十九世紀(jì)的數(shù)論(二+)

庫(kù)默爾是研究單位根形成的代數(shù)數(shù),而高斯的學(xué)生戴德金(Julius Wilhelm Richard Dedekind,1831-1916)用一種全新的形式探討唯一因子分解問(wèn)題目尖,他出生在不倫瑞克馒吴,31歲時(shí)回到不倫瑞克,在當(dāng)?shù)馗叩燃夹g(shù)學(xué)校當(dāng)了50年教師瑟曲,1871年他編輯狄利克雷的《數(shù)論》第二版饮戳,在附錄中發(fā)表了他的結(jié)果。在第三洞拨、四版《數(shù)論》中他又?jǐn)U展了這些結(jié)果扯罐,創(chuàng)立了現(xiàn)代代數(shù)數(shù)的理論。
戴德金的代數(shù)數(shù)理論是高斯復(fù)整數(shù)和庫(kù)默爾代數(shù)數(shù)的一般化烦衣,但和高斯復(fù)整數(shù)有一些差別篮赢,如果數(shù)r是方程a_0x^n+a_1x^{n-1}+\dots+a_{n-1}x+a_n=0的根(方程次數(shù)為n)就稱(chēng)r為一個(gè)n次代數(shù)數(shù)齿椅,式中ai是普通整數(shù)(a0不為0)琉挖,如果a0為1启泣,則所有解叫做n次代數(shù)整數(shù)。代數(shù)整數(shù)的和示辈、差寥茫、積仍是代數(shù)整數(shù),如果一個(gè)代數(shù)整數(shù)是有理數(shù)矾麻,則它是普通整數(shù)纱耻。
在新定義下,一個(gè)代數(shù)整數(shù)可以包括普通分?jǐn)?shù)险耀,如(-13+\sqrt{-115})/2是一個(gè)二次代數(shù)整數(shù)弄喘,因?yàn)樗?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=x%5E2%2B13x%2B71%3D0" alt="x^2+13x+71=0" mathimg="1">的根,反之(1-\sqrt{-5})/2是一個(gè)二次代數(shù)數(shù)但不是代數(shù)整數(shù)甩牺,因?yàn)樗?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=2x%5E2-2x%2B3%3D0" alt="2x^2-2x+3=0" mathimg="1">的根蘑志。
戴德金接著引入數(shù)域的概念,數(shù)域是一個(gè)實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)的集合F贬派,如果α,β屬于F急但,則α+β,α-β搞乏,αβ波桩,α/β(β≠0)都屬于F,每個(gè)數(shù)域都包含有理數(shù)请敦,因?yàn)槿绻翆儆跀?shù)域F镐躲,則α/α=1也屬于F,1+1侍筛,1+2等都屬于F萤皂。一切代數(shù)數(shù)的集合形成一個(gè)域。
如果從有理數(shù)域出發(fā)勾笆,而θ是一個(gè)n次代數(shù)數(shù)敌蚜,則θ和自身及有理數(shù)在四種運(yùn)算下形成的集合也是n次域,這個(gè)域也可以說(shuō)是包含有理數(shù)和θ的最小域窝爪,也稱(chēng)有理數(shù)的擴(kuò)域弛车。這樣的域不包含所有代數(shù)數(shù),而是一個(gè)特殊的代數(shù)數(shù)域蒲每,現(xiàn)在常記為R(θ)纷跛。令f(x),g(x)為有理系數(shù)的多項(xiàng)式,f(θ)/g(θ)在域R(θ)中邀杏,且R(θ)中的任何數(shù)a能表示為a=a_0\theta^{n-1}+a_1\theta^{n-2}+\dots+a_{n-1}贫奠,ai是普通有理數(shù)唬血。此外域中存在n個(gè)代數(shù)整數(shù)θ1,θ2,...,θn使域中所有代數(shù)整數(shù)都有形式A1θ1+A2θ2+...+Anθn,Ai是普通的正或負(fù)整數(shù)唤崭。
戴德金引入了環(huán)的概念拷恨,環(huán)是一個(gè)集合,如果α和β屬于該集合谢肾,則α+β腕侄,α-β,αβ也屬于該集合芦疏,所有代數(shù)整數(shù)的集合形成一個(gè)環(huán)冕杠,任何一個(gè)特殊代數(shù)數(shù)域中的一切代數(shù)整數(shù)也形成環(huán)。
如果存在一個(gè)代數(shù)整數(shù)γ使α=βγ酸茴,就說(shuō)代數(shù)整數(shù)α能被代數(shù)整數(shù)β整除分预,如果j是一個(gè)代數(shù)整數(shù)并能整除代數(shù)數(shù)域中的每個(gè)其它整數(shù),就稱(chēng)j是該域的一個(gè)可逆元素薪捍,這些可逆元素包括±1笼痹,是普通數(shù)論中可逆元素±1的一般化。如果代數(shù)整數(shù)α不是0或可逆元素飘诗,且能分解為βγ(β和γ也屬于該域与倡,β或γ是該域中的可逆元素),則稱(chēng)α是一個(gè)素?cái)?shù)昆稿。

下面討論算數(shù)基本定理成立的范圍纺座。在一切代數(shù)整數(shù)所形成的環(huán)中沒(méi)有素?cái)?shù)「忍叮考慮特殊的代數(shù)數(shù)域R(θ)中的整數(shù)環(huán)净响,如域a+b\sqrt{-5},其中a,b是普通的有理數(shù)喳瓣,在這個(gè)域中唯一因子分解不成立馋贤,如21=3·7=(4+\sqrt{-5})(4-\sqrt{-5})=(1+2\sqrt{-5})(1-2\sqrt{-5}),這四個(gè)因子都是素?cái)?shù)畏陕,它們不能分解為形如(c+d\sqrt{-5})(e+f\sqrt{-5})的乘積配乓,其中cdef是整數(shù)。
再考慮域a+b\sqrt{6}惠毁,a,b是普通有理數(shù)犹芹,對(duì)這種數(shù)進(jìn)行四種代數(shù)運(yùn)算仍能得到這種數(shù)。限定a,b是整數(shù)鞠绰,則得到這個(gè)域的(2次)代數(shù)整數(shù)腰埂,在這個(gè)域中可將可逆元素等價(jià)定義為:若1/M也是代數(shù)整數(shù),則代數(shù)整數(shù)M是可逆元素蜈膨,于是±1和5±2√6是可逆元素屿笼。每個(gè)整數(shù)都可被任意可逆元素整除牺荠,如果域中的一個(gè)代數(shù)整數(shù)只能被自身和可逆元素整除,則它為素?cái)?shù)驴一。6=2·3=√6·√6的分解因子不是素?cái)?shù)休雌,正確的分解是6=(2+√6)(-2+√6)(3+√6)(3-√6),此時(shí)唯一分解成立蛔趴。
在特殊代數(shù)數(shù)域的整數(shù)環(huán)中挑辆,代數(shù)整數(shù)總能分解成素因數(shù),但唯一分解一般不成立孝情,對(duì)形如a+b\sqrt{-D}的域,D取不為平方數(shù)整除的正整數(shù)洒嗤,對(duì)直到10^9的D僅當(dāng)D=1,2,3,7,11,19,43,67,163時(shí)唯一因子分解成立箫荡,因此代數(shù)數(shù)本身不具備唯一因子分解性。

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