feat(algebrario): aggiunge la seminorma (e l'esempio di Z[√10])

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@ -643,3 +643,154 @@ euclidei.
A/(p_1^{m_1}) \times \cdots \times A/(p_{n-1}^{m_{n-1}}) \times A/(p_n^{m_n}). \]
\end{proof}
\subsection{La seminorma di \texorpdfstring{$\ZZ[\sqrt{n}]$}{Z[√n]}}
Si definisce innanzitutto $\ZZ[\sqrt{n}]$ nel seguente modo:
\[ \ZZ[\sqrt{n}] = \{ a + b\sqrt{n} \mid a, b \in \ZZ \}. \]
\begin{definition}
Si definisce \textbf{seminorma} di $\ZZ[\sqrt{n}]$ la seguente
funzione:
\[ \ell : \ZZ[\sqrt{n}] \to \ZZ, \, a + b\sqrt{n} \mapsto a^2 - n b^2. \]
\end{definition}
\begin{proposition}
La seminorma di $\ZZ[\sqrt{n}]$ è una funzione moltiplicativa.
\end{proposition}
\begin{proof}
Dimostrare la tesi è equivalente al verificare la seguente identità:
\[ (a^2-nb^2)(c^2-nd^2)=(ac+nbd)^2-n(ad+bc)^2, \]
\vskip 0.1in
come si verifica nelle seguenti righe:
\begin{multline*}
(ac+nbd)^2-n(ad+bc)^2 = a^2c^2+n^2b^2d^2+\cancel{2acnbd}-na^2d^2-nb^2c^2-\cancel{2acnbd} = \\
a^2(c^2-nd^2) -nb^2(c^2-nd^2) = (a^2-nb^2)(c^2-nd^2).
\end{multline*}
\end{proof}
\begin{theorem}
\label{th:invertibili_z_sqrtn}
Un elemento $a \in \ZZ[\sqrt{n}]$ è invertibile se e solo se
$\ell(a) \in \{1, -1\}$.
\end{theorem}
\begin{proof}
Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\
($\implies$) \; Sia $a \in a \in \ZZ[\sqrt{n}]^*$. Allora esiste un
$b \in \ZZ[\sqrt{n}]^*$ tale che $ab = 1$. Applicando la seminorma
a entrambi i membri si ricava che:
\[ \ell(ab) = 1 \implies \ell(a)\ell(b) = 1. \]
\vskip 0.1in
Gli unici invertibili di $\ZZ$ sono tuttavia $1$ e $-1$,
da cui la tesi. \\
($\;\Longleftarrow\;$) \; Si consideri $a+b\sqrt{n} \in \ZZ[\sqrt{n}]$.
Sia $d = \ell(a) \in \{1, -1\}$ si ricava che:
\[ a^2-nb^2 = d \implies (a+b\sqrt{n})(a-b\sqrt{n})=d \implies (a+b\sqrt{n})d\inv(a-b\sqrt{n})=1, \]
\vskip 0.1in
da cui la tesi.
\end{proof}
\begin{example}[$\ZZsqrt{10}$ non è un UFD]
Il numero $6$ ammette due fattorizzazioni in irriducibili
completamente distinte in $\ZZsqrt{10}$. Dunque
$\ZZsqrt{10}$ non è un UFD. Conseguentemente non è né un anello
euclideo\footnote{Violerebbe altrimenti il \thref{th:euclidei_ufd}.}, né un
PID\footnote{Si usa ancora la proposizione, non dimostrata
in queste dispense, secondo cui un PID è sempre un UFD. Per
tale dimostrazione si rimanda ancora a \cite[pp.~124-126]{di2013algebra}.}.
\end{example}
\begin{proof}
Dal momento che $6=16-10$,
possiamo fattorizzare $6$ come il prodotto
di $4+\sqrt{10}$ e $4-\sqrt{10}$. Tuttavia, dalla
fattorizzazione in $\ZZ$, sappiamo anche
che $6=2 \cdot 3$. \\
Dimostriamo che sia $2$ che $3$ sono irriducibili
in $\ZZ[\sqrt{10}]$. Se $2$ fosse riducibile,
si potrebbe scrivere come prodotto
di due fattori non invertibili: \\
\begin{equation}
\label{eq:es_z_sqrt10_fattorizzazione_2}
2 = (a + b\sqrt{10})(c + d\sqrt{10}) \implies 4 = (a^2 - 10b^2)(c^2 - 10d^2).
\end{equation}
\vskip 0.1in
Poiché nessun fattore di $2$ è invertibile per ipotesi, per il
\thref{th:invertibili_z_sqrtn} nessuno dei due
fattori in \eqref{eq:es_z_sqrt10_fattorizzazione_2} può essere uguale a $1$ o $-1$.
Allora l'unica possibilità è che $a^2 - 10b^2$ sia uguale a $2$ o
$-2$. Se però così fosse, $a^2 \equiv \pm 2 \pod{10}$, che
non ammette soluzione. \\
Reiterando lo stesso ragionamento per $3$,
si ottiene $a^2 \equiv \pm 3 \pod{10}$, che anche
stavolta non ammette soluzione. Quindi sia $2$ che
$3$ sono irriducibili in $\ZZ[\sqrt{10}]$. \\
Analogamente dimostriamo che sia $4+\sqrt{10}$ che
$4-\sqrt{10}$ sono irriducibili. Si assuma che
$4+\sqrt{10}$ sia riducibile, allora si ricava che:
\[ 4+\sqrt{10} = (a + b\sqrt{10})(c + d\sqrt{10}), \]
\vskip 0.1in
da cui, passando alle seminorme si ottiene che:
\[ 6 = (a^2 - 10b^2)(c^2 - 10d^2). \]
\vskip 0.1in
Poiché entrambi i fattori sono non invertibili per ipotesi,
per il \thref{th:invertibili_z_sqrtn} ognuno di essi è
diverso da $1$ e $-1$, come visto prima. Quindi l'unica
possibilità è che $a^2 - 10b^2$ sia uguale a $\pm 2$ o
$\pm 3$. Tuttavia, da prima sappiamo che nessuna di queste
equazioni ammette soluzione. Quindi $4+\sqrt{10}$ è irriducibile,
e allo stesso modo si dimostra che anche $4-\sqrt{10}$ lo
è. \\
Ora si dimostra che $2$ non è associato né a $4 + \sqrt{10}$
né a $4 - \sqrt{10}$. Se fossero associati, esisterebbe
un invertibile $a$ tale che $2 = (4 \pm \sqrt{10})a$. \\
Passando alle norme, si ricava che:
\[ 4 = 6 \, \ell(a), \]
\vskip 0.1in
dove, ricordando che $\ell(a)=\pm 1$ per il \thref{th:invertibili_z_sqrtn},
si ottiene:
\[ 4 = \pm 6, \]
\vskip 0.1in
ossia un assurdo, \Lightning{}. \\
Poiché $2$ non è associato né a né a $4 + \sqrt{10}$
né a $4 - \sqrt{10}$, le due fattorizzazioni sono due
fattorizzazioni in irriducibili completamente
distinte. Quindi $\ZZsqrt{10}$ non può essere un UFD.
\end{proof}

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@ -94,6 +94,7 @@
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\DeclareMathOperator{\ord}{ord}
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% From the USAMO .tex files
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