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Resultados elementales con números p-adic

Me voy a dar una charla para el seminario de los estudiantes de Doctorado de mi departamento de matemáticas. En realidad yo trabajo en Berkovich espacios de aritmética y geometría, pero, claro, no puedo hablar de ese tema a un público que incluye probabilists, científicos de la computación y así sucesivamente.

Prefiero que me gustaría hacer una introducción a $p$-ádico números y $p$-ádico de análisis. Creo que este tipo de cosas llegan a ser realmente fresco cuando usted trabaja en él aunque sólo sea por un corto tiempo, pero tengo el ambicioso objetivo de mostrar algo bonito y primaria cuya declaración será entendida por todo el mundo (por supuesto, la prueba también puede ser muy duro, pero no me podría dar su idea general).

En otras palabras, la pregunta es: si yo había preparado algo acerca de la teoría de Galois me hubiera terminado con la aplicación a resolubility del polinomio o regla y compás construcciones; si hubiera sido algo acerca de las formas modulares, que hubiera sido para asegurarse de último teorema de Fermat; con 3 superficies habría sido conjetura de Poincaré y así sucesivamente. Lo que si se trata de p-ádico números o p-ádico de análisis?

Pensé acerca de los resultados de las valoraciones de las raíces de los polinomios, pero a mí me parece ya demasiado complicado (par ailleurs ya que yo soy la introducción de las valoraciones en el comienzo de la charla, no va a llegar a ser una aplicación de algo que ya sabíamos).

20voto

ashirley Puntos 568

Aquí es un hermoso y esencialmente primaria el resultado de la $p$-adics: el Skolem-Mahler-Lech teorema.

Teorema. (Skolem-Mahler-Lech) Deje $(a_i)$ ser una secuencia definida por un número entero lineal de recurrencia. Entonces el conjunto de $i$ tal que $a_i=0$ es la unión de un conjunto finito con un número finito de progresiones aritméticas.

Una rápida prueba se puede encontrar en Terry Tao del blog, aquí. Esencialmente, el $p$-ádico paso de la prueba funciona mediante la definición de una $p$-ádico de la analítica de la función con un número infinito de ceros y, a continuación, concluyendo que esta función es idéntica a cero, por la definición de esta función, esto da una cierta congruencia de la información sobre la estructura de la puesta a cero de la recurrencia lineal, como se desee. La prueba es bastante elemental y hermosa, y creo accesible para personas viendo el $p$-adics por primera vez.

15voto

T_P Puntos 70

Para un ejemplo alucinante, hay secuencias de racionales que convergen tanto p-adicamente como en el sentido real a números racionales, pero no el mismo número racional.

13voto

sagi Puntos 482

Aquí hay tres más elementales cuyos resultados más naturales de la prueba implica la $p$-ádico ideas. Todos los tres se pueden encontrar en Cassels' libro sobre los Campos Locales (edición mencionado por Laurent Berger en un comentario).

La primera es Witt de la prueba del teorema de Clausen y von Staudt en el Capítulo 1. No requiere nada más que la definición de la $p$-ádico valoraciones; la idea es que el $a\in{\bf Q}$ es de ${\bf Z}$ si $a\in{\bf Z}_p$ por cada prime $p$.

La segunda dice que el orden de cada subgrupo finito $G\subset{\mathrm GL}_n({\mathbf Q})$ divide $$ \prod_l l^{\beta(l)} $$ donde $l$ ejecuta a través de los números primos y $$\beta(l)=\lfloor n/(l-1)\rfloor+\lfloor n/l(l-1)\rfloor+\lfloor n/l^2(l-1)\rfloor+\cdots $$ para $l\neq2$ e $\beta(2)=n+2\lfloor n/2\rfloor+\lfloor n/2^2\rfloor+\lfloor n/2^3\rfloor+\cdots$. Ver Teorema 2.1 en el Capítulo 4.

El tercero es un teorema de Selberg que dice que cada finitely generado subgrupo $G\subset{\mathrm GL}_n(k)$, donde $k$ es un campo de caracteres $0$, contiene una normal torsionfree subgrupo de índice finito. Ver Teorema 4.1 en el Capítulo 5.

Tenga en cuenta, finalmente, que el (Skolem)-Mahler-Lech es el teorema Teorema 5.1 en el mismo capítulo.

