Número p-ádico

De testwiki
Revisión feita o 29 de decembro de 2024 ás 20:56 por imported>Andresv.63 (Notación e exemplos)
(dif) ← Revisión máis antiga | Revisión actual (dif) | Revisión máis nova → (dif)
Saltar á navegación Saltar á procura
Os enteiros 3-ádicos, cos caracteres correspondentes seleccionados no seu grupo dual de Pontryagin.

En teoría de números, dado un número primo Modelo:Mvar, os números Modelo:Mvar-ádicos forman unha extensión dos números racionais que é distinta dos números reais, aínda que con algunhas propiedades similares; os números Modelo:Mvar-ádicos poden escribirse nunha forma similar aos números usuais (unha tira de números en base 10 posibelmente infinita), pero con díxitos baseados nun número primo Modelo:Mvar en lugar do número dez, e estendéndose cara á esquerda e non cara á dereita.

Formalmente, dado un número primo Modelo:Mvar, un número Modelo:Mvar-ádico pódese definir como unha serie formal de potencias

s=i=kaipi=akpk+ak+1pk+1+ak+2pk+2+

onde Modelo:Mvar é un número enteiro (que pode ser negativo), e cada ai é un número enteiro tal que 0ai<p.

Os enteiros Modelo:Mvar-ádicos (p) son as series só con potencias positivas k0. Cando as series que representan os números Modelo:Mvar-ádicos teñen termos negativos entón temos os racionais Modelo:Mvar-ádicos (p).

Todo número racional pode expresarse de forma única como a suma dunha serie, como se indica arriba, con respecto ao valor absoluto Modelo:Mvar-ádico. Isto permite considerar os números racionais como números Modelo:Mvar-ádicos especiais e, alternativamente, definir os números Modelo:Mvar-ádicos como o completamento dos números racionais para o valor absoluto Modelo:Mvar-ádico, exactamente como os números reais son o completamento dos números racionais para o valor absoluto habitual.

Motivación

En liñas xerais, a aritmética modular módulo un número enteiro positivo Modelo:Mvar consiste en "aproximar" cada número enteiro polo resto da súa división por Modelo:Mvar, chamado o seu residuo módulo Modelo:Mvar. A principal propiedade da aritmética modular é que o residuo módulo Modelo:Mvar do resultado dunha sucesión de operacións sobre números enteiros é o mesmo que o resultado da mesma sucesión de operacións sobre residuos módulo Modelo:Mvar.

Un método antigo, aínda de uso común, consiste en utilizar varios módulos pequenos que son coprimos por pares e aplicar o teorema chinés do resto para recuperar o resultado módulo o produto dos módulos.

Outro método descuberto por Kurt Hensel consiste en utilizar un módulo primo Modelo:Mvar, e aplicar o lema de Hensel para recuperar de forma iterativa o módulo resultado das potencias de Modelo:Mvar, p2,p3,,pn, Se o proceso continúa infinitamente, isto proporciona finalmente un resultado que é un número Modelo:Mvar-ádico.

Notación e exemplos

Existen varios xeitos de escribir un número Modelo:Mvar-ádico, as tres máis frecuentes son:

  • Como unha serie de potencias de Modelo:Mvar.
  • Posicional: como unha tira de números que son os coeficientes da serie de potencias
  • Como unha secuencia de números que representan o número módulo as potencias de Modelo:Mvar.

Como se comentou na introdución os enteiros Modelo:Mvar-ádicos son os que teñen na serie só potencias positivas (p) e poden representar números usuais que son enteiros, racionais, irracionais e mesmo complexos. Por outra parte os racionais Modelo:Mvar-ádicos (p) ao ter potencias negativas, como se verá máis adiante, serían fraccións de p.

