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mod p で多項式を割って素イデアル分解を出す(二次体から円分体まで)

を素イデアルの積に分けてください。

最小多項式は です。 なので整数環は で、指数が 。どの素数でもデデキントの定理が使えます[1]

上では なので 乗の形。 です。

上でも なので

上では で、 より根は つに分かれます。

上では です。

検算に判別式を使います。 なので分岐するのは だけ[3]。上の答えで 乗が出たのがちょうどこの つです。

には別の書き方もあります。 なので 。この つの素イデアルは単項です。

で分かれ目を見る

同じ環で を分けてください。

上で の根を探します。 で、 を法とする平方数は が入っているので根があります。

なので根は つの素イデアルに分かれます。

上では を法とする平方数は で、 が入りません。 は既約なので は素イデアルのままです。

剰余体は になり、 の和は で次数と合います。

で引っかかる

を分けてください。

上で見ると です。分岐しているように読めます。

ところが なので整数環は ではなく 。指数が で、 はその指数を割ります[1]

デデキントの定理には という条件が付いています[1] はこの条件を外れるので、 から読んだ答えは信用できません。

正しい最小多項式は です。 上で になり、 のどちらも根にならないので既約[1]

答えは「 は素イデアルのまま」。判別式が を含まないことからも、 が分岐しないと分かります。

奇素数なら の指数は なので、 で計算してよい[1]

条件を確かめる必要があるのは のときだけ。 ならそこを別扱いにする。

次体で を分ける

を分けてください。

の判別式は です。これが の判別式そのものなので指数は 、どの素数でも定理が使えます。

上で の根を探します。 が根です。

割り算すると になります。 次の因子の判別式は で、 を法とする平方数 に入りません。既約です。

だから で、 のノルムが のノルムが で、 と合います[2]

同じ体で を分ける

上で の根を探します。 なので が根です。

なので には の原始 乗根があります。 なので がそれ。

残りの根は です。実際

つの 次式に分かれるので 、完全分解です。 の和は

円分体では位数を数える

を分けてください。

円分体では多項式を割る必要がありません。 で割った余りの位数だけで決まります[4] となる最小の をとり、 です[4]

の位数を数えます。 なので つの素イデアルに分かれ、それぞれのノルムが です。

の位数は と並んで なので は素イデアルのままです。 を法とする原始根だから、と言いかえられます。

を法とする位数 の分解
個、ノルムは各
個、ノルムは
個、ノルムは各
個、ノルムは各
個に完全分解

なので位数が 、つまり完全分解します[4] が完全分解の条件です。

検算はいつも同じ式

どの問題でも最後に を確かめます[2]

和が次数と合わなければ、どこかで因子を落としています。 上の因数分解が完全でなかった場合に起きやすい。

はどう分かれますか。

  • つの素イデアルに完全分解する
  • ノルム つに分かれる
  • 素イデアルのまま分かれない
__RESULT__

で立方数を並べると となり、 個しかありません。 が入らないので に根がなく、 次で根がなければ既約です。 で、 の和は になります。

多項式を 上で割る、指数の条件を確かめる、 で検算する。この 手で、二次体も 次体も円分体も同じ手順に乗ります。

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
Keith Conrad, *Discriminants and ramified primes*, University of Connecticut
Cyclotomic field - Encyclopedia of Mathematics
$\mathbb{Z}[\sqrt{-6}]$ で $T^2+6$ を $\mathbb{F}_p$ 上に落とすと、$2$ と $3$ で $2$ 乗、$5$ と $7$ と $11$ で $2$ つに分かれ、$13$ では既約のままです。$\mathbb{Q}(\sqrt{5})$ の $2$ は指数が $2$ を割るので $T^2-5$ を使うと誤り、$T^2-T-1$ が正しく $(2)$ は素のまま。$\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})$ では $T^3-2$ の根が $5$ で $1$ つ、$7$ で $0$ 個、$31$ で $3$ つ。円分体 $\mathbb{Q}(\zeta_7)$ は $q$ の位数を数えるだけで済みます。検算はいつも $\sum e_i f_i = n$。解答は各問のすぐ後に置いています。