Número p-ádico

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
onde Modelo:Mvar é un número enteiro (que pode ser negativo), e cada é un número enteiro tal que
Os enteiros Modelo:Mvar-ádicos () son as series só con potencias positivas Cando as series que representan os números Modelo:Mvar-ádicos teñen termos negativos entón temos os racionais Modelo:Mvar-ádicos ().
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, 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 () e poden representar números usuais que son enteiros, racionais, irracionais e mesmo complexos. Por outra parte os racionais Modelo:Mvar-ádicos () ao ter potencias negativas, como se verá máis adiante, serían fraccións de .
Enteiros p-ádicos
11 en Modelo:Mvar-ádico:[1]
- (coincide con base 2)
1/15 en Modelo:Mvar-ádico:
- (neste caso a similitude base 7, , é máis complicada pois sería o complemento en base 7 e temos que -1/15 = 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).
- .
Imos ver un cálculo de en Modelo:Mvar-ádico: [2]
- Primeiro termo :
- Queremos que .
- Atopamos que cumpre porque .
- Segundo termo :
- Agora, procuramos tal que .
- por tanto temos
- Terceiro termo :
- Repetimos o proceso para que satisfaga , lévanos a .
- Logo temos
Se escribimos este resultado como serie formal de potencias temos (con máis termos):
Que posicionalmente sería:
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:
en Modelo:Mvar-ádico, pódese calcular do mesmo modo que o exemplo anterior:[4][5]
- Temos implica e podemos seguir ambos os dous camiños.
- ou (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 .
Racionais p-ádicos
en Modelo:Mvar-ádico:[6][1]
- e
- Como veremos máis adiante a valoración da fracción é , por tanto procuramos .
- E agora resolvemos esa ecuación módulo 5 para obter , módulo para obter , etc.
- Así temos
Valoración e valor absoluto
Valoración: Todo número racional distinto de cero pódese escribir 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 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 para o número Modelo:Mvar-ádico cero, temos
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
de residuos Modelo:Mvar mod Modelo:Mvar para cada enteiro Modelo:Mvar, satisfacendo as relacións de congruencia para Modelo:Mvar.
Todo número enteiro é un enteiro Modelo:Mvar-ádico. Os números racionais da forma con Modelo:Mvar coprimos con Modelo:Mvar e 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 ou , que ten as seguintes propiedades.
- É un dominio de integridade, xa que é un subanel dun corpo, ou xa que o primeiro termo da representación en serie do produto de dúas series Modelo:Mvar-ádicas non nulas é o produto dos seus primeiros termos.
- As unidades (elementos invertibles) de son os números Modelo:Mvar-ádicos de valoración cero.
- É un dominio de ideal principal (PID), de xeito que cada ideal é xerado por unha potencia de Modelo:Mvar.
- É un anel local de dimensión un de Krull, xa que os seus únicos ideais primos son o ideal cero e o ideal xerado por Modelo:Mvar, o ideal máximo único.
- É un anel de valoración discreto, xa que isto resulta das propiedades anteriores.
- É o completamento do anel local que é a localización de no ideal primo
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
onde é a valoración Modelo:Mvar-ádica de Modelo:Mvar. O valor absoluto Modelo:Mvar-ádico de é Este é un valor absoluto que satisfai a desigualdade forte do triángulo xa que, para cada Modelo:Mvar e Modelo:Mvar temos
- se e só se
Máis aínda, se temos
Isto fai que os números Modelo:Mvar-ádicos sexan un espazo métrico, e mesmo un espazo ultramétrico, coa distancia Modelo:Mvar-ádica definida por
Como a métrica se define a partir dunha valoración discreta, cada bóla aberta tamén está pechada. Máis precisamente, a bóla aberta é igual á bóla pechada onde Modelo:Mvar é o menor enteiro tal que Do mesmo xeito, onde Modelo:Mvar é o maior enteiro tal que
Isto implica que os números Modelo:Mvar-ádicos forman un espazo localmente compacto e os enteiros Modelo:Mvar-ádicos, é dicir, a bóla , forma un espazo compacto.
Expansión p-ádica dos números racionais
A expansión decimal dun número racional positivo é a súa representación como serie
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 , todo número racional distinto de cero pódese escribir unicamente como onde é un número enteiro (posiblemente negativo), e son enteiros coprimos con , e é positivo. O número enteiro é a valoración Modelo:Mvar-ádica de , denotado e é o seu valor absoluto Modelo:Mvar-ádico, denotado (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 é un número enteiro tal que Un enteiro Modelo:Mvar-ádico é un número Modelo:Mvar-ádico tal que
A expansión -ádica de é a serie formal de potencias
Se con , o proceso detense eventualmente cun resto cero; neste caso, a serie complétase con termos finais cun coeficiente cero, e daquela a representación de coincide coa representación en [[Notación posicional|base-Modelo:Mvar]].
O anel cociente pode identificarse co anel dos números enteiros módulo Isto pódese demostrar observando que todo enteiro Modelo:Mvar-ádico, representado pola súa serie Modelo:Mvar-ádica normalizada, é congruente módulo coa súa suma parcial cuxo valor é un número enteiro no intervalo Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis de en
Os números Modelo:Mvar-ádicos forman un corpo chamado corpo de números Modelo:Math-ádicos e denotado . 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 defínese como o anel formado polas secuencias tal que e 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 é
Propiedades modulares
O anel cociente pódese identificar co anel dos enteiros [[aritmética modula número enteiro Modelo:Mvar-ádico, representado pola súa serie Modelo:Mvar-ádica normalizada, é congruente módulo coa súa suma parcial cuxo valor é un número enteiro no intervalo Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis desde ata
O límite inverso dos aneis defínese como o anel formado polas secuencias tal que e 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 no límite inverso de 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 a partir do inverso módulo
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 . Aplicar o método de Newton para atopar a raíz cadrada require que 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 para valores grandes de Modelo:Mvar. Isto úsase habitualmente nos algoritmos de factorización polinómica.
Cardinalidade
Tanto como son non numerábeis e teñen a cardinalidade do continuo.[7] Para isto resulta da representación Modelo:Mvar-ádica, que define unha bixección de no conxunto de partes Para isto resulta da súa expresión como unha unión numerabelmente infinita de copias de :
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
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 . Hai un mapa desde ata o grupo de círculos cuxas fibras son os enteiros p-ádicos , en analoxía a como hai un mapa desde ata o círculo cuxas fibras son .
Notas
Véxase tamén
Bibliografía
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro. — Translation into English by John Stillwell of Theorie der algebraischen Functionen einer Veränderlichen (1882).
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro}}
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
Outras obras:
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro|mr=0195803}}
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
- Modelo:Cita libro
Outros artigos
- Non arquimedeano
- Mecánica cuántica p-ádica
- Teoría p-ádica de Hodge
- Teoría p-ádica de Teichmuller
- Análise p-ádia
- 1 + 2 + 4 + 8 + ...
- Lema de Hensel
- Teorema de Mahler
- Complemento a dous