תורת המספרים ־ הרצאה 3
Transcription
תורת המספרים ־ הרצאה 3
תורת המספרים ־ הרצאה 3 14בנובמבר 2011 תזכורת 1 בשיעורים שעברו דיברנו על על חוגים ותכונותיהם .בפרט דיברנו על: .1תחום שלמות :אם מכפלה של 2איברים שווה ל ,0אז אחד מהם הוא .0 .2תחום ראשי :כל אידיאל נוצר ע"י איבר יחיד. .3תחום אוקלידי :אם קיימת לו פונקצית "דרגה" שדרכה מגדירים חלוקה עם שארית. והוכחנו מספר משפטים ותכונות מעניינים: .1תחום אוקלידי הוא תחום ראשי. .2בתחום ראשי איבר הוא אי־פריק אמ"מ הוא ראשוני. .3בתחום ראשי a 6= 0הוא מכפלה של א"פ ,ולכן גם מכפלה של ראשוניים. .4מהנ"ל הסקנו בעזרת מספר למות שתחום ראשי הוא תחום פח"ע ־ פריקות חד ערכית .כלומר כל איבר ניתן להציג כמכפלה של ראשוניים ־ ולייתר דיוק ,מכפלה של מחלקות שקילות של ראשוניים לפי יחס ידידות ־ באופן יחיד. 1.1 עוד דוגמאות לתחומים אוקלידיים ותחומים לא אוקלידיים סיימנו את השיעור כשהראינו ש ] Z[iהוא תחום אוקלידי ולכן ראשי ולכן יש בו פח"ע. Z[ω] 1.1.1הוא תחום אוקלידי √ נסתכל על המשוואה ,x3 = 1וניקח את שורש היחידה שפותר אותה .ω = −1+2 −3 ,קל לראות ש ] Z[ωסגור לחיבור .נשים לב ש־ ,1 + ω + ω 2 = 0וגם ω = ω 2 , ω = ω 2ולכן סגור להצמדה .הוא גם סגור לכפל: (a + bω)(c + dω) = ac + (ad + bc)ω + bdω 2 = (ac − bd) + (ad + bc − bd)ω 1 כאשר השוויון האחרון נובע מהמשוואה הראשונה הנ"ל .לכן הוא סגור גם לכפל .מאידך הוא תת־קבוצה של C ולכן תחום שלמות .נוכיח שהוא תחום אוקלידי .נגדיר λ(x) := xx = a2 − ab + b2 ∀x = a + bω וכעת יהיו ] .y 6= 0, x ∈ Z[ωנשים לב ש x xy = = r + sω y yy כאשר r, sרציונליים .זאת כוון ש ) yy = λ(yולכן הוא רציונלי כלשהו ע"פ הדרך שהגדרנו את .λכעת נפעל בדרך שכבר ראינו בשיעור שעבר ונבחר m, n ∈ Zכך שיתקיים .|r − m| ≤ 21 , |s − n| ≤ 21ואז נגדיר .z = m + nωנקבל x 1 1 1 λ( − z) = (r − m)2 − (r − m)(s − n) + (s − n)2 ≤ + + < 1 y 4 4 4 וכעת השארית שלנו היא ρ = x − yzואז או ש ρ = 0או x x )λ(ρ) = λ(y( − z)) = λ(y)λ( − z) < λ(y y y כאשר אנחנו משתמשים בכיפליות , λכתוצאה ישרה מאיך שהגדרנו אותה .לכן ] Z[ωתחום אוקלידי ,ולכן ראשי ,ולכן פח"ע. √ Z[ −5] 1.1.2אינו תחום אוקלידי √ √ √ נשים לב ש (1 + −5)(1 − −5) = 6ולכן 2למשל מחלק אותו .אבל 2לא מחלק את 1 + −5ולא את √ √ ,1 − −5ולכן איננו ראשוני .מאידך 2הוא א"פ :נשים לב ש Z[ −5] ⊂ Cונסתכל על הנורמה המושרית על √ ] .Z[ −5נניח בשלילה ש 2פריק .אזי xy = 2ולכן .