Кіріспе
Математикада, сандар теориясы саласында, Гаусс кезеңі – біртүбірлердің белгілі бір қосындысы. Бұл кезеңдер Галуа теориясымен және гармониялық талдаумен (дискретті Фурье түрлендірмесі) байланысты циклотомдық өрістерде нақты есептеулер жасауға мүмкіндік береді. Олар циклотомия деп аталатын классикалық теорияның негізгі құралы болып табылады. Гаусс қосындысы, кезеңдердің сызықтық комбинациясы болып табылатын экспоненциалдық қосындының бір түрі, оған тығыз байланысты.
Мысал
Бұл жағдай ең қарапайым, егер n – p > 2 жай сан болса. Бұл жағдайда G p – 1 реттік циклдік болып табылады және оның p – 1 әр d бөлгіші үшін d реттік бір H кіші тобы бар. Мысалы, H индексі 2-ні таңдай аламыз. Бұл жағдайда H p модулі бойынша квадраттық қалдықтардан тұрады. Осы H-ге сәйкес біз Гаусс кезеңін (p − 1) / 2 квадраттық қалдықтар бойынша және басқа кезеңді P* (p − 1) / 2 квадраттық емес қалдықтар бойынша қосамыз. Сол жақтағы өрнек барлық бастапқы p-інші бірліктің түбірін қосатынынан бұл оңай көрінеді. Біз сондай-ақ, іздің анықтамасы бойынша, P Q-ның квадраттық кеңейтуінде екенін білеміз. Сондықтан, Гаусс білгендей, P бүтін сандық коэффициенттері бар квадраттық теңдеуді қанағаттандырады. P қорының квадратын есептеу 1 мен p – 1 арасындағы квадраттық қалдықтардың қаншасы квадраттық қалдықтармен тікелей келетінін есептеу мәселесімен байланысты. Шешімі элементар (қазіргі терминологиямен айтқанда, бұл конус қисығы үшін жергілікті дзета-функцияны есептейді). Бізде (P − P*)² = p немесе −p, p = 4m + 1 немесе 4m + 3 болған жағдайда тиісінше. Бұл Q(ζ)-да қай квадраттық өріс жатқандығы туралы нақты ақпаратты береді. (Бұл алгебралық сандар теориясындағы тармақтану аргументтері арқылы да шығаруға болады; квадраттық өріс қараңыз.) Гаусс көрсеткендей, P – P* мәнін есептеу үшін оң түбірді (немесе i есе оң нақты) таңдау керек, екі жағдайда да. Осылайша, P кезеңінің нақты мәні мына формуламен беріледі:
summed over (p − 1)/2 quadratic residues, and the other period P* summed over the (p − 1)/2 quadratic non residues. It is easy to see that
since the left hand side adds all the primitive p th roots of 1. We also know, from the trace definition, that P lies in a quadratic extension of Q. Therefore, as Gauss knew, P satisfies a quadratic equation with integer coefficients. Evaluating the square of the sum P is connected with the problem of counting how many quadratic residues between 1 and p − 1 are succeeded by quadratic residues. The solution is elementary (as we would now say, it computes a local zeta function, for a curve that is a conic). One has
(P − P*)2 = p or −p, for p = 4m + 1 or 4m + 3 respectively. This therefore gives us the precise information about which quadratic field lies in Q(ζ). (That could be derived also by ramification arguments in algebraic number theory; see quadratic field.) As Gauss eventually showed, to evaluate P − P*, the correct square root to take is the positive (resp. i times positive real) one, in the two cases. Thus the explicit value of the period P is given by
Гаусс кезеңдері мен Гаусс сомаларының арақатынасы
Гаусс кезеңдері гаусс сомаларымен байланысты, онда χ белгісі H-да тривиальды. Мұндай χ белгісі G-дегі H-ның белгілі бір коссетіндегі барлық a элементтері үшін бірдей мәнге ие. Мысалы, жоғарыда сипатталған p модулі бойынша квадраттық белгі, әрбір квадраттық қалдық үшін 1 мәнін қабылдаса, әрбір квадраттық емес қалдық үшін де 1 мәнін қабылдайды. Сондықтан, Гаусс сомасын Гаусс кезеңдерінің сызықтық комбинациясы ретінде жазуға болады (коэффициенттері χ(a) болып табылады); топтың (Z/nZ)× ортогоналдық қатынастарының салдарынан керісі де дұрыс. Басқаша айтқанда, Гаусс кезеңдері мен Гаусс сомалары бір-бірінің Фурье түрлендірмесі болып табылады. Гаусс кезеңдері көбінесе кішірек өрістерде орналасады, мысалы, егер n жай сан p болса, онда χ(a) мәндері біртінделік түбірінің (p-1)-ші дәрежесі болады. Екінші жағынан, Гаусс сомалары жақсы алгебралық қасиеттерге ие.