Mathematics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Matemática universitária — Graduação 3

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4Extensões de corpos e teoria de Galois

Toda equação pode ser resolvida por radicais, como sugerem a fórmula quadrática e as fórmulas de Cardano para o grau três? É possível trissectar um ângulo com régua e compasso? As duas perguntas, abertas por séculos, recebem resposta — negativa — de uma única ideia de Évariste Galois: associar a cada polinômio um grupo finito de simetrias de suas raízes e ler a resposta no grupo. Este capítulo constrói o dicionário: extensões de corpos e graus, corpos de decomposição e fechos algébricos, corpos finitos (uma teoria completa — e a prometida ciclicidade de Fq×\mathbb F_q^\times), separabilidade e, então, a própria correspondência de Galois, com demonstrações integrais. Colhemos: a impossibilidade das construções clássicas, a estrutura dos corpos ciclotômicos e a insolubilidade da quíntica por radicais — a simplicidade de A5A_5, obtida no Capítulo 1, atingindo seu alvo.

4.1 Extensões, grau, algebricidade

Definição 4.1

Uma extensão de corpos L/KL/K é um corpo LL que contém KK como subcorpo; LL é então um KK-espaço vetorial, e o grau [L:K][L:K] é sua dimensão. A extensão é finita se [L:K]<[L:K] < \infty. A característica de um corpo é o gerador 0\geq 0 do núcleo de ZK\Z \to K, nn1n \mapsto n\cdot 1: ela vale 00 ou um primo pp; correspondentemente, KK contém um menor subcorpo (corpo primo) isomorfo a Q\Q ou a Fp=Z/pZ\mathbb F_p = \Z/p\Z.

Teorema 4.2 (Lei da torre)

Se KLMK \subseteq L \subseteq M, então [M:K]=[M:L][L:K][M:K] = [M:L]\,[L:K]: se (ei)(e_i) é uma base de LL sobre KK e (fj)(f_j) é uma base de MM sobre LL, então (eifj)(e_if_j) é uma base de MM sobre KK.

Demonstração. Geração: xMx \in M escreve-se x=jλjfjx = \sum_j \lambda_jf_j (λjL\lambda_j \in L), e cada λj=iμijei\lambda_j = \sum_i \mu_{ij}e_i (μijK\mu_{ij} \in K): x=i,jμijeifjx = \sum_{i,j}\mu_{ij}e_if_j. Independência: i,jμijeifj=0\sum_{i,j}\mu_{ij}e_if_j = 0 reescreve-se como j(iμijei)fj=0\sum_j (\sum_i \mu_{ij}e_i)f_j = 0; as somas internas estão em LL, logo se anulam (os fjf_j são independentes sobre LL); e então todos os μij=0\mu_{ij} = 0 (os eie_i são independentes sobre KK).

Definição 4.3

Sejam L/KL/K e αL\alpha \in L. Se algum PK[X]P \in K[X] não nulo satisfaz P(α)=0P(\alpha) = 0, dizemos que α\alpha é algébrico sobre KK; o gerador mônico πα\pi_\alpha do ideal {P:P(α)=0}\{P : P(\alpha) = 0\} de K[X]K[X] é seu polinômio minimal, um polinômio irredutível (π=QR\pi = QR com Q(α)=0Q(\alpha) = 0 força RR constante, pela minimalidade do grau). Caso contrário, α\alpha é transcendente. Escrevemos K(α)K(\alpha) para o menor subcorpo de LL que contém KK e α\alpha, e K[α]K[\alpha] para o menor subanel.

Teorema 4.4

Se α\alpha é algébrico sobre KK com d=degπαd = \deg\pi_\alpha, então

K(α)=K[α]K[X]/(πα),[K(α):K]=d,K(\alpha) = K[\alpha] \cong K[X]/(\pi_\alpha), \qquad [K(\alpha) : K] = d,

com base 1,α,,αd11, \alpha, \dots, \alpha^{d-1}. Reciprocamente, se [L:K]<[L:K] < \infty, todo αL\alpha \in L é algébrico de grau degπα\deg \pi_\alpha que divide [L:K][L:K].

