Кіріспе
Сандар теориясында Пифагор теоремасы сияқты квадраттық өзаралық заң да көптеген дәлелдерге мүмкіндік берді. Квадраттық өзаралық заңның жүздеген дәлелдемелері жарияланған.
Дәлелдің қысқаша мазмұны
Ерекше комбинаторлық дәлелдеулердің ішінде екі түрлі қос санау қолданылатын дәлел бар. Біреуі Готтольд Эйзенштейнге тиесілі, ол тордағы нүктелерді санайды. Екіншісі Золотарев леммасын қолданады, ол қытайлық қалдық теоремасы арқылы түрде көрсетіледі және пермутацияның белгісін есептейді. Белгілі ең қысқа дәлелдеуде де қос санаудың жеңілдетілген түрі қолданылады, атап айтқанда, белгілі бір жай санға қатысты қос санау.
Квадраттық Гаусс қосындыларын қолдану дәлелі
Гаусс сомасын қолдана отырып, Квадраттық Өзара байланысты дәлелдеу – ең көп тараған және классикалық дәлелдемелердің бірі. Бұл дәлелдемелер екі түрлі жолмен бір мәннің есептелуін салыстыру арқылы жұмыс істейді, бірі Эйлер критерийін, екіншісі бином теоремасын пайдаланады. Эйлер критерийінің қалай қолданылатынын көрсететін мысал ретінде, біз оны p тақ санды анықтаудың бірінші қосымша жағдайын жылдам дәлелдеу үшін пайдалана аламыз: Эйлер критерийі бойынша , бірақ эквиваленттіліктің екі жағы да ±1 және p тақ болғандықтан, біз одан шығара аламыз.
Екінші қосымша іс
Келтіріңіз , бірлік түбірінің бастапқы 8-ші дәрежесі және анықтаңыз . Егер және болса, онда көреміз, себебі — алгебралық бүтін сан. Егер p — тақ сан болса, оны p модулі бойынша қарастыруға болады. (Формальды түрде, біз p-мен бөлінетін идеал арқылы алгебралық бүтін сандарды факторлау арқылы құрылған коммутативтік сақинаны қарастырамыз. — алгебралық бүтін сан болмағандықтан, 1, 2, , p — сақинаның әртүрлі элементтері болып табылады.) Эйлердің критериін қолданып, мынаны білдіре аламыз. Бірақ біз биномдық теорема арқылы да есептей аламыз. Биномдық кеңеюдегі өзара мүшелердің барлығы p көбейткіштерін қамтиды, сондықтан біз оны екі жағдайға бөліп, дәлірек анықтай аламыз. Бұл 8 модулі бойынша қарастырылатын жағдайлардың жалғыз нұсқалары және осы екі жағдайды да экспоненциалдық формада есептеуге болады. Мұны барлық тақ сандар үшін былай қысқаша жазуға болады: Осы екі өрнекті және оны p-мен көбейту арқылы біз мынаны анықтаймыз. —ның екеуі де ±1-ге тең және 2 p модулі бойынша инверттендік болып табылатындықтан, мына қорытындыға келуге болады.
These are the only options for a prime modulo 8 and both of these cases can be computed using the exponential form We can write this succinctly for all odd primes p as Combining these two expressions for and multiplying through by we find that Since both and are ±1 and 2 is invertible modulo p, we can conclude that
Жалпы жағдай
Жалпы дәлелдеу идеясы жоғарыдағы қосымша жағдайға сәйкес келеді: p үшін Легендр символдарын қамтитын алгебралық бүтін санды табыңыз, содан кейін осы алгебралық бүтін санның q-шы дәрежесін есептеу арқылы Легендр символдары арасындағы қатынасты анықтаңыз, модуль q бойынша екі түрлі жолмен – біреуі Эйлер критерийін, екіншісі биномдық теореманы қолдана отырып. Бұл бірліктің түпнұсқалық p-шы түбірі болсын. Бұл квадраттық Гаусс сомасы. Осы Гаусс сомаларының негізгі қасиеті – келесі дәлелдемеге контекст беру үшін, Гаусс сомасының жеке элементтері циклотомдық өрісте жатады, бірақ жоғарыдағы формула соманың өзі L-де қамтылған бірегей квадраттық өрістің генераторы екенін көрсетеді. Қайтадан, квадраттық Гаусс сомасы алгебралық бүтін сан болғандықтан, онымен модульдік арифметика қолдануға болады. Осы негізгі формула мен Эйлер критерийін қолданып, мынаны анықтаймыз: Сондықтан, биномдық теореманы қолданып, мынаны да анықтаймыз: Егер a-ны көбейтуге кері сан деп алсақ, онда осы соманы алмастыру арқылы қайта жаза аламыз, бұл соманың диапазонына әсер етпейді. екенін ескере отырып, мынаны жаза аламыз: Осы екі өрнекті көбейту арқылы, модуль q бойынша инверттік болып табылады және Легендр символдары ±1-ге тең болғандықтан, мына қорытындыға келеміз:
Алгебралық сандар теориясын қолдану арқылы дәлелдеу
Бұл жерде ұсынылған дәлел ең оңайы емес, алайда ол Артиннің өзара байланысы идеяларының кейбіреулерін түсіндіретіндей терең.
Циклотомиялық өрістің орнатылуы
p - тақ сан деп алайық. Оқиға циклотомдық өрісте өтеді, онда ζp – бірліктің p-дәрежелі түбірі. Циклотомдық өрістердің негізгі теориясы бізге σa автоморфизмін жіберетін канондық изоморфизм бар екенін көрсетеді. Атап айтқанда, бұл изоморфизм инъективті, себебі өрістің көбейту тобы циклдік топ болып табылады: Енді G элементтерінің квадратынан тұратын H ішкі тобын қарастырайық. G циклдік болғандықтан, H-тың G-дегі индексі 2-ге тең, сондықтан Галуа сәйкестігі бойынша H-қа сәйкес келетін субөріс Q-ның квадраттық кеңейтілуі болуы керек. (Шындығында, бұл L-дегі Q-ның бірегей квадраттық кеңейтілуі.) Гаусс кезеңдері теориясы қайсы екенін анықтайды; ол болып шығады. Осы сәтте біз квадраттық өзара байланыстың белгісін көре бастаймыз. Бір жағынан, H-тың кескінін дәл (нөлдік емес) p модулі бойынша квадраттық қалдықтар құрайды. Екінші жағынан, H p (немесе мүмкін -p) түбірін табуға жасалған әрекетпен байланысты. Басқаша айтқанда, егер q – жай сан болса (p-ден өзгеше), онда біз көрсеттік:
where ζp is a primitive pth root of unity. The basic theory of cyclotomic fields informs us that there is a canonical isomorphism
which sends the automorphism σa satisfying to the element In particular, this isomorphism is injective because the multiplicative group of a field is a cyclic group:
Now consider the subgroup H of squares of elements of G. Since G is cyclic, H has index 2 in G, so the subfield corresponding to H under the Galois correspondence must be a quadratic extension of Q. (In fact it is the unique quadratic extension of Q contained in L.) The Gaussian period theory determines which one; it turns out to be , where
At this point we start to see a hint of quadratic reciprocity emerging from our framework. On one hand, the image of H in consists precisely of the (nonzero) quadratic residues modulo p. On the other hand, H is related to an attempt to take the square root of p (or possibly of −p). In other words, if now q is a prime (different from p), we have shown that