Μετάβαση στο περιεχόμενο

Θεωρία Κούμερ

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στην αφηρημένη άλγεβρα και τη θεωρία αριθμών, η θεωρία Κούμερ[1] παρέχει μια περιγραφή ορισμένων τύπων επεκτάσεων σωμάτων που περιλαμβάνουν την πρόσθεση των n-th ριζών των στοιχείων του βασικού σώματος. Η θεωρία αναπτύχθηκε αρχικά από τον Έρνστ Έντουαρντ Κούμερ[2][3] γύρω στη δεκαετία του 1840 στο πρωτοποριακό έργο του για το τελευταίο θεώρημα του Φερμά. Οι βασικές προτάσεις δεν εξαρτώνται από τη φύση του σώματος - εκτός από τη χαρακτηριστική του, η οποία δεν πρέπει να διαιρεί τον ακέραιο n - και επομένως ανήκουν στην αφηρημένη άλγεβρα. Η θεωρία των κυκλικών επεκτάσεων του σώματος K όταν η χαρακτηριστική του K διαιρεί το n ονομάζεται θεωρία Αρτίν-Σράιερ[4].

Η θεωρία Κούμερ είναι βασική, όπως λόγου χάριν, στη Θεωρία κλάσεων σωμάτων και γενικότερα στην κατανόηση των αβελιανών επεκτάσεων[5]- δηλώνει ότι με την παρουσία αρκετών ριζών της ενότητας, οι κυκλικές επεκτάσεις μπορούν να κατανοηθούν με όρους εξαγωγής ριζών. Το κύριο βάρος στη θεωρία κλάσεων σωμάτων είναι να απαλλαγούμε από τις επιπλέον ρίζες της ενότητας ("κατεβαίνοντας" πίσω σε μικρότερα σώματα)- κάτι που είναι κάτι πολύ πιο σοβαρό.

Επεκτάσεις Κούμερ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια Επεκτάση Κούμερ[6] είναι μια επέκταση του σώματος L/K, όπου για κάποιο δεδομένο ακέραιο n > 1 έχουμε

  • Το K περιέχει n διαφορετικές nth ρίζες της μονάδας (δηλαδή, ρίζες του Xn − 1)
  • Το L/K έχει αβελιανή ομάδα Γκαλουά εκθέτη n.

Παραδείγματος χάριν, όταν n = 2, η πρώτη συνθήκη είναι πάντα αληθής αν το K έχει χαρακτηριστική ≠ 2. Οι επεκτάσεις Κούμερ σε αυτή την περίπτωση περιλαμβάνουν τετραγωνικές επεκτάσεις όπου a στο K είναι ένα μη τετραγωνικό στοιχείο. Με τη συνήθη λύση τετραγωνικών εξισώσεων, κάθε επέκταση βαθμού 2 του K έχει αυτή τη μορφή. Οι επεκτάσεις Κούμερ σε αυτή την περίπτωση περιλαμβάνουν επίσης τις δι-τετραγωνικές επεκτάσεις και τις γενικότερες πολυ-τετραγωνικές επεκτάσεις. Όταν η K έχει χαρακτηριστική 2, δεν υπάρχουν τέτοιες προεκτάσεις Κούμερ.

Θεωρώντας n = 3 δεν υπάρχουν επεκτάσεις Κούμερ 3ου βαθμού του σώματος ρητών αριθμών Q, αφού για τις τρεις κυβικές ρίζες του 1 απαιτούνται μιγαδικοί αριθμοί. Αν θεωρήσουμε ότι το L είναι το σώμα διασπάσεως του X3 - a πάνω από το Q, όπου το α δεν είναι κύβος στους ρητούς αριθμούς, τότε το L περιέχει ένα υποσώμα K με τρεις κυβικές ρίζες του 1. Αυτό συμβαίνει επειδή αν τα α και β είναι ρίζες του κυβικού πολυωνύμου, θα έχουμε (α/β)3 =1 και το κυβικό είναι διαχωρίσιμο πολυώνυμο. Τότε το L/K είναι μια επέκταση Κούμερ.

