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素イデアル分解はどう計算するのか?mod p の因数分解がそのまま答え

有理素数 が でどう割れるかは、 上の多項式を因数分解すれば分かります。有限体での計算に落ちるので、手でもできる。

この橋渡しをするのがデデキントの定理です。クンマーの仕事を受けて作られました[1]。

形を決める 3 つの数

を 次の数体とし、 を素イデアルの積に分けます。

を分岐指数、 で決まる を剰余次数、 を素イデアルの個数と呼びます[1]。この つで分解の形が決まる。

つは自由には動けません。次の関係式で縛られています[2]。

を固定すると、分解の形は の分割の仕方しかありません。二次体なら の 通りだけ[2]。

太い線が重複、点が素イデアルです。 点に太い線で乗るのが分岐、 点に分かれるのが完全分解、 点に細い線で乗るのが不分解になります。

デデキントの定理

とし、 の最小多項式を とします。 が指数 を割らないとき、次が成り立つ[1]。

を 上で既約分解して と書けたなら、 となり、 が対応します[1]。

指数、既約因子の個数、次数が、そっくりそのまま移る。 ならすべての で使えます[1]。

証明の鍵は、 のとき と が環として同型になることです[1]。同じ環なら極大イデアルの個数も剰余体の大きさも一致するので、形が移ります。

例: を最後まで

なので整数環は で、 の最小多項式は です。指数が なので、どの でも定理が使えます。

の分解 の分解
既約 のまま
既約 のまま

の行を検算します。、 なので、 は で つの 次式に分かれる。だから も つの素イデアルに割れます。

判別式は で、 と が約数。表でもこの つだけが 乗の形になっています。

指数を割る素数では使えない

条件の を外すと、答えが変わります。 が分かりやすい例です[1]。

なので整数環は で、 の指数は です。正しい最小多項式は のほう。

上で は既約なので、 は素イデアルのままです[1]。

いっぽう なので、こちらを使うと という誤った結論が出ます[1]。指数が で割れているので、定理の適用範囲の外にいる。

奇素数なら の指数は か なので、 で計算してよい[1]。

危ないのは のときだけ。 ならこの素数を別扱いにする。

4 次でも同じ手が通る

を見ます。 なので、 以外の素数は指数を割りません[1]。

の分解 の分解
次が 2 つ素イデアル 2 個
既約 のまま
次 2 つと 次 1 つ素イデアル 3 個
次が 2 つ素イデアル 2 個
次が 4 つ素イデアル 4 個

の行を確かめます。、 なので が根。残りは で、 に の平方根がないため既約です。

の和は で、 と合っています。

二次体は判別式だけで決まる

二次体では、多項式を割らなくても答えが出ます。判別式 を で見るだけでよい[2]。

分岐する。
が を法とする でない平方数完全分解する
が を法とする平方非剰余不分解。剰余体は

だけは法を にとります[2]。 なら分岐、 なら完全分解、 なら不分解です。

で確かめると で、。さきほど多項式で出した「 は分解しない」と一致します。

分解の型が判別式の剰余類だけで決まる、という事実が平方剰余の相互法則につながります[2]。 を法とする条件を、判別式を法とする条件に翻訳する作業です。

円分体は位数だけで決まる

でも規則は単純です。 の素数 について、 となる最小の をとる[3]。

このとき は 個の素イデアルに分かれ、どれもノルムが になります[3]。 が を法とする原始根なら で、 は分かれません。

を割る素数だけが分岐します[3]。乗法群 の中での位数を計算するだけで、分解の形が全部決まる。

で の分解を調べるのに を使うとどうなりますか。

  • 正しく が素イデアルのままだと分かる
  • という誤った答えが出る
  • 上で因数分解できず、何も分からない
__RESULT__

なので分岐に見えます。ところが の指数が で、定理の条件を満たしません。正しい最小多項式 は 上で既約なので、 は素イデアルのままです。

素イデアル分解という抽象的な操作が、有限体での因数分解という手作業に降りてきます。降りたあとは、二次体なら平方剰余、円分体なら位数と、さらに軽い計算に置き換わる。

参考文献

Keith Conrad, *Factoring after Dedekind*, University of Connecticut
B Edixhoven, L Moret-Bailly, *Théorie algébrique des nombres*, Université de Rennes 1
Cyclotomic field - Encyclopedia of Mathematics
$(p) = \prod \mathfrak{p}_i^{e_i}$ の形は、最小多項式を $\mathbb{F}_p$ 上で因数分解した形と一致します。指数 $[\mathcal{O}_K : \mathbb{Z}[\alpha]]$ を $p$ が割らない、という条件つき。$\mathbb{Q}(\sqrt{5})$ で $T^2 - 5$ を使うと $(2) = \mathfrak{p}^2$ と誤りますが、正しい $T^2 - T - 1$ は $\mathbb{F}_2$ 上で既約なので $(2)$ は素のままです。$\sum e_i f_i = n$ という縛り、$\mathbb{Q}(\sqrt{10})$ と $\mathbb{Q}(\sqrt[4]{2})$ の計算表、二次体を判別式で、円分体を位数で決める規則まで。