|xy| = |x||y| = 2נקבל ש 1 < |x|, |y| < 2כי אחרת הם √ הפיכים .אבל יש מספר סופי של איברים המקיימים תכונה זו ב] ,Z[ −5ואחרי בדיקה קצרה ניתן לראות שאין √ כאלה אשר מכפלתם .2וברור ש 2לא הפיך ,ולכן א"פ .אבל אם ] Z[ −5היה אוקלידי ,אז הוא היה ראשי ואז √ כל א"פ היה ראשוני ,ולכן ] Z[ −5איננו אוקלידי. 1.1.3 אינסופיות ראשוניים ב Zוב]F[x משפט 1.1בחוג Zיש אינסוף ראשוניים הוכחה :ההפיכים היחידים שלנו הם 1, −1ולכן מספיק להסתכל רק על הראשוניים החיוביים .נניח בשלילה שיש מספר סופי מהם ונסמן אותם בסדר עולה .p1 , ..., pnיהי .N = p1 · ... · pn + 1לכל ] i ∈ [nמתקיים pi - Nכי אחרת עבור tכלשהו pi (t − p1 · · · pi−1 pi · · · pn ) = 1בסתירה לכך ש piלא הפיך .אבל Zחוג אוקלידי ולכן ל Nיש פירוק לראשוניים ,ובפרט קיים ראשוני p 6= pi , p|Nלכל ] ,i ∈ [nבסתירה להנחה. הערה 1.2באותו אופן בדיוק ניתן להוכיח את המשפט עבור חוג הפולינומים מעל שדה כלשהו ] .F[xנשים לב שלחוג הזה קל להגדיר פונקציית λבעזרת דרגת הפולינום ולכן הוא אוקלידי וראשי .אם Fאינסופי ,אזי יש אינסוף פולינומים אי פריקים מהצורה x − aעבור a ∈ Fכלשהו ,והם כולם ראשוניים מכך שהחוג ראשי .אחרת השדה סופי ,ואז מוכיחים שיש אינסוף פולינומים מתוקנים ראשוניים ,בדיוק באופן שעשינו לעיל. 2 1.1.4 קיים תחום שלמות עם מספר סופי של ראשוניים ובפרט ,ניתן לבנות תחום שלמות עם ראשוני יחיד )עד כדי ידידות( .ניקח p ∈ Zראשוני ונגדיר }p - b a, b ∈ Z, a Zp = { : b אזי Zpהוא חוג כי בחיבור וכפל איברים ,למשל ab , dcממנו המכנה הוא מכפלה של המכנים .cdואז אם p|cd אז לפי הגדרה p|cאו p|dבסתירה לכך שהם איברים קבוצה שלנו .לכן קל לראות ש־ Zpהוא חוג ,ובפרט הוא תחום שלמות ab .הוא הפיך אם קיים dcכך ש־ . ab · dc = 1 ⇒ ac = bdכוון ש־ p - b, p - dו־ a|bdבהכרח p - aכי אחרת .p|bdמאידך קל לראות שאם p - a, p - bאז abהפיך בתחום הנ"ל. כעת נשים לב שניתן לכתוב כל a ∈ Zכ־ a = pt a0כך ש .p - a0לכן בהכרח כל מספר ראשוני בחוג הוא מהצורה paכאשר abהוא הפיך ,ולכן יש רק ראשוני יחיד. b שימושים לפח"ע בתורת המספרים ,ופונקציות אריתמטיות 2 הגדרה 2.1מספר n ∈ Zנקרא חופשי מריבועים ) (square freeאם לא קיים m 6= 1, −1כך ש־ .m2 |n למה 2.2לכל n ∈ Zקיימים a, b ∈ Zכך ש־ n = ab2ו־ aחופשי מריבועים. הוכחה :מפח"ע יהי .n = pa11 · · · pakkנסמן } ai = 2bi + ri , ri ∈ {0, 1ואז ניקח = b .pb11 · · · pbkk a = pr11 · · · prkk , מכאן נקבל הוכחה נוספת לכך שיש אינסוף ראשוניים ב .Zנניח שיש מספר סופי שלהם .p1 , ..., pkניקח N כלשהו ונסתכל על כל הטבעיים הקטנים ממנו .