Γενικότερα, ισχύει ότι όταν το K περιέχει n διαφορετικές n-th ρίζες μονάδας, πράγμα που σημαίνει ότι η χαρακτηριστική του K δεν διαιρεί το n, τότε η προσάρτηση στο K της n-th ρίζας οποιουδήποτε στοιχείου a του K δημιουργεί μια επέκταση Κούμερ (βαθμού m, για κάποιο m που διαιρεί το n). Ως σώμα διασπάσεως του πολυωνύμου Xna η επέκταση Κούμερ είναι αναγκαστικά Γκαλουά, με ομάδα Γκαλουά που είναι κυκλική τάξεως m. Είναι εύκολο να εντοπίσουμε τη δράση Γκαλουά μέσω της ρίζας της μονάδας μπροστά από το

Η θεωρία Κούμερ παρέχει αντίστροφες δηλώσεις. Όταν το K περιέχει n διαφορετικές n-th ρίζες μονάδας, δηλώνει ότι κάθε αβελιανή επέκταση του K με εκθέτη που διαιρεί το n σχηματίζεται από την εξαγωγή των ριζών των στοιχείων του K. Επιπλέον, αν το K× συμβολίζει την πολλαπλασιαστική ομάδα των μη μηδενικών στοιχείων του K, οι αβελιανές επεκτάσεις του K με εκθέτη n αντιστοιχούν διαιρετικά με υποομάδες του

δηλαδή, στοιχεία του K× modulo nth δυνάμεις. Η αντιστοιχία μπορεί να περιγραφεί ρητά ως εξής. Δεδομένης μιας υποομάδας

η αντίστοιχη επέκταση δίνεται από τη σχέση

όπου

Στην πραγματικότητα, αρκεί να προστεθεί η n ρίζα ενός αντιπροσώπου κάθε στοιχείου οποιουδήποτε συνόλου γεννητριών της ομάδας Δ. Αντίστροφα, αν η L είναι επέκταση Κούμερ της K, τότε η Δ ανακτάται από τον κανόνα

Στην περίπτωση αυτή υπάρχει ισομορφισμός

δίνεται από

όπου α είναι οποιαδήποτε n-η ρίζα του a στο L. Εδώ συμβολίζει την πολλαπλασιαστική ομάδα των nth ριζών της μονάδας (που ανήκουν στο K) και είναι η ομάδα των συνεχών ομομορφισμών από το εξοπλισμένο με τοπολογία Κρουλ στο με διακριτή τοπολογία (με λειτουργία ομάδας που δίνεται από τον σημειακό πολλαπλασιασμό). Αυτή η ομάδα (με διακριτή τοπολογία) μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως δυαδικότητα Ποντριάγκιν (Pontryagin) της , υποθέτοντας ότι θεωρούμε την ως υποομάδα της ομάδας κύκλου. Αν η επέκταση L/K είναι πεπερασμένη, τότε η είναι μια πεπερασμένη διακριτή ομάδα και έχουμε

ωστόσο ο τελευταίος ισομορφισμός δεν είναι φυσικός.

Ανάκτηση a1/n από ένα πρωταρχικό στοιχείο

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Για πρώτο, έστω ένα σώμα που περιέχει και βαθμό επέκταση Γκαλουά[7]. Ας σημειωθεί ότι η ομάδα Γκαλουά είναι κυκλική και παράγεται από το . Έστω

Τότε

Δεδομένου ότι κσι

,

όπου το πρόσημο είναι αν το είναι μονό και αν .

Όταν το είναι μια αβελιανή επέκταση βαθμού χωρίς τετράγωνα έτσι ώστε , να εφαρμοστεί το ίδιο επιχείρημα στα υποσώματα Γκαλουά βαθμού για να προκύψει

όπου

.

Απεικόνιση Κούμερ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ένα από τα κύρια εργαλεία της θεωρίας Κούμερ είναι η Απεικόνιση Κούμερ[8]. Έστω ένας θετικός ακέραιος αριθμός και έστω ένα σώμα, το οποίο δεν περιέχει απαραίτητα τις th ρίζες της ενότητας. Έχοντας ως την αλγεβρική κλειστότητα του, πάρχει μια σύντομη ακριβής ακολουθία

Επιλέγοντας μια επέκταση και παίρνοντας την -συνομολογία παίρνουμε την ακολουθία

Σύμφωνα με το θεώρημα 90 του Χίλμπερτ , και επομένως έχουμε έναν ισομορφισμό . Αυτό είναι η απεικόνιση Κούμερ. Μια εκδοχή αυτής της απεικόνισης υπάρχει επίσης όταν όλα τα εξετάζονται ταυτόχρονα. Συγκεκριμένα, αφού , παίρνοντας το άμεσο όριο πάνω από προκύπτει ένας ισομορφισμός

,

όπου tors δηλώνει την υποομάδα στρέψης των ριζών της μονάδας.