Enteiros p-ádicos p

11 en Modelo:Mvar-ádico:[1]

112=120+121+022+123
112=1011 (coincide con base 2)
112=(11mod2,11mod22,11mod23,)=(1,3,3,11,11,)

1/15 en Modelo:Mvar-ádico:

1/157=170+571+322+623+024+525+626+
1/157=06351 (neste caso a similitude base 7, 0.0316, é máis complicada pois sería o complemento en base 7 e temos que -1/15 = 61307 en 7-ádico. A maiores como en p-ádico non ten potencias negativas o número esténdese cara a esquerda mentres que nos racionais usuais esténdese en potencias negativas cara a dereita).
1/157=(15x1(mod7),15x1(mod72),15x1(mod73),)=(1,36,183,2241,).

Imos ver un cálculo de 2 en Modelo:Mvar-ádico: [2]

  • Primeiro termo x0:
Queremos que x022(mod7).
Atopamos que x0=3 cumpre porque 32=92(mod7).
  • Segundo termo x1:
Agora, procuramos x1=3+u7 tal que (3+u7)22(mod72).
(3+u7)2=9+6u7+(x17)22(mod72),u=1
por tanto temos x1=10
  • Terceiro termo x2:
Repetimos o proceso para x2=72u+x1 que satisfaga (72u+x1)22(mod73), lévanos a u=2,x2=108.
Logo temos 27=(3,10,108)

Se escribimos este resultado como serie formal de potencias temos (con máis termos):

27=3+17+272+673+174+[3]

Que posicionalmente sería:

27=16213

esta secuencia é infinita non periódica e como a raíz ten dúas solucións con signo cambiado a outra solución será o complemento a 7 da anterior:

27=50454

1 en Modelo:Mvar-ádico, pódese calcular do mesmo modo que o exemplo anterior:[4][5]

Temos x021(mod5) implica x0=2 ou x0=3 e podemos seguir ambos os dous camiños.
15=43212 ou 15=13233 (con dous valores igual que acontece nas raíces dos números usuais, e vemos que módulo 5 suman cero).
Para -1 non existe a raíz cadrada en 7-ádico pois non existe x021(mod7).

Racionais p-ádicos p

2285 en Modelo:Mvar-ádico:[6][1]

225=250+451 e 855=251+352
Como veremos máis adiante a valoración da fracción é 1, por tanto procuramos 250+451=(251+352)(a151+a050+a151+).
E agora resolvemos esa ecuación módulo 5 para obter a1=1, módulo 52 para obter a0=3, etc.
Así temos 22/855=1213403.1=151+350+452+

Valoración e valor absoluto

Valoración: Todo número racional distinto de cero pódese escribir pvmn, onde Modelo:Mvar, Modelo:Mvar e Modelo:Mvar son números enteiros e nin Modelo:Mvar nin Modelo:Mvar son divisíbeis por Modelo:Mvar. O expoñente Modelo:Mvar está determinado unicamente polo número racional e chámase a súa valoración valoración Modelo:Mvar-ádica. A demostración do lema resulta directamente do teorema fundamental da aritmética.

Dunha forma simple: obtemos a descomposición en factores primos do numerador e ten unha valoración que ven dada polo expoñente do factor Modelo:Mvar, facemos igual para o denominador e restamos os dous valores (por ese motivo no exemplo 22/85 tiña unha valoración Modelo:Math, pois Modelo:Math non ten ningún factor Modelo:Math e Modelo:Math ten un factor Modelo:Math).

Valor absoluto: O valor absoluto Modelo:Mvar-ádico dun número Modelo:Mvar-ádico distinto de cero Modelo:Mvar, é |x|p=pv(x); para o número Modelo:Mvar-ádico cero, temos |0|p=0.

Así temos que o valor absoluto Modelo:Mvar-ádico dun número é o recíproco do primo Modelo:Mvar elevado á súa valoración. Por tanto canto maior sexa na súa descomposición o valor da potencia de Modelo:Mvar máis pequeno é o seu valor absoluto.