Demonstração. A avaliação K[X]LK[X] \to L, PP(α)P \mapsto P(\alpha), tem imagem K[α]K[\alpha] e núcleo (πα)(\pi_\alpha); como πα\pi_\alpha é irredutível, K[X]/(πα)K[X]/(\pi_\alpha) é um corpo (Proposição 2.4: no DIP K[X]K[X], um irredutível gera um ideal maximal), de modo que K[α]K[\alpha] é um corpo contendo KK e α\alpha: ele é igual a K(α)K(\alpha). As classes de 1,X,,Xd11, X, \dots, X^{d-1} formam uma base do quociente (divisão euclidiana), donde a base e o grau. Reciprocamente, se [L:K]=n<[L:K] = n < \infty: os 1,α,,αn1, \alpha, \dots, \alpha^n são dependentes, o que fornece um polinômio aniquilador; então [K(α):K]=degπα[K(\alpha):K] = \deg\pi_\alpha divide nn pela lei da torre.

Corolário 4.5

Se α,β\alpha, \beta são algébricos sobre KK, também o são α±β\alpha \pm \beta, αβ\alpha\beta, α/β\alpha/\beta (β0\beta \ne 0): os elementos de LL algébricos sobre KK formam um subcorpo de LL. Além disso, a algebricidade é transitiva: algébrico sobre algébrico é algébrico.

Demonstração. K(α,β)=(K(α))(β)K(\alpha, \beta) = (K(\alpha))(\beta) é finita sobre K(α)K(\alpha) (β\beta é algébrico sobre KK(α)K \subseteq K(\alpha)) e K(α)/KK(\alpha)/K é finita: pela lei da torre, [K(α,β):K]<[K(\alpha,\beta):K] < \infty, e todo elemento de K(α,β)K(\alpha, \beta) — inclusive os quatro listados — é algébrico (Teorema 4.4). Transitividade: se β\beta é algébrico sobre LL e L/KL/K é algébrica, os coeficientes c0,,cm1c_0, \dots, c_{m-1} de πβ/L\pi_{\beta/L} geram uma extensão finita F=K(c0,,cm1)F = K(c_0, \dots, c_{m-1}) de KK (lei da torre aplicada repetidamente), e F(β)/FF(\beta)/F é finita: [F(β):K]<[F(\beta):K] < \infty, logo β\beta é algébrico sobre KK.

Exemplo 4.6

[Q(2):Q]=2[\Q(\sqrt2):\Q] = 2, [Q(23):Q]=3[\Q(\sqrt[3]2):\Q] = 3 (X32X^3 - 2 é irredutível, por Eisenstein), [Q(ζp):Q]=p1[\Q(\zeta_p):\Q] = p - 1 para ζp=e2iπ/p\zeta_p = \eu^{2\iu\pi/p} (Φp\Phi_p é irredutível, Exemplo 2.26). A lei da torre já é uma arma: 23Q(2)\sqrt[3]2 \notin \Q(\sqrt2), pois 323 \nmid 2.

4.2 Corpos de decomposição; fecho algébrico

Teorema 4.7 (Corpos de decomposição)

Seja PK[X]P \in K[X] não constante. Existe um corpo de decomposição de PP sobre KK: uma extensão L=K(α1,,αn)L = K(\alpha_1, \dots, \alpha_n) gerada por raízes de PP na qual PP se decompõe em fatores lineares. Ele é único a menos de KK-isomorfismo, e [L:K](degP)![L:K] \leq (\deg P)!.

Demonstração. Existência, por indução sobre degP\deg P: escolha um fator irredutível QQ de PP; o corpo K1=K[X]/(Q)K_1 = K[X]/(Q) contém a raiz α1=Xˉ\alpha_1 = \bar X de QQ e, portanto, de PP; escreva P=(Xα1)P1P = (X - \alpha_1)P_1 sobre K1K_1 e aplique a indução a P1P_1 sobre K1K_1; os graus se multiplicam dando no máximo n(n1)=n!n(n-1)\cdots = n!.

