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平方剰余の相互法則のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

平方剰余の相互法則

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では 平方剰余の補充則と 相互法則の可能な限り代数的な証明を 紹介する.

まず最初に

abmodp

という式を入力するのがとても面倒だと思ったので, この文章では,この式を

a=pb

と書くことにする. xと素数pに対して x=pa2となる aが存在する時xpの平方剰余という. 平方剰余でない数を平方非剰余と呼ぶ.

可換環Rに対してR×で, Rの可逆元全体からなる群を表す.

素数pに対して 𝔽p/pを表す. 商写像 𝔽pπpで表す. 𝔽pは標数がpの体のになる. また𝔽p×は巡回群になる. この巡回群の生成元をpの原始根という.

写像 s:𝔽p×𝔽p×s(x)=x2で定義する. 𝔽p×は可換なので, fは準同型になる. よって特にs(𝔽p×)𝔽p×の部分群になる. この群をSpと書くことにする. 乗法群 𝔽p×は可換なので もちろん Sは正規部分群である. p2 ならば, 体の一般論から a𝔽pに対して x2=a となる x𝔽p はちょうど2つあるので, S の位数は (p1)/2である. よって p2のとき, 剰余群 𝔽p×/Sp は位数が2の 群になる. 位数が2の群は全て同型なので, 同型写像 ep:𝔽p×/Sp{1,1} をとる. このとき a に対してルジャンドル記号を (a|p):=epsπp(a) と定義する. (ap)(a|p) と同じ意味であると約束する. ルジャンドル記号は次のように明示できる.

(ap)={1apの平方剰余,1apの平方非剰余.

つまり平方剰余が 1であるか1であるかに応じて平方剰余かそうでないかがわかる.

定義から次のことがわかる.

命題 1.

任意のaに対して,

(ap)=(a+pp)=(app)

が成り立つ.

今からルジャンドル記号の計算方法を説明してゆく. まず次のオイラーの基準が基本的である.

命題 2.

pを奇素数とする. このとき任意の aに対して

(ap)=pap12

が成り立つ.

証明.

最初に注意するが, pが奇数なので p12は整数である. まずフェルマーの小定理から任意の x𝔽p×に対して

xp1=1

が成り立つ. つまり任意の a𝔽p× は多項式 xp11 の根になっている. さらに

(1) xp11=(xp121)(xp12+1)

と因数分解できる. さてSp={y2y𝔽p×} でに注意すると 任意のxSpに対して x=y2となるy𝔽pが存在する. 再びフェルマーの小定理から xp12=yp1=1なので, xp121=0である. 体の一般論から多項式 xp121の根は高々p12個であり card(Sp)=p12なので

(2) Sp={xxp121=0}

である. 任意のx𝔽pSpは平方非剰余の剰余類だが, xp11=0を満たすということと 式(1), (2)から, xp12+1=0 を満たさなければならない.(体には零因子は0しかない.) よってオイラーの基準が示された. ∎

このオイラーの基準を使って直ちに平方剰余の相互法則の第一補充則がわかる.

命題 3.

奇素数pと整数について,

(1p)=(1)p12

が成り立つ.

証明.

オイラーの基準から, (a|p)=p(1)p12 である. この両辺は 11の値しか取らず, またpが奇素数であることから 2p0なので実際の等式として (a|p)=(1)p12を得る. ∎

平方剰余の相互法則の第二補充則は次のものである.

命題 4.

奇素数pに対して

(2p)=(1)p218
証明.

A={1,,p12}とおく. 任意のaAについてもちろん

a=((1)aa)(1)a

が成り立つ. よって

aAa =aA((1)aa)(1)a
=aA((1)aa)aA(1)a=(1)aAaaA((1)aa)
=(1)p218aA((1)aa)

ここで等差数列の和の公式から aA=p218 であることを用いている.

