平方剰余の相互法則
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 TeXで
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
と書くことにする. と素数に対して となる が存在する時をの平方剰余という. 平方剰余でない数を平方非剰余と呼ぶ.
可換環に対してで, の可逆元全体からなる群を表す.
素数に対して でを表す. 商写像 を で表す. は標数がの体のになる. または巡回群になる. この巡回群の生成元をの原始根という.
写像 を で定義する. は可換なので, は準同型になる. よって特に はの部分群になる. この群をと書くことにする. 乗法群 は可換なので もちろん は正規部分群である. ならば, 体の一般論から に対して となる はちょうど2つあるので, の位数は である. よって のとき, 剰余群 は位数が2の 群になる. 位数がの群は全て同型なので, 同型写像 をとる. このとき に対してルジャンドル記号を と定義する. は 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.
つまり平方剰余が であるか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.
任意のに対して,
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.
を奇素数とする. このとき任意の に対して
が成り立つ.
証明.
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.
奇素数と整数について,
が成り立つ.
証明.
オイラーの基準から, である. この両辺は か の値しか取らず, またが奇素数であることから なので実際の等式として 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.
奇素数に対して
証明.
とおく. 任意のについてもちろん
が成り立つ. よって
ここで等差数列の和の公式から であることを用いている.
でなおかつ とおく. はに属する偶数全体の集合で は に属する奇数の集合である. もちろん である. とおく. はより大きく 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 に対して, がただ一つ存在して となる. よって と の濃度は等しいことに注意しよう. よって,
となる. また,
となる.よって,
よって 以上の式を合わせて,
を得る. は の中で ではないので,
よってオイラーの基準から,
を得るが, 両辺はそれぞれかの値しか取らず, なので, 結局
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つの異なる奇素数に対して,
証明.
中国剰余定理を用いた証明を紹介する. 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
を得る. さらに詳しくいうと, 写像
はwell-defined だし,同型写像であるということである. さて,
でなおかつ
とする. 任意の に対して が存在して かもしくは のどちらか一方のみが成り立つ. よって, ある が存在して.
が成り立つ. さて,
である. ここでウィルソンの定理からであり,
なので,
| (3) |
である. そして
今からこの量のを法とした値を考える.
であり, なので
また, であるから, なので
となる. よって,
であるが, オイラーの基準から
今の議論を, と の役割を入れ替えて適用すると, 同様にして
よって(3)と比較すると,
と
これら二式の両辺のそれぞれの量も か のどちらかの値しか取らず, でなおかつ なので, 実際の等式として
と
を得る. この二式から,
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