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分式理想、類群與類數

一旦允許分式理想,戴德金整環的非零理想就構成一個群。對主理想取商,便得到理想類群——一個有限阿貝爾群,其階(即類數)恰好度量 O_K 離 UFD 有多遠。

分式理想使理想成為一個群

普通理想可以相乘,但沒有逆元——你無法做除法。修復方法是擴大:O_K 的[[fractional-ideal|分式理想]]是 K 的一個非零有限生成 O_K-子模,等價於 (1/d)·I,其中 I 是普通理想,d 在 O_K 中。在戴德金整環中,每個非零分式理想都可逆:其逆為 { x ∈ K : x·a ⊆ O_K }。因此非零分式理想在乘法下構成一個阿貝爾群 J_K,單位元為 O_K。

根據理想的唯一分解,J_K 實際上是質理想上的自由阿貝爾群:每個分式理想都是有限乘積 ∏ p^(n_p),指數 n_p 為整數(允許負指數)。這使得 J_K 中的計算變成對指數向量的記賬。

對主理想取商:類群

J_K 內部坐落著分式理想 P_K = { (x) : x ∈ K* },它們構成一個子群(因為 (x)(y) = (xy))。商 Cl(K) = J_K / P_K 就是[[ideal-class-group|理想類群]]。兩個理想屬於同一類當且僅當它們相差一個主理想的乘法——即 a = (x)·b 對某個 x ∈ K。這是一種式構造,只不過作用於群。

有限性與一個類數計算實例

深刻的定理是 Cl(K) 有限——透過閔可夫斯基界證明,這是一個數的幾何估計,保證每個理想類都包含一個範數至多為 M_K 的整理想。因此要求出 Cl(K),你只需分解有限多個質數 p ≤ M_K,並追蹤它們之上的質理想的類。

  1. 由判別式以及實/複嵌入的個數計算閔可夫斯基界 M_K。
  2. 列出所有 p ≤ M_K 的有理質數;將每個 (p) 分解為 O_K 的質理想。
  3. Cl(K) 由這些質理想的類生成;透過識別主理想(小範數元素)找出它們之間的關係。
K = Q(sqrt(-5)),  O_K = Z[sqrt(-5)],  disc = -20.
Minkowski bound  M_K = (4/pi) * sqrt(20) / 4 ≈ 2.84.
==> only need primes p <= 2,  i.e.  p = 2.

Factor (2):   x^2+5 ≡ x^2+1 ≡ (x+1)^2 (mod 2)
   ==>  (2) = p^2  with  p = (2, 1+sqrt(-5)).

Is p principal?  If p = (a+b sqrt(-5)) then N(p) = 2 = a^2+5b^2,
which has no integer solution.  So p is NON-principal: [p] != 1.
But  p^2 = (2)  is principal, so  [p]^2 = 1  in Cl(K).

Cl(K) is generated by [p] of order 2.
==>  Cl(Q(sqrt(-5))) ≅ Z/2Z,   class number  h_K = 2.

Reading: h_K = 2 != 1 confirms Z[sqrt(-5)] is NOT a UFD,
exactly matching the 6 = 2*3 = (1+s)(1-s) failure.
h_K = 2 正是上一份指南中分解失效的數值指紋。