אם n ≤ Nאז לפי הלמה נוכל לכתוב אותו n = ab2כאשר a √ חופשי מריבועים ולכן הוא אחד מתוך 2kהמספרים שחזקת הראשוניים בהם היא 1או .0נשים לב ש־ .b ≤ N √ √ √ יש לכל היותר 2k Nמספרים טבעיים nכנ"ל שמספקים את 2התנאים הללו .לכן N ≤ 2k N ⇒ N ≤ 2k וזה כמובן לא נכון עבור Nמספיק גדול כלשהו .סתירה. כעת נגדיר מספר פונקציות טבעיות על המספרים השלמים. 2.0.5 פונקציות ν, σ הגדרה 2.3יהי nטבעי .נגדיר: ν(n) .1־ מספר המחלקים החיוביים של .nלמשל .ν(12) = 6 σ(n) .2־ סכום המחלקים החיוביים של .nלמשל .σ(3) = 4 כעת נשתמש בכך ש־ Zהוא תחום פח"ע ,ונוכיח: 3 משפט 2.4יהי n = pa11 · · · pakkהפירוק של nטבעי .אזי )ν(n) = (a1 + 1) · · · (ak + 1 pa11 +1 − 1 pak +1 − 1 ··· k p1 − 1 pk − 1 = )σ(n הוכחה :עבור הנוסחא הראשונה נשים לב ש m|nאמ"מ m = pb11 · · · pbkkכך ש .0 ≤ bi ≤ aiכמות המספרים הללו שווה בדיוק למספר הn־יות ) (b1 , ..., bkהמקיימות את התנאי הנ"ל ,וזה שווה בדיוק ל־) .v(nעבור ,σ נשתמש בנוסחא לסכום של סדרה הנדסית pa11 +1 − 1 pkak +1 − 1 = ··· p1 − 1 pk − 1 ak X b1 ) pbkk ( ( · · · ) p1 bk =0 b1 =0 a1 X = · · · pbkk pb11 X = )σ(n 0≤bi ≤ai הערה 2.5נשים לב ש־ σ, νהן כפליות עבור מספרים זרים .כלומר אם gcd(a, b) = 1אז ).σ(ab) = σ(a)σ(b 2.0.6 מספרים מושלמים ומספרי מרסן ישנה בעייה פתוחה ומעניינת שקשורה לפונקציה :σ הגדרה 2.6מספר טבעי nנקרא מושלם ) (perfectאם .σ(n) = 2n למשל 6 ,ו־ 28הם מספרים מושלמים .זו הגדרה "מתבקשת" שכן במקרה זה סכום כל המחלקים מלבד המספר עצמו ,שווה למספר .נשים לב שמהחלק השני של המשפט לעיל ,נובע שאם 2m+1 − 1הוא ראשוני ,אזי ) n = 2m (2m+1 − 1הוא מושלם: 2m+1 − 1 (2m+1 − 1)2 − 1 · m+1 2−1 2 −1−1 m+1 (2 )− 1 − 1)(2m+1 − 1 + 1 )= (2m+1 − 1 2m+1 − 1 − 1 = 2m+1 (2m+1 − 1) = 2n = )σ(n מאידך ,ניתן להראות שכל מושלם זוגי nהוא מהצורה הנ"ל .נכתוב את nכך n = 2k−1 m :כאשר k ≥ 2ו־m הוא אי זוגי .לכן מכיפליות σעבור הזרים :m, 2k−1 )σ(n) = σ(2k−1 m) = σ(2k−1 )σ(m = (2k − 1)σ(m) = 2k m כלומר 2k −1|2k mוכוון ש gcd(2k , 2k −1) = 1נקבל לפי משפט שהוכחנו ש־ 2k −1|mונסמן .m = (2k −1)M נציב חזרה במשוואה לעיל ונצמצם ב־)(2k − 1 σ(m) = 2k M = m + M 4 כלומר mהוא ראשוני שכן כל מחלקים הם mו ,M = 1והוא מהצורה ,m = 2k − 1כשם שדרשנו. מספרים ראשוניים מהצורה הנ"ל נקראים מספרי מרסן ).