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feat(algebrario): aggiunge la seminorma (e l'esempio di Z[√10])
This commit is contained in:
@@ -3,6 +3,7 @@
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*.fdb_latexmk
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*.synctex.gz
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*.synctex(busy)
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*.out
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@@ -643,3 +643,154 @@ euclidei.
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A/(p_1^{m_1}) \times \cdots \times A/(p_{n-1}^{m_{n-1}}) \times A/(p_n^{m_n}). \]
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\end{proof}
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\subsection{La seminorma di \texorpdfstring{$\ZZ[\sqrt{n}]$}{Z[√n]}}
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Si definisce innanzitutto $\ZZ[\sqrt{n}]$ nel seguente modo:
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\[ \ZZ[\sqrt{n}] = \{ a + b\sqrt{n} \mid a, b \in \ZZ \}. \]
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\begin{definition}
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Si definisce \textbf{seminorma} di $\ZZ[\sqrt{n}]$ la seguente
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funzione:
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\[ \ell : \ZZ[\sqrt{n}] \to \ZZ, \, a + b\sqrt{n} \mapsto a^2 - n b^2. \]
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\end{definition}
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\begin{proposition}
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La seminorma di $\ZZ[\sqrt{n}]$ è una funzione moltiplicativa.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Dimostrare la tesi è equivalente al verificare la seguente identità:
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\[ (a^2-nb^2)(c^2-nd^2)=(ac+nbd)^2-n(ad+bc)^2, \]
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\vskip 0.1in
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come si verifica nelle seguenti righe:
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\begin{multline*}
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(ac+nbd)^2-n(ad+bc)^2 = a^2c^2+n^2b^2d^2+\cancel{2acnbd}-na^2d^2-nb^2c^2-\cancel{2acnbd} = \\
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a^2(c^2-nd^2) -nb^2(c^2-nd^2) = (a^2-nb^2)(c^2-nd^2).
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\end{multline*}
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\end{proof}
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\begin{theorem}
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\label{th:invertibili_z_sqrtn}
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Un elemento $a \in \ZZ[\sqrt{n}]$ è invertibile se e solo se
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$\ell(a) \in \{1, -1\}$.
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\end{theorem}
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\begin{proof}
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Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\
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($\implies$) \; Sia $a \in a \in \ZZ[\sqrt{n}]^*$. Allora esiste un
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$b \in \ZZ[\sqrt{n}]^*$ tale che $ab = 1$. Applicando la seminorma
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a entrambi i membri si ricava che:
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\[ \ell(ab) = 1 \implies \ell(a)\ell(b) = 1. \]
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\vskip 0.1in
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Gli unici invertibili di $\ZZ$ sono tuttavia $1$ e $-1$,
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da cui la tesi. \\
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($\;\Longleftarrow\;$) \; Si consideri $a+b\sqrt{n} \in \ZZ[\sqrt{n}]$.
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Sia $d = \ell(a) \in \{1, -1\}$ si ricava che:
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\[ a^2-nb^2 = d \implies (a+b\sqrt{n})(a-b\sqrt{n})=d \implies (a+b\sqrt{n})d\inv(a-b\sqrt{n})=1, \]
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\vskip 0.1in
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da cui la tesi.
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\end{proof}
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\begin{example}[$\ZZsqrt{10}$ non è un UFD]
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Il numero $6$ ammette due fattorizzazioni in irriducibili
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completamente distinte in $\ZZsqrt{10}$. Dunque
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$\ZZsqrt{10}$ non è un UFD. Conseguentemente non è né un anello
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euclideo\footnote{Violerebbe altrimenti il \thref{th:euclidei_ufd}.}, né un
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PID\footnote{Si usa ancora la proposizione, non dimostrata
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in queste dispense, secondo cui un PID è sempre un UFD. Per
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tale dimostrazione si rimanda ancora a \cite[pp.~124-126]{di2013algebra}.}.