B={2i0<2iA,i},

でなおかつ C=ABとおく. BAに属する偶数全体の集合で CA に属する奇数の集合である. もちろん A=BCである. D={2ip2<2i<p,i} とおく. Dp2より大きく p よりも小さい偶数全体の集合である. 簡単にわかることだが, 任意の dD に対して, cC がただ一つ存在して pc=dとなる. よって DCの濃度は等しいことに注意しよう. よって,

aB(a)=p2iD2i=2cardCp4<i<p2i

となる. また,

aBa=2iB2i=2cardB0<i<p4i

となる.よって,

aA((1)aa) =p(2cardCp4<i<p2i)(2cardB0<i<p4i)
=p2card(B)+card(C)0<i<p2i
=p2card(A)aAa=p2p12aAa

よって 以上の式を合わせて,

aAa=p(1)p2182p12aAa

を得る. aAa𝔽pの中で0 ではないので,

2p12=p(1)p218

よってオイラーの基準から,

(2p)=p(1)p218

を得るが, 両辺はそれぞれ11の値しか取らず, 2p0なので, 結局

(2p)=(1)p218

を得る. これが示すべき等式であった. ∎

平方剰余の相互法則は次のものである.

命題 5.

2つの異なる奇素数p,qに対して,

(pq)(qp)=(1)p12q12
証明.

中国剰余定理を用いた証明を紹介する. p,qは異なる奇素数なので, 特に互いに素である. よって中国剰余定理から可逆元の間の同型

(/pq)×(/p)××(/q)×

を得る. さらに詳しくいうと, 写像

δ:(/pq)×(/p)××(/q)×,[k]pq([k]p,[k]q)

はwell-defined だし,同型写像であるということである. さて,

A={[a]pq(/pq)0<a<pq/2},

でなおかつ

B={([a]p,[b]q)(/p)××(/q)×a,0<b<q/2}

とする. 任意の (a,b)B に対して kA が存在して δ(k)=(a,b) かもしくは δ(k)=(a,b) のどちらか一方のみが成り立つ. よって, あるϵ{1,1} が存在して.

(x,y)B(x,y)=ϵkAδ(k)

が成り立つ. さて,

(x,y)B(x,y) =0<a<p,0<b<q/2([a]p,[b]q)=0<b<q/20<a<p([a]p,[b]q)
=0<b<q/2([(p1)!]p,[bp1]q)=([((p1)!)q12]p,[((q12)!)p1]q)

である. ここでウィルソンの定理から[(p1)!]p=[1]pであり,

((q12)!)2=q(q1)!(1)q12=q(1)(1)q12

なので,

(3) (x,y)B(x,y)=([(1)q12]p,[(1)p12(1)p12q12]q)

である. そして

kAk =1k<pq/2,gcd(k,pq)=1k
=(1k<pq/2,pkk)(1k<pq/2,q|kk)1
=(0<k<pk)(p<k<2q)((Q1)p<k<Qpk)(Qp<k<pq/2k)(1k<pq/2,q|kk)1

今からこの量のpを法とした値を考える.

(i1)p<k<ipk=p(p1)!=p1

であり, {kQp<k<pq/2}={kQp+1k(pq1)/2}={Qp+1,Qp+2,,Qp+P} なので

Qp<k<pq/2k=pP!

また, {k1k<pq/2}={k1k(pq1)/2}={1,2,,(pq1)/2} であるから, {k1k<pq/2}={q,2q,,Pq} なので

1k<pq/2,q|kk=1iP(qi)=qPP!

となる. よって,

kAk=p(1)QP!qPP!

であるが, オイラーの基準から

kAk=p(1)Q(qp)

今の議論を, pq の役割を入れ替えて適用すると, 同様にして

kAk=q(1)P(pq)

よって(3)と比較すると,

(1)Q(qp)=pϵ(1)Q

(1)P(pq)=qϵ(1)P(1)PQ

これら二式の両辺のそれぞれの量も 11 のどちらかの値しか取らず, 2p0でなおかつ 2q0なので, 実際の等式として

(qp)=ϵ

(pq)=(1)PQ

を得る. この二式から,

(pq)(qp)=(1)p12q12

を得る. これが示したい等式であった. ∎

References

  • [1] S. Y. Kim, An elementary proof of the quadratic reciprocity law, Amer. Math. Soc. 111 (2004), no. 1, 48–50.
  • [2] G. Rousseau, On the quadratic reciprocity law, J. Austral. Math. Soc. (Series A), 51 (1991), 423–425.
  • [3] Stack Exchangeの質問「Legendre symbol. second supplementary law」に対する回答,
    https://math.stackexchange.com/questions/
    180002/legendre-symbol-second-supplementary-law/180022#180022