(Mersenne הערה 2.7השאלה המקבילה עבור מספרים מושלמים כיפלית ,היא פשוטה .אם מכפלת המחלקים של nהיא n2אז לא ייתכן שהוא ראשוני ,או ריבוע של ראשוני .בפרט בהכרח קיים d|nהמקיים d 6= ndכאשר dראשוני. לכן nהוא או חזקה שלישית של ראשוני או מכפלה של 2ראשוניים .דוגמא למספר כזה היא .10 2.0.7 פונקציית מוביוס )(Mobius הגדרה 2.8פונקצית מוביוס ) µ : N → {0, 1מוגדרת באופן הבא על 1 µ(n) = 0 (−1)k n=1 n is not square free n = p1 · · · pk , dierent primes משפט 2.9אם n > 1אז µ(d) = 0 P d|n . הוכחה :נרשום ,n = pa11 · · · pakkואז X ) µ(pe11 · · · pekk = )µ(d (e1 ,...,ek )∈{0,1}k X d|n k = 1− + ... + (−1)k = (−1 + 1)k = 0 1 הגדרה 2.10תהיינה שתי פונקציות מהטבעיים למרוכבים .f, g : N → Cאזי מכפלת )קונבולוצית( דיריכלה ) (Dirichlet product/convolutionשל שתיהן מוגדר כ־ n ) (f (d)g d X = ) f (d1 )g(d2 d|n X d1 d2 = n d1 , d2 ∈ N מספר תכונות קלות לבדיקה: .1קומוטטיביותf ◦ g = g ◦ f : .2אסוציאטיביותf ◦ (g ◦ h) = (f ◦ g) ◦ h : 5 = )f ◦ g(n .3קיימת פונקצית זהות : N → Cהמוגדרת ∀n > 1 (n) = 0 ◦f =f ,(1) = 1,כך שמתקיים = ◦ f נגדיר פונקציה .∀n ∈ N I(n) := 1 למה .I ◦ µ = µ ◦ I = 2.11 הוכחה :עבור n = 1נקבל I(1)µ(1) = µ(1)I(1) = 1ועבור n > 1נקבל = )µ(d .0 משפט ) 2.12משפט ההיפוך של מוביוס( .תהי )f (n P d|n d|n = ) ,F (nאזי ) µ(d)F ( nd P = )µ◦I(n) = I ◦µ(n P d|n = ).f (n הוכחה: F = f ◦I ⇓ from associativity F ◦ µ = f ◦ (I ◦ µ) = f ◦ = f נשים לב שלא דרשנו שום דבר מיוחד מלבד קומוטטיביות עבור הטווח של ,F, fוהטענה בעצם מתקיימת לכל טווח שהוא חבורה אבלית )קומוטטיבית \ חיבורית(. 2.0.8 פונקציית אוילר כעת נגדיר פונקציה אריתמטית נוספת ,ונשפט במשפט ההיפוך של מוביוס כדי לתת לה נוסחא מפורשת. הגדרה ) 2.13פונקציית אוילר( .פונקצית אוילר היא φ : N → Nהמוגדרת כ φ(n) :הוא מספר הטבעיים בין 1 ל־ nהזרים ל.n למשל φ(1) = 1 φ(5) = 4 φ(6) = 2 φ(9) = 6 משפט φ(d) = n 2.14 d|n P הוכחה :נתבונן ב־ nהמספרים הרציונליים n−1 n 1 2 , , ..., , n n n n ונצמצם כל שבר עד שהמונה והמכנה זרים .כעת ,כל מכנה הוא מחלק של ,nולכל מחלק d|nיש בדיוק )φ(d שברים עם המכנה dכי אלו בדיוק השברים שלא ניתן לצמצם עוד .אבל סה"כ המספרים הוא בדיוק nוכל P מספר נספר ב־) φ(dשל d|nכלשהו .