Adenda. Puesto que ya había TeXed Witt prueba para mis Notas, es fácil de reproducir aquí :

Teorema (von Staudt--Clausen, 1840)
Deje $k>0$ ser un entero par, y deje $l$ ejecutar a través de los números primos. A continuación, el número de $$ (1)\quad\quad\quad W_k=B_k+\sum_{l-1|k}{1\over l} $$ es siempre un número entero. Por ejemplo, $\displaystyle W_{12}=B_{12}+{1\over 2}+{1\over3}+{1\over5}+{1\over7}+{1\over 13}=1$.

[Los Británicos analista de Hardy dice en sus Doce conferencias (p. 11) que este teorema fue redescubierto por Ramanujan `en un tiempo de su vida, cuando él apenas había formado definido el concepto de la prueba".]

Prueba (Witt) : La idea es mostrar que $W_k$ es $p$-ádico entero para cada prime $p$. Más precisamente, nos muestran que la $B_k+p^{-1}$ (resp. $B_k$) es una $p$-ádico entero si $p-1|k$ (resp. si no lo está).

Para un entero $n>0$, vamos a $S_k(n)=0^k+1^k+2^k+\cdots+(n-1)^k$. La comparación de la los coeficientes en los dos lados de $$ 1+e^T+e^{2}+\cdots+e^{(n-1)T}={e^{nT}-1\T sobre}{T\a través de e^T-1}, $$ tenemos $\displaystyle S_k(n) =\sum_{m\[0,k]}{k\elegir m}{B_m\más k+1-m}n^{k+1-m}$. To recover $B_k$ from the $S_k(n)$, es tentador tomar el límite de $\displaystyle\lim_{n\to0}S_k(n)/n$, lo que no tiene sentido en la arquímedes mundo. Sin embargo, si tomamos $n$ ejecutar a través de los poderes $p^s$ de una prima fija $p$, a continuación, $p$-adically, $p^s\to0$ as $s\to+\infty$, y $$ (2)\quad\quad\quad\lim_{s\a+\infty}S_k(p^s)/p^s=B_k. $$ Comparemos $S_k(p^{s+1})/p^{s+1}$ con $S_k(p^s)/p^s$. Cada $j\in[0,p^{s+1}[$ puede ser el único escrito como $j=up^s+v$ donde $u\in[0,p[$ y $v\in[0,p^s[$. Ahora, $$ \eqalign{ S_k(p^{s+1}) &=\sum_{j\[0,p^{s+1}[}j^k=\sum_{u\[0,p[}\sum_{v\[0,p^s[}(hasta^s+v)^k\cr % &\equiv p\left(\sum_{v\[0,p^s[}v^k\right) % +kp^s\left(\sum_{u\[0,p[}u\sum_{v\[0,p^s[}v^{k-1}\right) % \pmod{p^{2}}\cr &\equiv p\left(\sum_v v^k\right) +kp^s\left(\sum_u u\sum_v v^{k-1}\right)\pmod{p^{2}}\cr }$$ por el teorema del binomio. Como $\sum_{v}v^k=S_k(p^s)$ y $2\sum_uu=p(p-1)\equiv0\pmod p$, obtenemos $$ S_k(p^{s+1})\equiv pS_k(p^s)\pmod{p^{s+1}}, $$ donde, por $p=2$, el hecho de que $k$ es incluso ha sido utilizado. Dividiendo todo por $p^{s+1}$, esto se puede expresar diciendo que $$ {S_k(p^{s+1})\sobre p^{s+1}}-{S_k(p^s)\sobre p^s}\in{\mathbf Z}_{(p)} $$ es una $p$-ádico entero, y por lo tanto $$ {S_k(p^r)\sobre p^r}-{S_k(p^s)\sobre p^s}\en Z_{(p)} $$ para cualesquiera dos enteros $r>0$, $s>0$, desde ${\mathbf Z}_{(p)}$ es un sub-anillo de $\mathbf Q$. La fijación de $s=1$ y dejando $r\to+\infty$, podemos ver que $B_k-S_k(p)/p\in{\mathbf Z}_{(p)}$, en vista de $(2)$. Necesitamos un

Lema. $S_k(p)=\sum_{j\in[1,p[}j^k$ es $\equiv-1\pmod p$ si $p-1|k$ y $\equiv0\pmod p$ lo contrario.