Για ελλειπτικές καμπύλες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η θεωρία Κούμερ χρησιμοποιείται συχνά στο πλαίσιο των ελλειπτικών καμπυλών[9]. Έστω μια ελλειπτική καμπύλη. Υπάρχει μια σύντομη ακριβής ακολουθία

,

όπου η απεικόνιση του πολλαπλασιασμού με είναι επιφανειακή, αφού η είναι διαιρετή. Επιλέγοντας μια αλγεβρική επέκταση και παίρνοντας τη συνομολογία, λαμβάνουμε την ακολουθία Κούμερ για την :

.

Ο υπολογισμός της ασθενούς ομάδας Μόρντελ-Βάιλ αποτελεί βασικό μέρος της απόδειξης του θεωρήματος Μόρντελ-Βάιλ. Η μη εξαφάνιση της προσθέτει μια βασική πολυπλοκότητα στη θεωρία.

Ας υποθέσουμε ότι η G είναι μια προπεπερασμένη ομάδα που ενεργεί σε ένα module A με έναν ερριπτικό ομομορφισμό π από την ενότητα G-module A προς τον εαυτό της. Ας υποθέσουμε επίσης ότι η G δρα τετριμμένα στον πυρήνα C του π και ότι η πρώτη ομάδα συνομολογίας H1(G,A) είναι τετριμμένη. Τότε η ακριβής ακολουθία της συνομολογίας ομάδων δείχνει ότι υπάρχει ισομορφισμός μεταξύ AG/π(AG) και Hom(G,C).

Η θεωρία Κούμερ είναι η ειδική περίπτωση αυτής όταν Α είναι η πολλαπλασιαστική ομάδα της διαχωρίσιμης κλειστότητας ενός σώματος k, G είναι η ομάδα Γκαλουά, π είναι η n απεικόνιση δύναμης και C η ομάδα των n ριζών μονάδας. Η θεωρία Αρτίν-Σρέιερ[4] είναι η ειδική περίπτωση όταν A είναι η προσθετική ομάδα της διαχωρίσιμης κλειστότητας ενός σώματος k θετικής χαρακτηριστικής p, G είναι η ομάδα Γκαλουά, π είναι η απεικόνιση Φρομπένιους μείον την ταυτότητα και C το πεπερασμένο σώμα τάξης p. Αν θεωρήσουμε ότι A είναι ένας δακτύλιος αποκομμένων διανυσμάτων Witt, προκύπτει η γενίκευση της θεωρίας Αρτίν-Σρέιερ[4] από τον Witt για επεκτάσεις εκθέτη που διαιρεί το pn.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. Hazewinkel, M. (6 Μαρτίου 2008). Handbook of Algebra. Elsevier. ISBN 978-0-08-056499-9. 
  2. «Ernst Eduard Kummer | Number Theory, Algebraic Geometry & Group Theory | Britannica». www.britannica.com (στα Αγγλικά). 10 Μαΐου 2025. Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2025. 
  3. «Eduard Kummer - Biography». Maths History (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2025. 
  4. 4,0 4,1 4,2 Chaumine, Jean· Hirschfeld, James William Peter (2008). Algebraic Geometry and Its Applications: Dedicated to Gilles Lachaud on His 60th Birthday : Proceedings of the First SAGA Conference, Papeete, France, 7-11 May 2007. World Scientific. ISBN 978-981-279-343-0. 
  5. «Abelian Kummer Theory» (PDF). 
  6. «Kummer extension - Encyclopedia of Mathematics». encyclopediaofmath.org. Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2025. 
  7. Baker, Andrew; Clarke, Francis; Ray, Nigel; Schwartz, Lionel (1989). «On the Kummer Congruences and the Stable Homotopy of BU». Transactions of the American Mathematical Society 316 (2): 385–432. doi:10.2307/2001355. ISSN 0002-9947. https://www.jstor.org/stable/2001355. 
  8. Eischen, Ellen E.· Long, Ling (26 Σεπτεμβρίου 2016). Directions in Number Theory: Proceedings of the 2014 WIN3 Workshop. Springer. ISBN 978-3-319-30976-7. 
  9. «The Elliptic Curve Kummer Sequence». wstein.org. Ανακτήθηκε στις 19 Μαΐου 2025.