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冪剰余記号に関する数値実験の結果 証明追記

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この記事の執筆の動機

いくつかの小さな素数で次のような性質が成り立つことがわかりました。

定義

lを奇素数とします。
奇素数plで割って1余る素数とします。
αpを平方非剰余な有限体Fpの元とします。
有限体Fp2の部分集合ABを次で定めます。
A={a   |ap+1=1}B={b   |bp+1=αp}

冪剰余記号の定義

F(x,p,l)を有限体Fpの乗法群から
複素数体の1l乗根のなす乗法群への非自明な準同型写像を
0に対しては、0となる拡張することで定めた写像とします。

その他定義

Tr(x)=xp+x
|x|2 複素数の絶対値の2

小さな素数で成り立った性質

Ap,l=aAF(Tr(a),p,l)
Bp,l=bBF(Tr(b),p,l)
4p=|Ap,l|2+|Bp,l|2

Ap,l,Bp,lの性質

F(x,p,l)は巡回群からの準同型写像であり、(p1)lが偶数のため、
F(x,p,l)の核に1を含む、
ABともに1倍で不変で、0を含まないため、
F(Tr(a),p,l)=F(Tr(a),p,l)
このため、Ap,l,Bp,ll次円分体の整数環上で2の倍数

求む反例か証明

小さな素数でのみ成り立ったので、
すべての素数で成立するか分かりません、
どなたか反例か証明を頂ければ幸いです。

偶数のとき

p=8k+1のとき、F(x,p,4)とすれば、いくつかの、素数で4p=|Ap,4|2+|Bp,4|2が成立しました。

4月23日追記 証明

θp(x)Fp×の非自明なディリクレ指標で、
θp(1)=1を満たすものとします。

θp(x)の性質

k,mFpの元としたとき
θp(x)の性質1 θp(km)=θp(k)θp(m)
θp(x)の性質2 |θp(k)|2=1
θp(x)の性質3 kFpθp(k)=0

定義の刷新

N(z)=zp+1

Sp,θp,s=N(z)=szFp2θp(Tr(z))

|Sp,θp,s|2の性質

kFp×の元とする。
z=kzで次の式を置き換えると、
Tr(kz)=kTr(x)N(kz)=k2N(z)θp(x)の性質から
|Sp,θp,s|2={N(z)=szFp2θp(Tr(z))}{N(z)=szFp2θp(Tr(z))}={N(z)=k2szFp2θp(Tr(z))}{N(z)=k2szFp2θp(Tr(z))}=|Sp,θp,k2s|2
この式より
|Sp,θp,s|2sに関して平方非剰余か非剰余か0かのみに依存する。

その他定義や補題

MMFp2で、
MFpとします。
以下簡単のためMp=Mとします。
以下1Mを基底として利用します。

xの定義
xFp2×
N(x)=1
x=x1+x2M

xの性質
xp=x1x2M
1=N(x)=xp+1=x12x22M2
もし x2=0ならx1=±1

証明

sFp×|Sp,θp,s|2=sFp×{N(z)=szFp2θp(Tr(z))}{N(w)=swFp2θp(Tr(w))}=zFp2×N(x)=1θp(Tr(z))θp(Tr(xz))
(z=z1+z2M)

=z1,z2Fp×N(x)=1θp(2z1)θp(2(z1x1z2x2M2))=z1,z2Fp×z10N(x)=1θp(x1z2z1x2M2)
(x2=0)(x20)に分けると
(x2=0)(x1=±1)
(x20)ならz1を固定したとき,z2を動かすと
(x1z2z1x2M2)Fp全体を動くので。
θp(x)の性質3より0

=z1,z2Fpz10θp(±1)=2(p1)p
θp(1)=1を用いた。

|Sp,θp,s|2の性質より

sFp×|Sp,θp,s|2=p12(|Sp,θp,1|2+|Sp,θp,αp|2)
合わせると
p12(|Sp,θp,1|2+|Sp,θp,αp|2)=2(p1)p

|Sp,θp,1|2+|Sp,θp,αp|2=4p
証明終わり

投稿日:2022421
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