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Exponente de $GL(n,q)$.

Otro exponente problema. $GL(n,q)$ es el grupo de invertible $n\times n$ matrices sobre el campo finito $GF(q)$ donde $q$ es una fuente primaria de energía. Estoy tratando de averiguar el exponente de este grupo.

Ideas:

Estaríamos haciendo real bueno si pudiéramos encontrar el conjunto de elemento órdenes de $\{o(A):A\in GL(n,q)\}$, por lo que estoy buscando cosas para que me ayude a entender esto.

  1. El orden de $GL(n,q)$ $$|GL(n,q)|=\prod_{k=0}^{n-1}\left(q^n-q^k\right)$ $ El conjunto de factores primos de este número es un poco imprevisible, así que no estoy seguro de si puedo usar este.

  2. Si $q$ es primo, el máximo orden de un elemento en $GL(n,q)$ es en la mayoría de las $p^n-1$ (y esta obligado estricto, creo). También supongo que la máxima potencia de $p$ que se produce como una orden de este grupo es $p^{\lceil \log_pn\rceil}$. (fuente)

  3. Yo soy consciente de esto, que creo que implica que $\text{Exp}(GL(2,p^n))=\text{lcm}\{p(p^{2n}-1),p-1\}$. Estoy tratando de pensar en cómo extender para el caso general, pero no estoy seguro.

Y yo estoy atrapado; no puede pensar en otra cosa que pueda ser de ayuda.

10voto

GmonC Puntos 114

Uno puede dar una muy explícito fórmula para el exponente de $GL(n,\Bbb F_q)$, y una bastante explícita descripción de el conjunto de órdenes de elementos que pueden ocurrir.

En primer lugar, el orden de $A\in GL(n,\Bbb F_q)$ sólo depende de la mínima polinomio $f$$A$, y es igual al mínimo exponente $e>0$ tal que $X^e-1$ es divisible por $f$. Desde $A$ es invertible, el término constante de $f$ es distinto de cero, pero de lo contrario $f$ puede ser esencialmente a ser cualquier polinomio de grado en la mayoría de las $n$ $\Bbb F_q[X]$ usando compañero de matrices ("esencialmente" debido a la ampliación de una matriz con una matriz identidad de bloque puede cambiar su mínima polinomio: se convierte en el $\def\lcm{\operatorname{lcm}}\lcm$ $X-1$ y la edad mínima polinomio; sin embargo, esto no afecta el valor asociado $e$). Así tenemos que el conjunto de órdenes de elementos $A$ es igual al conjunto de los exponentes $e$ asociado a los polinomios de grado en la mayoría de las $n$$\Bbb F_q[X]$, y el exponente de $GL(n,\Bbb F_q)$ es el menos $e>0$ que $X^e-1$ es divisible por todos los polinomios.

Sin embargo no todos los polinomios deben ser considerados. Si queremos descomponer un polinomio en pares relativamente factores primos, entonces el asociado $e$ será el mínimo común múltiplo de los números de los factores, por el teorema del resto Chino para $K[X]$. También si $f$ es irreducible de grado $d$, a continuación, los asociados exponente $e_f$ será un divisor de a $q^d-1$ (debido a $\Bbb F_q[X]/(f)$ es un campo finito de orden $q^d$), y $e_f=q^d-1$ se produce por ciertos dichos polinomios, llamados polinomios primitivos (debido a que el grupo multiplicativo de ese campo finito es cíclico). También debemos tener en cuenta los exponentes asociados a las potencias $f^i$ de polinomios irreducibles (siempre que su grado es en la mayoría de las $n$); también aquí el interesante caso será al $f$ es un polinomio primitivo.

Desde $X^{q^d-1}-1$ es el producto de todos los monic irreductible polinomios con grado dividiendo $d$, con la excepción de $X$, es divisible por $f$, pero no por $f^2$; a continuación, se deduce que el $q^{e_f}-1$, el cual es divisible por $f$ por supuesto, no es divisible por $f^2$. Decir $X^{e_f}=1+af$ $a$ no divisible por $f$. Entonces por la fórmula binominal $X^{e_fk}\not\equiv 1\pmod{f^2}$ $0<k<p$ donde $p$ es la característica de la $\Bbb F_q$, pero en el otro lado $X^{e_fp}=1+a^pf^p$ por el Frobenius endomorfismo de $\Bbb F_q[X]$. Del mismo modo $X^{e_fpk}\not\equiv 1\pmod{f^{p+1}}$$0<k<p$, pero $X^{e_fp^2}=1+a^{p^2}f^{p^2}$. Continuar como esto, se deduce que el menor exponente $e>0$ $X^e\equiv 1\pmod{f^i}$ está dado por $$ e=e_fp^{\lceil\log_p i\rceil} $$ que es máxima (en el multiplicativo sentido) entre polinomios irreducibles de grado $d$ al $f$ es primitivo, y a continuación se da $$ e=(p^d-1)p^{\lceil\log_p i\rceil} $$

El problema de encontrar todos los pedidos de elementos de $GL(n,\Bbb F_q)$ se convierte en la búsqueda de los números que se pueden expresar como el mínimo común múltiplo de una colección de dichos números $e$, cada uno, para algunos $(d,i)$, bajo la restricción de que la suma de los valores de $di=\deg(f^i)$ ser en la mayoría de las $n$ (por supuesto, todos los divisores de estos números también se producen como el orden de los elementos de $GL(n,\Bbb F_q)$). No sé de ninguna realmente transparente forma de describir a este conjunto de órdenes. En cualquier caso, como en el enlace de la pregunta indica, el hecho de que $\Bbb F_q[A]$ sólo ha $q^d-1$ cero elementos donde $d$ es el grado del polinomio mínimo de a $A$ muestra que el máximo (en el aditivo sentido) posible orden de $q^n-1$ es alcanzado por un único par $(d,i)=(n,1)$.

