Теорема Грюнвальда – Ванга - Grunwald–Wang theorem

В алгебраическая теория чисел, то Теорема Грюнвальда – Ванга это локально-глобальный принцип заявляя, что - за исключением некоторых точно определенных случаев - элемент Икс в числовое поле K является пя степень в K если это п-я власть в завершение ${\displaystyle K_{\mathfrak {p}}}$ для всех, кроме конечного числа простых чисел ${\displaystyle {\mathfrak {p}}}$ из K. Например, Рациональное число является квадратом рационального числа, если это квадрат п-адическое число почти для всех простых чисел п. Теорема Грюнвальда – Ванга является примером локально-глобальный принцип.

Он был представлен Вильгельм Грюнвальд  (1933 ), но в исходной версии была ошибка, которая была обнаружена и исправлена Шиангхао Ван  (1948 ). Теорема, рассмотренная Грюнвальдом и Вангом, была более общей, чем сформулированная выше, поскольку они обсуждали существование циклических расширений с некоторыми локальными свойствами, а также утверждение о пth полномочия является следствием этого.

История

Несколько дней спустя я был с Артин в своем офисе, когда появился Ван. Он сказал, что у него есть контрпример к лемме, которая использовалась при доказательстве. Через час или два он привел контрпример к самой теореме ... Конечно, он [Артин] был удивлен, как и все мы, студенты, что известная теорема с двумя опубликованными доказательствами, одно из которых мы все слышали в семинар, который мы ничего не заметили, мог быть неправильным.

Джон Тейт, цитируется Питер Рокетт  (2005, стр.30)

Грюнвальд (1933), студент Хельмут Хассе, дал неверное доказательство ошибочного утверждения, что элемент числового поля псила, если это п-я власть локально почти везде. Джордж Ваплс (1942 ) дал еще одно неверное доказательство этого неверного утверждения. тем не мение Ван (1948) обнаружил следующий контрпример: 16 - это п-адическая 8-я степень для всех нечетных простых чисел п, но не является рациональной или 2-адической 8-й степенью. В его докторской диссертации Ван (1950) написано под Эмиль Артин Ван привел и доказал правильную формулировку утверждения Грюнвальда, описав редкие случаи, когда оно терпит неудачу. Этот результат известен как теорема Грюнвальда – Ванга. История контрпримера Вана обсуждается Питер Рокетт  (2005, раздел 5.3)

Контрпример Вана

Первоначальное утверждение Грюнвальда о том, что элемент, являющийся п-я власть почти везде локально псила в глобальном масштабе может потерпеть неудачу двумя разными способами: элемент может быть пмощность почти везде локально, но не везде локально, или это может быть пмощность везде локально, но не глобально.

Элемент, который является пмощность почти везде локально, но не везде локально

Элемент 16 в рациональных числах является 8-й степенью во всех местах, кроме 2, но не является 8-й степенью в 2-адических числах.

Ясно, что 16 не является 2-адической 8-й степенью и, следовательно, не является рациональной 8-й степенью, поскольку 2-адическая оценка числа 16 равна 4, которая не делится на 8.

Как правило, 16 - это восьмая степень в поле. K тогда и только тогда, когда многочлен ${\displaystyle X^{8}-16}$ имеет корень в K. Написать

${\displaystyle X^{8}-16=(X^{4}-4)(X^{4}+4)=(X^{2}-2)(X^{2}+2)(X^{2}-2X+2)(X^{2}+2X+2).}$

Таким образом, 16 - это 8-я степень в K тогда и только тогда, когда 2, −2 или −1 - квадрат в K. Позволять п быть любым нечетным простым числом. Из мультипликативности Символ Лежандра что 2, −2 или −1 - квадрат по модулю п. Следовательно, по Лемма Гензеля, 2, −2 или −1 - квадрат в ${\displaystyle \mathbb {Q} _{p}}$.

Элемент, который является пмощность везде локально, но не глобально

16 - это не восьмая степень в ${\displaystyle \mathbb {Q} ({\sqrt {7}})}$ хотя локально везде (т.е. в ${\displaystyle \mathbb {Q} _{p}({\sqrt {7}})}$ для всех п). Это следует из вышеизложенного и равенства ${\displaystyle \mathbb {Q} _{2}({\sqrt {7}})=\mathbb {Q} _{2}({\sqrt {-1}})}$.

Следствие контрпримера Ванга

Контрпример Вана имеет следующее интересное следствие, показывающее, что не всегда можно найти циклическое расширение Галуа данной степени числового поля, в котором конечное число заданных простых мест расщепляется определенным образом:

Циклического расширения степени 8 не существует. ${\displaystyle K/\mathbb {Q} }$ в котором простое число 2 полностью инертно (т. е. такое, что ${\displaystyle K_{2}/\mathbb {Q} _{2}}$ неразветвленной степени 8).