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\end{example}
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\begin{proof}
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Dal momento che $6=16-10$,
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possiamo fattorizzare $6$ come il prodotto
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di $4+\sqrt{10}$ e $4-\sqrt{10}$. Tuttavia, dalla
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fattorizzazione in $\ZZ$, sappiamo anche
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che $6=2 \cdot 3$. \\
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Dimostriamo che sia $2$ che $3$ sono irriducibili
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in $\ZZ[\sqrt{10}]$. Se $2$ fosse riducibile,
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si potrebbe scrivere come prodotto
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di due fattori non invertibili: \\
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\begin{equation}
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\label{eq:es_z_sqrt10_fattorizzazione_2}
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2 = (a + b\sqrt{10})(c + d\sqrt{10}) \implies 4 = (a^2 - 10b^2)(c^2 - 10d^2).
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\end{equation}
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\vskip 0.1in
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Poiché nessun fattore di $2$ è invertibile per ipotesi, per il
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\thref{th:invertibili_z_sqrtn} nessuno dei due
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fattori in \eqref{eq:es_z_sqrt10_fattorizzazione_2} può essere uguale a $1$ o $-1$.
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Allora l'unica possibilità è che $a^2 - 10b^2$ sia uguale a $2$ o
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$-2$. Se però così fosse, $a^2 \equiv \pm 2 \pod{10}$, che
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non ammette soluzione. \\
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Reiterando lo stesso ragionamento per $3$,
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si ottiene $a^2 \equiv \pm 3 \pod{10}$, che anche
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stavolta non ammette soluzione. Quindi sia $2$ che
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$3$ sono irriducibili in $\ZZ[\sqrt{10}]$. \\
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Analogamente dimostriamo che sia $4+\sqrt{10}$ che
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$4-\sqrt{10}$ sono irriducibili. Si assuma che
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$4+\sqrt{10}$ sia riducibile, allora si ricava che:
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\[ 4+\sqrt{10} = (a + b\sqrt{10})(c + d\sqrt{10}), \]
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\vskip 0.1in
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da cui, passando alle seminorme si ottiene che:
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\[ 6 = (a^2 - 10b^2)(c^2 - 10d^2). \]
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\vskip 0.1in
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Poiché entrambi i fattori sono non invertibili per ipotesi,
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per il \thref{th:invertibili_z_sqrtn} ognuno di essi è
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diverso da $1$ e $-1$, come visto prima. Quindi l'unica
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possibilità è che $a^2 - 10b^2$ sia uguale a $\pm 2$ o
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$\pm 3$. Tuttavia, da prima sappiamo che nessuna di queste
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equazioni ammette soluzione. Quindi $4+\sqrt{10}$ è irriducibile,
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e allo stesso modo si dimostra che anche $4-\sqrt{10}$ lo
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è. \\
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Ora si dimostra che $2$ non è associato né a $4 + \sqrt{10}$
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né a $4 - \sqrt{10}$. Se fossero associati, esisterebbe
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un invertibile $a$ tale che $2 = (4 \pm \sqrt{10})a$. \\
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Passando alle norme, si ricava che:
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\[ 4 = 6 \, \ell(a), \]
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\vskip 0.1in
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dove, ricordando che $\ell(a)=\pm 1$ per il \thref{th:invertibili_z_sqrtn},
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si ottiene:
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\[ 4 = \pm 6, \]
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\vskip 0.1in
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ossia un assurdo, \Lightning{}. \\
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Poiché $2$ non è associato né a né a $4 + \sqrt{10}$
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né a $4 - \sqrt{10}$, le due fattorizzazioni sono due
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fattorizzazioni in irriducibili completamente
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distinte. Quindi $\ZZsqrt{10}$ non può essere un UFD.
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\end{proof}
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Binary file not shown.
@@ -10,6 +10,7 @@
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\usepackage{amsopn}
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\usepackage{biblatex}
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\usepackage{bm}
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\usepackage{cancel}
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\usepackage{csquotes}
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\usepackage{marvosym}
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@@ -94,6 +94,7 @@
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\newcommand{\ZZi}{\mathbb{Z}[i]}
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\DeclareMathOperator{\ord}{ord}
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\newcommand{\defiff}{\overset{\mathrm{def}}{\iff}}
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% From the USAMO .tex files
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