Definición

Existen varias definicións equivalentes de números Modelo:Mvar-ádicos. Por exemplo como o completamento dun anel de valoración discreta (ver Modelo:Slink), ou o completamento dun espazo métrico (ver Modelo:Slink), ou como o límites inversos (ver Modelo:Slink).

Enteiros p-ádicos

Os enteiros Modelo:Mvar-ádicos son os números Modelo:Mvar-ádicos cunha valoración non negativa.

Un enteiro Modelo:Mvar-ádico pódese representar como unha secuencia

x=(x1modp,x2modp2,x3modp3,)

de residuos Modelo:Mvar mod Modelo:Mvar para cada enteiro Modelo:Mvar, satisfacendo as relacións de congruencia xixj(modpi) para Modelo:Mvar.

Todo número enteiro é un enteiro Modelo:Mvar-ádico. Os números racionais da forma ndpk con Modelo:Mvar coprimos con Modelo:Mvar e k0 tamén son enteiros Modelo:Mvar-ádicos (pola razón de que Modelo:Mvar ten un inverso multiplicativo módulo Modelo:Mvar para cada Modelo:Mvar).

Os números p-ádicos con expoñentes negativos na súa expansión non son enteiros p-ádicos.

Os enteiros Modelo:Mvar-ádicos forman un anel conmutativo, denotado p ou 𝐙p, que ten as seguintes propiedades.

A última propiedade proporciona unha definición dos números Modelo:Mvar-ádicos: o corpo dos números Modelo:Mvar-ádicos é o corpo das fraccións do completamento da localización dos enteiros no ideal primo xerado por Modelo:Mvar.

Propiedades topolóxicas

A valoración Modelo:Mvar-ádica permite definir un valor absoluto en números Modelo:Mvar-ádicos: o valor absoluto Modelo:Mvar-ádico dun número Modelo:Mvar-ádico distinto de cero Modelo:Mvar é

|x|p=pvp(x),

onde vp(x) é a valoración Modelo:Mvar-ádica de Modelo:Mvar. O valor absoluto Modelo:Mvar-ádico de 0 é |0|p=0. Este é un valor absoluto que satisfai a desigualdade forte do triángulo xa que, para cada Modelo:Mvar e Modelo:Mvar temos

  • |x|p=0 se e só se x=0;
  • |x|p|y|p=|xy|p
  • |x+y|pmax(|x|p,|y|p)|x|p+|y|p.

Máis aínda, se |x|p|y|p, temos |x+y|p=max(|x|p,|y|p).

Isto fai que os números Modelo:Mvar-ádicos sexan un espazo métrico, e mesmo un espazo ultramétrico, coa distancia Modelo:Mvar-ádica definida por dp(x,y)=|xy|p.

Como a métrica se define a partir dunha valoración discreta, cada bóla aberta tamén está pechada. Máis precisamente, a bóla aberta Br(x)={ydp(x,y)<r} é igual á bóla pechada Bpv[x]={ydp(x,y)pv}, onde Modelo:Mvar é o menor enteiro tal que pv<r. Do mesmo xeito, Br[x]=Bpw(x), onde Modelo:Mvar é o maior enteiro tal que pw>r.

Isto implica que os números Modelo:Mvar-ádicos forman un espazo localmente compacto e os enteiros Modelo:Mvar-ádicos, é dicir, a bóla B1[0]=Bp(0), forma un espazo compacto.

Expansión p-ádica dos números racionais

A expansión decimal dun número racional positivo r é a súa representación como serie

r=i=kaipi

A expansión Modelo:Mvar-ádica dun número racional defínese de xeito similar, pero cun paso de división diferente. Máis precisamente, dado un número primo fixo p, todo número racional distinto de cero r pódese escribir unicamente como r=pknd, onde k é un número enteiro (posiblemente negativo), n e d son enteiros coprimos con p, e d é positivo. O número enteiro k é a valoración Modelo:Mvar-ádica de r, denotado vp(r), e pk é o seu valor absoluto Modelo:Mvar-ádico, denotado |r|p (o valor absoluto é pequeno cando a valoración é grande). O paso da división consiste en

onde Modelo:Mvar é un número enteiro (posiblemente negativo), e cada ai é un número enteiro tal que 0ai<p. Un enteiro Modelo:Mvar-ádico é un número Modelo:Mvar-ádico tal que k0.