Esto es claro si $p-1|k$. Supongamos que no, y vamos a $g$ ser un generador de $({\mathbf Z}/p{\mathbf Z})^\times$. Tenemos $g^k-1\not\equiv0$, mientras que $$ (g^k-1)\left(\sum_{j\in[1,p[}j^k\right) \equiv (g^k-1)\left(\sum_{t\[0,p-1[}g^{tk}\right) \equiv g^{(p-1)k}-1\equiv0. $$ De ello se desprende que $B_k+p^{-1}\in{\mathbf Z}_{(p)}$ si $p-1|k$ e $B_k\in{\mathbf Z}_{(p)}$ de lo contrario. En cualquier caso, el número de $W_k$ (1), que puede ser escrito como $$ W_k=\casos{ (B_k+p^{-1})+\sum_{l\neq p l}^{-1}&\hbox{si }p-1|k\cr (B_k)+\sum_l l^{-1}&\hbox{en caso contrario},\cr }$$ (donde $l$ se ejecuta a través de los números primos para que $l-1|k$) resulta ser un $p$-ádico entero para cada prime $p$. Por lo tanto $W_k\in{\mathbf Z}$, como se reivindica.

7voto

sagi Puntos 482

Chris Wuthrich se ha mencionado que la estructura del grupo $({\bf Z}/p^n{\bf Z})^\times$ puede ser fácilmente determinado por $p$-ádico métodos. Estos métodos son realmente indispensables para la determinación de la estructura del grupo $({\mathfrak o}/{\mathfrak p}^n)^\times$ en general, donde ${\mathfrak o}$ es el anillo de enteros en un campo de número y ${\mathfrak p}\subset{\mathfrak o}$ es un alojamiento ideal. Consulte el Capítulo 15 de Hasse de la Teoría de los números.

Como una aplicación relacionada, considere la posibilidad de Wilson del teorema de ($(p-1)!\equiv-1\pmod p$ para un primer número $p$). De manera más general, Gauss ("Disquisitiones, $\S$78) determina el producto de todos los elementos de $({\bf Z}/a{\bf Z})^\times$ por cada $a>0$. Ahora hay dos posibilidades, $+1$ e $-1$, y Gauss demuestra que el producto es $-1$ precisamente al $a$ es $4$, o $p^m$ o $2p^m$ por alguna extraña prime $p$ e integer $m>0$.

Un sitio ideal para una ${\mathfrak a}\subset{\mathfrak o}$ en el anillo de enteros de un número campo, ¿cuál es el producto de todos los elementos en $({\mathfrak o}/{\mathfrak a})^\times$ ? Ahora hay cuatro posibilidades, y se puede decir que se produce una vez. Este resulta ser un resultado de Laššák Miroslav (2000), pero yo tenía un montón de diversión hace un par de años dando un simple $p$-ádico prueba en JTNB (o arXiv).

Addendum. Laššák del documento está disponible en línea hoy en día.

5voto

Laurent Berger Puntos 4914

En otras palabras, la pregunta es: si yo había preparado algo acerca de la teoría de Galois me hubiera terminado con la aplicación a resolubility del polinomio o regla y compás construcciones; si hubiera sido algo acerca de las formas modulares, que hubiera sido para asegurarse de último teorema de Fermat; con 3 superficies habría sido conjetura de Poincaré y así sucesivamente. Lo que si se trata de p-ádico números o p-ádico de análisis?

Estos resultados tienen distintos niveles de sofisticación. Me gustaría proponer las conjeturas de Weil como una aplicación : http://en.wikipedia.org/wiki/Weil_conjectures#Statement_of_the_Weil_conjectures

La primera instrucción (la racionalidad de la función Zeta) originalmente fue demostrado por Obra utilizando puramente $p$-ádico métodos. Es una hermosa aplicación de $p$-ádico de análisis y $p$-ádico análisis funcional. Además, no debería ser demasiado difícil de estado el teorema, ya que se trata de contar con soluciones de polinomios en campos finitos.

Por último, también se puede decir que Kedlaya ahora ha dado un carácter puramente $p$-ádico prueba completa de la conjetura (ya demostrado por Deligne el uso de otros métodos).

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