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分式理想、类群与类数

一旦允许分式理想,戴德金整环的非零理想就构成一个群。对主理想取商,便得到理想类群——一个有限阿贝尔群,其阶(即类数)恰好度量 O_K 离 UFD 有多远。

分式理想使理想成为一个群

普通理想可以相乘,但没有逆元——你无法做除法。修复方法是扩大:O_K 的[[fractional-ideal|分式理想]]是 K 的一个非零有限生成 O_K-子模,等价于 (1/d)·I,其中 I 是普通理想,d 在 O_K 中。在戴德金整环中,每个非零分式理想都可逆:其逆为 { x ∈ K : x·a ⊆ O_K }。因此非零分式理想在乘法下构成一个阿贝尔群 J_K,单位元为 O_K。

根据理想的唯一分解,J_K 实际上是素理想上的自由阿贝尔群:每个分式理想都是有限乘积 ∏ p^(n_p),指数 n_p 为整数(允许负指数)。这使得 J_K 中的计算变成对指数向量的记账。

对主理想取商:类群

J_K 内部坐落着分式理想 P_K = { (x) : x ∈ K* },它们构成一个子群(因为 (x)(y) = (xy))。商 Cl(K) = J_K / P_K 就是[[ideal-class-group|理想类群]]。两个理想属于同一类当且仅当它们相差一个主理想的乘法——即 a = (x)·b 对某个 x ∈ K。这是一种式构造,只不过作用于群。

有限性与一个类数计算实例

深刻的定理是 Cl(K) 有限——通过闵可夫斯基界证明,这是一个数的几何估计,保证每个理想类都包含一个范数至多为 M_K 的整理想。因此要求出 Cl(K),你只需分解有限多个素数 p ≤ M_K,并追踪它们之上的素理想的类。

  1. 由判别式以及实/复嵌入的个数计算闵可夫斯基界 M_K。
  2. 列出所有 p ≤ M_K 的有理素数;将每个 (p) 分解为 O_K 的素理想。
  3. Cl(K) 由这些素理想的类生成;通过识别主理想(小范数元素)找出它们之间的关系。
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数值指纹。