A expansión p-ádica de r é a serie formal de potencias

Se r=pkn1 con n>0, o proceso detense eventualmente cun resto cero; neste caso, a serie complétase con termos finais cun coeficiente cero, e daquela a representación de r coincide coa representación en [[Notación posicional|base-Modelo:Mvar]].

O anel cociente p/pnp pode identificarse co anel /pn dos números enteiros módulo pn. Isto pódese demostrar observando que todo enteiro Modelo:Mvar-ádico, representado pola súa serie Modelo:Mvar-ádica normalizada, é congruente módulo pn coa súa suma parcial i=0n1aipi, cuxo valor é un número enteiro no intervalo [0,pn1]. Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis de p/pnp en /pn.

15=1210121023.
15=0.01210121 (base 3)=030+031+132+233+15=121012102  (3-ádica)=+233+132+031+230.

Os números Modelo:Mvar-ádicos forman un corpo chamado corpo de números Modelo:Math-ádicos e denotado p. Hai un único homomorfismo de corpos dos números racionais nos números Modelo:Mvar-ádicos, que mapea un número racional coa súa expansión Modelo:Mvar-ádica. A imaxe deste homomorfismo identifícase habitualmente co corpo dos números racionais. Isto permite considerar os números Modelo:Math-ádicos como unha extensión do corpo dos números racionais, e os números racionais como un subcorpo dos números Modelo:Math-ádicos.

O límite inverso dos aneis p/pnp defínese como o anel formado polas secuencias a0,a1, tal que ai/pi e aiai+1(modpi) para cada Modelo:Mvar.

Cando se realiza a aritmética nesta notación, os díxitos lévanse á esquerda. Tamén é posible escribir expansións Modelo:Mvar-ádicas para que as potencias de Modelo:Mvar aumenten de esquerda a dereita e os díxitos sexan levados cara á dereita. Con esta notación de esquerda a dereita a expansión 3-ádica de 15 é

Propiedades modulares

O anel cociente p/pnp pódese identificar co anel /pn dos enteiros [[aritmética modula número enteiro Modelo:Mvar-ádico, representado pola súa serie Modelo:Mvar-ádica normalizada, é congruente módulo pn coa súa suma parcial i=0n1aipi, cuxo valor é un número enteiro no intervalo [0,pn1]. Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis desde p/pnp ata /pn.

O límite inverso dos aneis p/pnp defínese como o anel formado polas secuencias a0,a1, tal que ai/pi e aiai+1(modpi) para todo Modelo:Mvar.

A correspondencia que mapea unha serie Modelo:Mvar-ádica normalizada coa secuencia das súas sumas parciais é un isomorfismo de aneis de p no límite inverso de p/pnp. Isto proporciona outra forma de definir os números enteiros Modelo:Mvar-ádicos (ata un isomorfismo).

Esta definición de enteiros Modelo:Mvar-ádicos é especialmente útil para cálculos prácticos, xa que permite construír enteiros Modelo:Mvar-ádicos mediante aproximacións sucesivas.

Por exemplo, para calcular o inverso Modelo:Mvar-ádico (multiplicativo) dun número enteiro, pódese usar o método de Newton, comezando polo inverso módulo Modelo:Mvar; entón, cada paso de Newton calcula o inverso módulo pn2 a partir do inverso módulo pn.

