จำนวนเต็มพีชคณิต
ในทฤษฎีจำนวนเชิงพีชคณิตจำนวนเต็มเชิงพีชคณิตคือจำนวนเชิงซ้อนที่เป็นจำนวนเต็มเหนือจำนวนเต็มกล่าวคือ จำนวนเต็มเชิงพีชคณิตเป็นราก เชิงซ้อน ของพหุนามเอกลักษณ์ บางตัว ( พหุนามที่มีสัมประสิทธิ์นำหน้าเป็น 1) ซึ่งสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็ม เซตของจำนวนเต็มเชิงพีชคณิตทั้งหมดAปิดภายใต้การบวก การลบ และการคูณ ดังนั้นจึงเป็นวงแหวนย่อยสลับที่ ของจำนวนเชิงซ้อน
วงแหวนของจำนวนเต็มของฟิลด์จำนวนKซึ่งเขียนแทนด้วยO คือจุดตัดของKและA : นอกจากนี้ยังสามารถระบุได้ว่าเป็นอันดับ สูงสุด ของฟิลด์Kจำนวนเต็มพีชคณิตแต่ละจำนวนเป็นสมาชิกของวงแหวนของจำนวนเต็มของฟิลด์จำนวนบางฟิลด์ จำนวนαเป็นจำนวนเต็มพีชคณิตก็ต่อเมื่อวงแหวน α ∈ Aเป็นกลุ่มอาเบเลียนที่สร้างขึ้นอย่างจำกัดกล่าวคือ เป็น กลุ่มอาเบเลียน- โมดูล
คำจำกัดความ
ต่อไปนี้เป็นนิยามที่เทียบเท่ากันของจำนวนเต็มพีชคณิต ให้Kเป็นฟิลด์จำนวน (กล่าวคือส่วนขยายจำกัดของกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ(ขอบเขตของจำนวนตรรกยะ )สำหรับจำนวนพีชคณิต บางจำนวนโดยทฤษฎีบทองค์ประกอบดั้งเดิม
- α ∈ Kเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต ถ้ามีพหุนามเอกลักษณ์อยู่โดยที่f ( α ) = 0
- α ∈ Kเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต ถ้า พหุนามเอกลักษณ์ ขั้นต่ำของ αเหนืออยู่ใน.
- α ∈ Kเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต ถ้าเป็นการสร้างขึ้นอย่างจำกัด-โมดูล
- α ∈ Kเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต ถ้ามีจำนวนเต็มบวกที่ไม่เป็นศูนย์ซึ่งสร้างขึ้นโดยจำนวนจำกัด- โมดูลย่อยโดยที่αM ⊆ M
จำนวนเต็มเชิงพีชคณิตเป็นกรณีพิเศษขององค์ประกอบจำนวนเต็มของการขยายวงแหวน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำนวนเต็มเชิงพีชคณิตเป็นองค์ประกอบจำนวนเต็มของการขยายแบบจำกัด.
โปรดทราบว่า ถ้าP ( x )เป็นพหุนามดั้งเดิมที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็มแต่ไม่ใช่พหุนามเอกลักษณ์ และPไม่สามารถแยกตัวประกอบได้เหนือดังนั้น รากของP จึงไม่มีตัวใด เป็นจำนวนเต็มพีชคณิต (แต่เป็นจำนวนพีชคณิต ) ในที่นี้ คำว่า "ดั้งเดิม"ใช้ในความหมายที่ว่าตัวหารร่วมมากที่สุดของสัมประสิทธิ์ของPคือ 1 ซึ่งอ่อนกว่าการกำหนดให้สัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเฉพาะสัมพัทธ์กันเป็นคู่ๆ
ตัวอย่าง
- จำนวนเต็มพีชคณิตเพียงจำนวนเดียวที่พบในเซตของจำนวนตรรกยะคือจำนวนเต็ม กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ จุดตัดของและAคืออย่างแน่นอนจำนวนตรรกยะa / bไม่ใช่จำนวนเต็มพีชคณิต เว้นแต่ว่าbจะหารa ลงตัว สัมประสิทธิ์นำหน้าของพหุนามbx − aคือจำนวนเต็มb
