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定义Definition

数域判别式

Number field discriminant

整基迹配对的行列式定义数域判别式,推导换基平方律并用 Q(√13) 区分域判别式、幂基判别式和分歧。

形式陈述 ​

设 K/Q 为 n 次数域,b1,…,bn 为有理基。其判别式为

disc(b1,…,bn)=det⁡(TrK/Q(bibj)).

这里使用 迹配对和行列式。若所选基是完整整数环的整数基,所得整数称为数域判别式 DK;它与整数基的选择无关。

设新基 cj=∑ibiPij,则迹矩阵变为 PTGP,所以

disc(c1,…,cn)=(det⁡P)2disc(b1,…,bn).

整基之间 det⁡P=±1,所以 DK 不变。若 A⊆OK 是有限指数阶,则

disc(A)=[OK:A]2DK.

若 α 是 K 的整原始元,其极小多项式判别式等于幂基 (1,α,…,αn−1) 的判别式,而未必等于 DK;非原始元只给出子域 Q(α) 的幂基。

直觉

迹配对把两条整数坐标方向相互比较,行列式检测整格在这个配对下的整体非退化程度。换基矩阵在两个输入上各作用一次,因此行列式出现平方,而不是一次幂。

判别式也记录素数处的退化:把迹矩阵模 p 后,如果不再可逆,整数环在这个素数处便不再像若干互不混合的有限域。这个桥梁把一个全局整数与局部分歧联系起来。

例子与边界

Q(13) 的两个判别式 ​

用整数基 (1,θ),其中 θ=(1+13)/2、θ2=θ+3。已经算得

G=(2117),

所以

DK=14−1=13.

若误用 (1,13) 当整基,得到矩阵 diag(2,26),行列式为 52。它并非计算错误,而是算了较小阶 Z[13] 的判别式。该阶指数为二,所以

52=22⋅13,

正好核验指数平方律。

对应多项式 X2−X−3 的判别式为 1+12=13,而 X2−13 的判别式为 52。不同原始元可给不同多项式判别式,数域本身的 DK 却固定。

判别式不总为正 ​

在 Q(i) 的整基 (1,i) 下,迹矩阵为 diag(2,−2),所以域判别式为 −4。一般有 r2 对非实嵌入时,DK 的符号为 (−1)r2。因此把判别式直接称为“体积”不准确;在标准实—复 Minkowski 嵌入中,整数格的余体积是

2−r2|DK|.

平方根、绝对值和复坐标的因子都不能省略。

推论与应用

判别式怎样检测分歧 ​

对有理素数 p,有

p 在 K 中分歧⟺p∣DK.

左边精确定义见分歧指数与剩余次数:在 pOK 的素理想分解中至少一个指数大于一。

证明机制是考察有限维 Fp-代数 OK/pOK。未分歧时它是若干有限域的直积,有限域扩张可分,迹配对非退化;出现分歧时,某个素理想幂带来非零幂零元,使这个配对退化。整基迹矩阵模 p 恰是该有限代数的迹矩阵,因此退化当且仅当行列式 DK 被 p 整除。

本例中只有 13 分歧,2 不分歧。但多项式 X2−13 模 2 变为 (X−1)2。这个重因子来自选用指数为二的子阶,不能说明域里的 2 分歧。Dedekind 分解判据必须先排除素数整除该指数,才允许从模素数因式分解直接读取分歧。

判别式还给寻找整基一个有限检验:若某整元素基的判别式无平方因子,它的子格指数平方只能为一,因此已经是整基。反向不成立,完整数域判别式也可能含平方因子;不能把“有平方因子”直接当作漏掉整元素的证据。

参考资料
  • J. S. Milne,Algebraic Number Theory,Ch. 2 “Discriminants”,印刷 pp. 33–38;Ch. 3 “The primes that ramify”,pp. 60–62。
关系图谱21 个相邻概念 · 2 类关系

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