לכן נקבל . d|n φ(d) = n 6 משפט 2.15עבור n = pa11 · · · pakkמתקיים 1 1 1 ) )(1 − ) · · · (1 − p1 p2 pk הוכחהφ(d) : P d|n φ(n) = n(1 − = nולכן ממשפט ההיפוך של מוביוס k Xn X n n 1 1 1 =n− + ) − ... = n(1 − )(1 − ) · · · (1 − d p pp p1 p2 pk i=1 i i<j i j 3 הטור P1 p · )µ(d X = )φ(n d|n מתבדר בתחילת ההרצאה הוכחנו שיש מספר אינסופי של ראשוניים בטבעיים .כעת נוכיח טענה חזקה יותר ,שאומרת משהו על צפיפות הראשוניים. משפט 3.1הטור מעל כל הראשוניים ב,N 1 p p P מתבדר. הוכחה :יהיו ) p1 , ..., pk(nכל הראשוניים הקטנים מ־ .nנגדיר 1 pi נשים לב ש־ ∞P 1 ai =0 pai i = 1 −1 ) pi 1 1− )k(n Y = )λ(n i=1 .(1 −כוון שהטורים הללו מתכנסים ניתן לשנות סדר סכימה במכפלה ולקבל X (pa11 · · · pakk )−1 ) (a1 , ..., ak non negative k-tuples בפרט נקבל 1 1 + ... + 2 n λ(n) > 1 + 7 = )λ(n כלומר הוא חוסם את הטור ההרמוני מלמעלה ולכן ∞ → ) .λ(nנשים לב שזה כבר מוכיח שיש אינסוף ראשוניים .כעת log(1 − p−1 ) i k X − ))log(λ(n = i=1 )taylor series of log(1 − x −1 (mpm ) i k X ∞ X = i=1 m=1 ∞ k XX 1 1 −1 + ... + + (mpm ) i p1 pk i=1 m=2 = נשים לב −1 −1 p−m = p−2 ≤ 2p−2 i ) i (1 − pi i ∞ X −1 (mpm < ) i m=2 ∞ X m=2 ⇓ −1 −2 −2 log(λ(n)) < p−1 ) 1 + ... + pk + 2(p1 + ... + pk P1 P 1 מתכנסת ולכן בהכרח המחובר האחרון מתכנס .לכן אם נזכור ש היה מתכנס ,היה ) log λ(nחסום p n2 P1 M ע"י Mכלשהו ,אבל אז λ(n) < eבסתירה לכך שהוא שואף לאינסוף .לכן מתבדר. p 3.1 המקרה של ] F[xכאשר Fשדה סופי נניח שהשדה הוא בגודל .qבמקרה זה ,את תפקיד הראשוניים הטבעיים תופסים הפולינומים המתוקנים האי־ פריקים" .הגודל" של ) f (xתינתן ע"י ) ,q deg f (xכי זה מספר הפולינומים ממעלה קטנה יותר ,בדיוק כמו ש־ nזה מספר הטבעיים )כולל אפס( הקטנים מ־.n משפט 3.2ב] F[xהטור )q − deg p(x P מתבדר ,כאשר סוכמים על ) p(xהפולינומים המתוקנים האי פריקים בחוג. )P −2 deg f (x )P − deg f (x מתכנס ,כאשר שניהם רצים על q מתבדר ואילו q הוכחה :ראשית נראה שהטור n הפולינומים המתוקנים .נשים לב שיש בדיוק qפולינומים מתוקנים מדרגה .nלכן q m q −m = n + 1 n X = )− deg f (x m=0 ולכן הטור )q − deg f (x P q X deg(f )≤n מתבדר .מאידך q m q −2m < (1 − q −1 )−1 n X m=0 8 = )−2 deg f (x q X deg(f )≤n ולכן הטור )q −2 deg f (x P מתכנס .מכאן ההוכחה זהה למה שעשינו ב ,Nכלומר מגדירים ))k(p(x (1 − q − deg pi (x) )−1 Y i=1 וממשיכים משם ,כאשר מחליפים פשוט כל piב־ ).q − deg pi (x 9 = ))λ(p(x