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東大数理院試過去問解答例(2018B01)

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ここでは東大数理の修士課程の院試の2018B01の解答例を解説していきます。解答例はあくまでも例なので、最短・最易の解答とは限らないことにご注意ください。またこの解答を信じきってしまったことで起こった不利益に関しては一切の責任を負いませんので、参照する際は慎重に慎重を重ねて議論を追ってからご参照ください。また誤り・不適切な記述・非自明な箇所などがあればコメントで指摘していただけると幸いです。

2018B01

素数p及び自然な全射
f:GL2(Z/p2Z)GL2(Fp)
を考える。このとき以下の条件を満たす素数pを全て求めなさい。
(i) GL2(Fp)の位数pの任意の元gについて、f(g)=gなる位数pgGL2(Z/p2Z)が存在する。

初めに任意のp>3はこの条件を満たさないことを示す。まず
g=(1101)
とおく。これは位数pである。ここで上記の条件を満たすgが存在すると仮定する。このとき
g=(1101)+p(xyzw)
の形で書ける。これをp乗したとき、
gp=(1p01)+p(i=0p1(1101)i(xyzw)(1101)p1i)=(1p01)+pi=0p1((1i01)(xyzw)(1p1i01))=(1p01)+pi=0p1(x+iz(p1i)(x+iz)+yz(p1i)z+w)=(1p01)+pi=0p1(x+iz(p1i)x+pizizi2z+yz(p1i)z+w)=(1p01)+pi=0p1(iz(pi)xi2ziz0(p1i)z)=(1p01)+(p2(p1)2zp2(p+1)2xp2(p1)2zp2(p1)(2p1)6z0p2(p1)2z)=(1+p2(p1)2zp(1+p(p+1)2xp(p1)2zp(p1)(2p1)6z)01+p2(p1)2z)
である。もしここでp>3であったとするとgpの右上の成分はx,y,z,wの値に関わらずp2で割り切れない。よって条件を満たすgは存在しえない。

gの位数がpであったとき、その固有値は1であるから、GL2(Fp)の全ての位数pの非自明な元は
(1101)
に共役である。よって条件(i)を満たすかどうか見るにはこの行列に関してのみgが存在するかどうか確かめれば充分。まずp=2のときは上記の式にp=2を代入して
gp=(1+2z2(1+x)01+2z)
がわかる。よって(x,y,z,w)=(1,0,0,0)、つまり
g=(3101)
とすれば良い。次にp=3のときは上記の式にp=3を代入して
gp=(13(1+4z)01)
がわかる。よって(x,y,w,z)=(0,0,0,2)、つまり
g=(1161)
とすれば良い。

以上からp=2,3のときのみ(i)が成り立つ。

投稿日:20231010
更新日:202464
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藍色の日々。趣味の数学と院試の過去問の(間違ってるかもしれない雑な)解答例を上げていきます。リンクはX(旧Twitter)アカウント 

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