lang, Algebraic Number Theory, druhé vydání, Springer, 2000

Federální agentura pro vzdělávání

Státní vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání

Státní humanitární univerzita Vyatka

Matematická fakulta

Katedra matematické analýzy a metodiky
výuka matematiky

Závěrečná kvalifikační práce

na téma: Kruh Gaussových celých čísel.

Dokončeno:

student 5. ročníku

matematická fakulta

V.V. Gnusov

___________________________

Dozorce:

odborný asistent katedry

algebra a geometrie

Semenov A.N ..

___________________________

Recenzent:

kandidát fyz.-matematika Vědy, docent

katedra algebry a geometrie

Kovyazina E.M.

___________________________

Přiznal se k ochraně ve Státním leteckém výboru

Hlava Oddělení ________________ Vechtomov E.M.

« »________________

Děkan fakulty ___________________ V.I. Varankina


Úvod.

Kruh komplexních celých čísel

byl objeven Karlem Gaussem a pojmenován po něm Gaussian.

K. Gauss přišel k myšlence možnosti a nutnosti rozšíření konceptu celého čísla v souvislosti s hledáním algoritmů pro řešení srovnání druhého stupně. Koncept celého čísla přenesl do čísel formuláře

, kde jsou libovolná celá čísla a - je kořen rovnice. Na této množině K. Gauss jako první zkonstruoval teorii dělitelnosti, podobnou teorii dělitelnosti celých čísel. Zdůvodnil platnost základních vlastností dělitelnosti; ukázal, že v kruhu komplexních čísel existují pouze čtyři reverzibilní prvky :; prokázal platnost věty o dělení se zbytkem, věta o jedinečnosti rozkladu na primární faktory; ukázal, která prvočísla přirozená čísla zůstávají prvkem v kruhu; zjistil podstatu jednoduchých celých komplexních čísel.

Teorie vyvinutá K. Gaussem a popsaná v jeho práci „Arithmetic Investigations“ byla základním objevem pro teorii čísel a algebry.

V závěrečné práci byly stanoveny následující cíle:

1. Rozvíjet teorii dělitelnosti v kruhu Gaussových čísel.

2. Zjistěte podstatu jednoduchých Gaussových čísel.

3. Ukažte použití Gaussových čísel při řešení běžných diofantických problémů.

KAPITOLA 1. ROZDĚLITELNOST V RUCE POČTŮ POČET GUSŮ

Zvažte sadu komplexních čísel. Analogicky se sadou reálných čísel lze v ní rozlišit určitou podmnožinu celých čísel. Sada čísel formuláře

kde se bude nazývat celá komplexní čísla nebo Gaussova čísla. Je snadné zkontrolovat, zda prstencové axiomy pro tuto sadu drží. Tato sada komplexních čísel je tedy prsten a je volána kruh Gaussových celých čísel ... Pojďme to označit jako, protože se jedná o rozšíření prstenu o prvek :.

Protože prstenec gaussovských čísel je podmnožinou komplexních čísel, jsou pro něj platné některé definice a vlastnosti komplexních čísel. Například každé gaussovské číslo

odpovídá vektoru začínajícímu v bodě a končícím v. Proto, modul existuje Gaussovo číslo. Všimněte si, že v uvažované sadě je submodulární výraz vždy nezáporné celé číslo. Proto je v některých případech jeho použití pohodlnější normou , tj. čtverec modulu. Takto . Lze rozlišit následující vlastnosti normy. Pro libovolná Gaussova čísla platí: (1) (2) (3) (4) (5) - množina přirozených čísel, tj. Kladná celá čísla.

Platnost těchto vlastností se triviálně kontroluje pomocí modulu. Mimochodem si všimneme, že (2), (3), (5) platí také pro všechna komplexní čísla.

Kruh Gaussových čísel je komutativní kruh bez dělitelů 0, protože se jedná o podřetězec pole komplexních čísel. Sleduje tedy multiplikativní kontraktilitu prstenu

, to je (6)

1.1 Reverzibilní a slititelné prvky.

Podívejme se, která Gaussova čísla jsou reverzibilní. Násobení neutrální je

... Pokud je Gaussovo číslo reverzibilně , pak, podle definice, tam je takový to. Při splnění norem, podle vlastnosti 3, dostaneme. Ale tyto normy jsou proto přirozené. Proto, podle nemovitosti 4 ,. Naopak, všechny prvky dané množiny jsou od té doby reverzibilní. Proto budou čísla s normou rovnou jedné reverzibilní, tj.

Jak vidíte, ne všechna Gaussova čísla budou reverzibilní. Je proto zajímavé zvážit otázku dělitelnosti. Jako obvykle to říkáme

akcie zapnuto, pokud takové existuje. Vlastnosti jsou platné pro jakákoli gaussiánská čísla i pro invertibilní čísla. (7) (8) (9) (10), kde (11) (12)

(8), (9), (11), (12) jsou snadno ověřitelné. Platnost (7) vyplývá z (2) a (10) vyplývá z (6). Na základě vlastnosti (9) jsou prvky množiny