O mesmo método pódese usar para calcular a raíz cadradaModelo:Mvar-ádica dun número enteiro que é un residuo cuadrático módulo Modelo:Mvar. Este parece ser o método máis rápido coñecido para comprobar se un enteiro grande é un cadrado: abonda con comprobar se o enteiro dado é o cadrado do valor atopado en p/pnp. Aplicar o método de Newton para atopar a raíz cadrada require que pn sexa maior que o duplo do número enteiro dado, o que se satisfai rapidamente.

O levantamento de Hensel é un método similar que permite "elevar" o módulo de factorización Modelo:Mvar dun polinomio con coeficientes enteiros a un módulo de factorización pn para valores grandes de Modelo:Mvar. Isto úsase habitualmente nos algoritmos de factorización polinómica.

Cardinalidade

Tanto p como p son non numerábeis e teñen a cardinalidade do continuo.[7] Para p, isto resulta da representación Modelo:Mvar-ádica, que define unha bixección de p no conxunto de partes {0,,p1}. Para p isto resulta da súa expresión como unha unión numerabelmente infinita de copias de p:

p=i=01pip.

Principio local-global

O principio local-global de Helmut Hasse, é a idea de que se pode atopar unha solución en enteiros dunha ecuación utilizando o teorema chinés dos restos para unir solucións módulo potencias de cada número primo diferente. Isto faise examinando a ecuación no completamento dos números racionais: os números reais e os números p-ádicos.Este principio vale, por exemplo, para ecuacións dadas por formas cadráticas, pero falla para polinomios superiores en varias indeterminadas.

Completamento dos racionais

Os reais e os números Modelo:Mvar-ádicos son os completamentos dos racionais; tamén é posíbel completar outros corpos, por exemplo os corpos numéricos alxébricos en xeral, dun xeito análogo, como imos ver.

Supoña que D é un dominio de Dedekind e que E é o seu corpo de fraccións. Escollemos un ideal principal distinto de cero P de D. Se x é un elemento distinto de cero de E, entón xD é un ideal fraccional e pódese factorizar de forma única como un produto de potencias positivas e negativas de potencias distintas de cero de ideais principais de D. Escribimos ordP(x) para denotar o expoñente de P nesta factorización, e para calquera opción de número c maior que 1 podemos definir

|x|P=cordP(x).

O completamento con respecto a este valor absoluto Modelo:Nowrap begin|⋅|PModelo:Nowrap end é un corpo EP , esta é a xeneralización natural do corpo dos números p-ádicos para esta definición. A elección de c non muda o completamento (diferentes opcións producen o mesmo concepto de secuencia de Cauchy, polo tanto o mesmo completamento). É conveniente, cando o corpo de residuos D/P é finito, tomar como c o tamaño de D/P.

Por exemplo, cando E é un corpo numérico, o teorema de Ostrowski di que todo valor absoluto non arquimediano non trivial en E' ' xorde como algúns Modelo:Nowrap begin|⋅|PModelo:Nowrap end. Os restantes valores absolutos non triviais en E xorden dos diferentes metgullos de E nos números reais ou complexos. (De feito, os valores absolutos non arquimedianos poden considerarse simplemente como os diferentes mergullos de E nos corpos Cp, poñendo así o descrición de todos os valores absolutos non triviais dun corpo numérico nunha base común.)

Moitas veces, hai que facer un seguimento simultáneo de todos os completamentos arriba mencionados cando E é un corpo numérico (ou máis xeralmente un corpo global), que se ven como unha especie de codificación de información "local". Isto conséguese mediante os aneis adélicos e os grupos de ideles.

Os enteiros p-ádicos pódense estender a solenoides p-ádicos 𝕋p. Hai un mapa desde 𝕋p ata o grupo de círculos cuxas fibras son os enteiros p-ádicos p, en analoxía a como hai un mapa desde ata o círculo cuxas fibras son .

Notas

Modelo:Reflist

Véxase tamén

Modelo:Commonscat

Bibliografía

Outras obras:

Outros artigos

Ligazóns externas

Modelo:Control de autoridades