Специальные поля

Для любого ${\displaystyle s\geq 2}$ позволять

${\displaystyle \eta _{s}:=\exp \left({\frac {2\pi i}{2^{s}}}\right)+\exp \left(-{\frac {2\pi i}{2^{s}}}\right)=2\cos \left({\frac {2\pi }{2^{s}}}\right).}$

Обратите внимание, что ${\displaystyle 2^{s}}$th круговое поле является

${\displaystyle \mathbb {Q} _{2^{s}}=\mathbb {Q} (i,\eta _{s}).}$

Поле называется особенный если он содержит ${\displaystyle \eta _{s}}$, но ни ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle \eta _{s+1}}$ ни ${\displaystyle i\eta _{s+1}}$.

Формулировка теоремы

Рассмотрим числовое поле K и натуральное число п. Позволять S - конечное (возможно, пустое) множество простых чисел K и положи

${\displaystyle K(n,S):=\{x\in K\mid x\in K_{\mathfrak {p}}^{n}\mathrm {\ for\ all\ } {\mathfrak {p}}\not \in S\}.}$

Теорема Грюнвальда – Ванга утверждает, что

${\displaystyle K(n,S)=K^{n}}$

если мы не в особый случай что происходит, когда выполняются оба следующих условия:

1. ${\displaystyle K}$ является s-специальный с ${\displaystyle s}$ такой, что ${\displaystyle 2^{s+1}}$ разделяет п.
2. ${\displaystyle S}$ содержит специальный набор ${\displaystyle S_{0}}$ состоящий из этих (обязательно 2-адических) простых чисел ${\displaystyle {\mathfrak {p}}}$ такой, что ${\displaystyle K_{\mathfrak {p}}}$ является s-специальный.

В частном случае нарушение принципа Хассе конечно порядка 2: ядро

${\displaystyle K^{\times }/K^{\times n}\to \prod _{{\mathfrak {p}}\not \in S}K_{\mathfrak {p}}^{\times }/K_{\mathfrak {p}}^{\times n}}$

является Z/2Z, порожденная элементом η^п
_s+1.

Объяснение контрпримера Ванга

Поле рациональных чисел ${\displaystyle K=\mathbb {Q} }$ 2-особенный, поскольку он содержит ${\displaystyle \eta _{2}=0}$, но ни ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle \eta _{3}={\sqrt {2}}}$ ни ${\displaystyle i\eta _{3}={\sqrt {-2}}}$. Специальный набор ${\displaystyle S_{0}=\{2\}}$. Таким образом, частный случай теоремы Грюнвальда – Ванга имеет место, когда п делится на 8, а S содержит 2. Это объясняет контрпример Вана и показывает, что он минимален. Также видно, что элемент в ${\displaystyle \mathbb {Q} }$ является пмощность, если это п-адический псила для всех п.

Поле ${\displaystyle K=\mathbb {Q} ({\sqrt {7}})}$ тоже 2-особенный, но с ${\displaystyle S_{0}=\emptyset }$. Это объясняет другой контрпример, приведенный выше.^[1]

Смотрите также

• В Теорема Хассе о норме утверждает, что для циклических расширений элемент является нормой, если он является нормой всюду локально.

Примечания

1. См. Главу X Артина-Тейта.

Рекомендации

• Артин, Эмиль; Тейт, Джон (1990), Теория поля классов, ISBN  978-0-8218-4426-7, МИСТЕР  0223335
• Грюнвальд, Вильгельм (1933), "Ein allgemeiner Existenzsatz für algebraische Zahlkörper", Журнал für die reine und angewandte Mathematik, 169: 103–107
• Рокетт, Питер (2005), Теорема Брауэра-Хассе-Нётер в исторической перспективе (PDF), Schriften der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Klasse der Heidelberger Akademie der Wissenschaften [Публикации Секции математики и естественных наук Гейдельбергской академии наук], 15, Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN  978-3-540-23005-2
• Ван, Шиангхоу (1948), «Контрпример к теореме Грюнвальда», Анналы математики, Вторая серия, 49: 1008–1009, Дои:10.2307/1969410, ISSN  0003-486X, JSTOR  1969410, МИСТЕР  0026992
• Ван, Шиангхоу (1950), «О теореме Грюнвальда», Анналы математики, Вторая серия, 51: 471–484, Дои:10.2307/1969335, ISSN  0003-486X, JSTOR  1969335, МИСТЕР  0033801
• Whaples, Джордж (1942), «Неаналитическая теория поля классов и теорема Грюнвальда», Математический журнал герцога, 9 (3): 455–473, Дои:10.1215 / s0012-7094-42-00935-9, ISSN  0012-7094, МИСТЕР  0007010