- รากที่สองของจำนวนเต็มที่ไม่เป็นลบnเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต แต่จะเป็นจำนวนอตรรกยะเว้นแต่ว่าnจะเป็น กำลัง สองสมบูรณ์
- ถ้าdเป็นจำนวนเต็มที่ไม่มีตัวประกอบกำลังสองแล้วส่วนขยายเป็นฟิลด์กำลังสองของจำนวนตรรกยะ วงแหวนของจำนวนเต็มพีชคณิตO ประกอบด้วยเนื่องจาก นี่คือรากของพหุนามเอกลักษณ์x² − dยิ่งไปกว่านั้น ถ้าd ≡ 1 mod 4แล้วองค์ประกอบนั้นก็เป็นจำนวนเต็มพีชคณิตเช่นกัน มันสอดคล้องกับพหุนามx² − x + 1/4 ( 1 − d )โดยที่พจน์คงที่1/4 ( 1 − d )เป็นจำนวนเต็ม วงแหวนเต็มของจำนวนเต็มถูกสร้างขึ้นโดยหรือตามลำดับ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ หัวข้อจำนวนเต็มกำลังสอง
- วงแหวนของจำนวนเต็มของฟิลด์α = 3 √ m (โดยที่mเป็นจำนวนเต็มที่ไม่มีตัวประกอบกำลังสาม)มีฐานอินทิกรัล ดังต่อไปนี้ เขียนm = hk 2สำหรับจำนวนเต็มที่ ไม่มี ตัวประกอบกำลัง สอง hและk : [ 1 ]
- ถ้าζ เป็น ราก ที่n ดั้งเดิมของเอกภาพแล้ววงแหวนของจำนวนเต็มของฟิลด์ไซโคลโทมิกคืออย่างแม่นยำ.
- ถ้าαเป็นจำนวนเต็มพีชคณิตแล้วβ = n √ αก็เป็นจำนวนเต็มพีชคณิตอีกตัวหนึ่งเช่นกัน พหุพจน์สำหรับβได้มาจากการแทนx n ลง ในพหุพจน์สำหรับα
การสร้างส่วนขยายวงแหวนแบบจำกัด
สำหรับα ใดๆ การขยายวงแหวน (ในความหมายที่เทียบเท่ากับการขยายฟิลด์ ) ของจำนวนเต็มโดยαจะถูกแทนด้วยเมทริกซ์ จะถูกสร้างขึ้นโดยจำนวนจำกัดก็ต่อเมื่อαเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต เท่านั้น
การพิสูจน์นั้นคล้ายคลึงกับการพิสูจน์ข้อเท็จจริงที่เกี่ยวข้องกับจำนวนพีชคณิตโดยมีถูกแทนที่ด้วยในที่นี้ แนวคิดเรื่องระดับการขยายสนามถูกแทนที่ด้วยการสร้างแบบจำกัด (โดยใช้ข้อเท็จจริงที่ว่า(ซึ่งถูกสร้างขึ้นอย่างจำกัดด้วยตัวมันเอง) การเปลี่ยนแปลงที่จำเป็นเพียงอย่างเดียวคือ มีเพียงกำลังที่ไม่เป็นลบของα เท่านั้น ที่เกี่ยวข้องในการพิสูจน์
การเปรียบเทียบนี้เป็นไปได้เพราะทั้งจำนวนเต็มพีชคณิตและจำนวนพีชคณิตต่างก็ถูกนิยามว่าเป็นรากของพหุนามเอกลักษณ์เหนือตัวใดตัวหนึ่งหรือตามลำดับ
แหวน
ผลรวม ผลต่าง และผลคูณของจำนวนเต็มพีชคณิตสองจำนวน ล้วนเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต แต่โดยทั่วไปแล้ว ผลหารของจำนวนทั้งสองจะไม่ใช่จำนวนเต็มพีชคณิต ดังนั้น จำนวนเต็มพีชคณิตจึงประกอบกันเป็นริง
สามารถแสดงได้ในลักษณะเดียวกันกับการพิสูจน์ที่เกี่ยวข้องสำหรับจำนวนพีชคณิตโดยใช้จำนวนเต็มแทนที่จะเป็นพวกที่มีเหตุผล.