Sin embargo, el exponente de $GL(n,\Bbb F_q)$ puede ser explícito. La multiplicidad de $p$ es $\lceil\log_p n\rceil$, obtenido por $(d,i)=(1,n)$. El factor relativamente primer a$p$$\lcm(q-1,q^2-1,\ldots,q^n-1)$. Es conocido (véase, por ejemplo, esta pregunta) que $\gcd(q^k-1,q^l-1)=q^{\gcd(k,l)}-1$, por lo que el común de los factores a considerar aquí son los que se producen en la lista a sí mismos, y, de hecho, dados los números anteriores, el número de $q^k-1$ contribuye con el fresco factor el valor de $\Phi_k(q)$ donde $\Phi_k$ $k$- th cyclotomic polinomio. Así, finalmente, el exponente de $GL(n,\Bbb F_q)$ es igual a $$ p^{\lceil\log_p n\rceil} \prod_{k=1}^n\Phi_k(q) \qquad\text{donde }p\text{ es la característica de la }\Bbb F_q. $$

Como una comprobación de validez, voy a enchufar $n=2$ a dar el exponente $p(q-1)(q+1)=p(q^2-1)$. Para $n=3$ uno se exponente $2^2(q^2-1)(q^2+q+1)$ en el carácter $2$ (de hecho, el exponente de $GL(3,\Bbb F_2)$, que tiene orden de $168$$4\times3\times7=84$) y $p(q^2-1)(q^2+q+1)$ en cualquier otra característica $p$.

9voto

Xetius Puntos 10445

Vamos a escribir $G=GL(n,q)$ para su grupo.

Por el teorema que afirma que el llamado Bloque de la Forma Canónica de Jordan de matrices sobre campos finitos existen, sabemos que cada matriz en $G$ es conjugado a uno que es un bloque de la matriz con los bloques de la forma $$\begin{pmatrix}C_f\\I&C_f\\&I&C_f\\&&\ddots&\ddots\end{pmatrix} \tag{$\estrellas$}$$ with $f$ an irreducible polynomial over the field $\mathbb F_q$ of some degree $d$, $C_d$ its companion matrix and $I$ the identity matrix of size $d$; véase, por ejemplo, la presente nota.

De ello se desprende que el exponente de a $G$ es el MCM de los pedidos de todas las matrices de esta forma con el tamaño total en la mayoría de las $n$.

Así que vamos a $A$ ser una matriz de la forma$(\star)$, $r\times r$ bloques, $f\in\mathbb F_q[X]$ un polinomio irreducible de grado $d$, $C_f$ su compañero de la matriz y $I=I_d$ $d\times d$ matriz identidad. Si dejamos $D$ ser la "diagonal de la parte" e $N$ ser la "baja de la parte triangular" (de modo que $D$ es un bloque diagonal de la matriz de con $r$ bloques de igual a $C_f$ a lo largo de la diagonal y $N$ es un bloque de la matriz con los no-cero bloques de igual a $I_d$ exactamente donde estas aparecen en $A$), tenemos $A=D+N$, $DN=DN$ y $N^r=0$. De ello se deduce inmediatamente de esta y la fórmula binominal que $$A^s=D^s+\binom{s}{1}D^{s-1}N+\binom{s}{2}D^{s-2}N^2+\cdots+\binom{s}{r-1}D^{s-r+1}N^{r-1}$$ for all $s\geq0$. It is easy to see what each term in this sum looks like, and using that we can see that $A^s=I_{dr}$ if and only if $D^s=I_{dr}$ and $\binom{s}{i}D^{s-i}=0$ for all $i\in\{1,\dots,r-1\}$. This happens iff $$\text{$C^s=I_d$ and $\binom{s}{i}=0$ for all $i\in\{1,\dots,r-1\}$.}$$ Of course, the order of $A$ is the least positive number $s$ which satisfies this condition. Plainly, it depends only on $f$ and on $r$, so we can call it $o(f,r)$. Moreover, it is clear that $o(f,r)\a mediados de o(f,r+1)$, so the exponent of $G$ is $$LCM\{o(f,\lfloor n/\deg(f)\rfloor:f\in\mathbb F_q[X],\text{$f$ irreducible}, \deg(f)\leq n\}$$

Si $n=2$, no es muy difícil de calcular esto: me $LCM(p(p^{2n}-1),p(p^n-1))$, que felizmente es igual a la fórmula que se me dio en un comentario a la pregunta.

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