นอกจาก นี้เรายังสามารถสร้างพหุนามเอกลักษณ์ที่เกี่ยวข้องได้อย่างชัดเจน ซึ่งโดยทั่วไปจะมีดีกรี สูง กว่าดีกรีของจำนวนเต็มพีชคณิตดั้งเดิม โดยการหาผลลัพธ์และแยกตัวประกอบ ตัวอย่างเช่น ถ้าx² − x − 1 = 0 , y³ − y − 1 = 0และz = xyแล้ว การกำจัดxและyจากz − xy = 0และพหุนามที่ x และ y สอดคล้องโดยใช้ผลลัพธ์จะได้ z⁶ − 3z⁴ − 4z³ + z² + z − 1 = 0 ซึ่งเป็นพหุนามที่ไม่สามารถแยก ตัวประกอบ ได้ และ เป็นสมการเอกลักษณ์ที่ผลคูณสอดคล้อง (เพื่อให้เห็นว่าxyเป็นรากของ ผลลัพธ์ xของz − xyและx² − x − 1เราอาจใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าผลลัพธ์นั้นบรรจุอยู่ในไอเดียลที่สร้างขึ้นจากพหุนามอินพุตสองตัว)
การปิดแบบสมบูรณ์
รากทุกรากของพหุนามเอกลักษณ์ที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็มพีชคณิตนั้น ตัวมันเองก็เป็นจำนวนเต็มพีชคณิตเช่นกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง จำนวนเต็มพีชคณิตเหล่านี้ก่อให้เกิดวงแหวนที่ปิดสนิทในส่วนขยายใดๆ ของมัน
กล่าวอีกนัยหนึ่ง การพิสูจน์นี้คล้ายคลึงกับการพิสูจน์ที่ว่าจำนวนพีชคณิตเป็น จำนวน ปิดเชิงพีชคณิต
ข้อมูลเพิ่มเติม
- จำนวนใดๆ ที่สร้างขึ้นได้จากจำนวนเต็มที่มีราก การบวก และการคูณ ถือเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต แต่ไม่ใช่ว่าจำนวนเต็มพีชคณิตทั้งหมดจะสร้างขึ้นได้เช่นนั้น ในความหมายอย่างง่ายๆ รากส่วนใหญ่ของพหุคูณ กำลังห้าที่ไม่สามารถแยกตัวประกอบได้นั้นสร้างขึ้น ไม่ได้ นี่คือทฤษฎีบทของอาเบล-รัฟฟินี
- วงแหวนของจำนวนเต็มพีชคณิตเป็นโดเมนเบซูต์ซึ่งเป็นผลมาจากทฤษฎีบทอุดมคติหลัก
- ถ้าพหุนามเอกลักษณ์ที่เกี่ยวข้องกับจำนวนเต็มพีชคณิตมีพจน์คงที่เท่ากับ 1 หรือ −1 แล้วส่วนกลับของจำนวนเต็มพีชคณิตนั้นก็จะเป็นจำนวนเต็มพีชคณิตเช่นกัน และแต่ละตัวจะเป็นหน่วยซึ่งเป็นสมาชิกของกลุ่มหน่วยในวงแหวนของจำนวนเต็มพีชคณิต
- ถ้าxเป็นจำนวนพีชคณิตแล้วa xจะเป็นจำนวนเต็มพีชคณิต โดยที่xสอดคล้องกับพหุนามp ( x )ที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็ม และa x nคือพจน์ที่มีดีกรีสูงสุดของp ( x )ค่าy = a xเป็นจำนวนเต็มพีชคณิตเพราะเป็นรากของq ( y ) = a n − 1 p ( y / a )โดยที่q ( y )เป็นพหุนามเอกลักษณ์ที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็ม
- ถ้าxเป็นจำนวนพีชคณิต ก็สามารถเขียนได้ในรูปอัตราส่วนของจำนวนเต็มพีชคณิตกับจำนวนเต็มพีชคณิตที่ไม่เป็นศูนย์ ที่จริงแล้ว ตัวส่วนสามารถเลือกให้เป็นจำนวนเต็มบวกได้เสมอ อัตราส่วนคือ| a | x / | a |โดยที่xสอดคล้องกับพหุนามp ( x )ที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนเต็ม และa x n คือพจน์ ที่มีดีกรีสูงสุดของp ( x )
- จำนวนเต็มพีชคณิตตรรกยะเพียงอย่างเดียวคือจำนวนเต็ม นั่นคือ ถ้าxเป็นจำนวนเต็มพีชคณิตและแล้วนี่เป็นผลโดยตรงจากทฤษฎีบทรากตรรกยะสำหรับกรณีของพหุนามเอกลักษณ์