A unicidade decorre do lema de extensão de isomorfismos, que é mais forte: seja σ ⁣:KK\sigma \colon K \to K' um isomorfismo, PK[X]P \in K[X], e seja PσP^\sigma o polinômio de coeficientes transportados; sejam L,LL, L' corpos de decomposição de P,PσP, P^\sigma; então σ\sigma se estende a um isomorfismo LLL \to L'. Indução sobre [L:K][L:K]: se PP se decompõe em KK, então L=KL = K e L=KL' = K' (PσP^\sigma se decompõe em KK', e LL' é gerado por suas raízes). Caso contrário, escolha uma raiz αLK\alpha \in L \setminus K de um fator irredutível QQ de PP com degQ2\deg Q \geq 2; QσQ^\sigma é um fator irredutível de PσP^\sigma, com uma raiz βL\beta \in L'; então

K(α)K[X]/(Q) σ K[X]/(Qσ)K(β)K(\alpha) \cong K[X]/(Q) \xrightarrow{\ \sigma\ } K'[X]/(Q^\sigma) \cong K'(\beta)

estende σ\sigma com αβ\alpha \mapsto \beta. Ora, LL é um corpo de decomposição de PP sobre K(α)K(\alpha), e LL' o é de PσP^\sigma sobre K(β)K'(\beta), com [L:K(α)]<[L:K][L : K(\alpha)] < [L:K]: a indução estende ainda mais, até LLL \to L'.

Definição 4.8

Um corpo Ω\Omega é algebricamente fechado se todo polinômio não constante de Ω[X]\Omega[X] tem uma raiz em Ω\Omega (e portanto se decompõe). Um fecho algébrico de KK é uma extensão algébrica Kˉ/K\bar K/K com Kˉ\bar K algebricamente fechado.

Teorema 4.9 (Steinitz)

Todo corpo KK tem um fecho algébrico, único a menos de KK-isomorfismo.

Demonstração. Existência (construção de Artin). Seja R=K[(Xf)f]R = K[(X_f)_f] o anel de polinômios com uma variável XfX_f para cada fK[X]f \in K[X] mônico não constante, e seja II o ideal gerado por todos os f(Xf)f(X_f). O ideal II é próprio: uma relação 1=i=1rgifi(Xfi)1 = \sum_{i=1}^r g_i\, f_i(X_{f_i}) envolve um número finito de polinômios; em um corpo de decomposição comum EE de f1frf_1\cdots f_r, escolha raízes αi\alpha_i de fif_i e avalie XfiαiX_{f_i} \mapsto \alpha_i (as demais variáveis em 0\mapsto 0): 1=01 = 0, absurdo. Seja mI\mathfrak m \supseteq I maximal (Teorema 2.8; Zorn) e ponha K1=R/mK_1 = R/\mathfrak m: uma extensão de corpos de KK em que todo fK[X]f \in K[X] não constante tem uma raiz, a saber Xˉf\bar X_f, e que é algébrica sobre KK (ela é gerada pelos Xˉf\bar X_f, cada um algébrico). Itere: KK1K2K \subseteq K_1 \subseteq K_2 \subseteq \cdots, onde Kn+1K_{n+1} faz com KnK_n o que K1K_1 fez com KK, e ponha Ω=nKn\Omega = \bigcup_n K_n, um corpo. Todo gΩ[X]g \in \Omega[X] não constante tem seus finitos coeficientes em algum KnK_n; um fator irredutível de gg sobre KnK_n tem uma raiz em Kn+1ΩK_{n+1} \subseteq \Omega: Ω\Omega é algebricamente fechado, e é algébrico sobre KK (cada KnK_n o é, por transitividade, Corolário 4.5): Ω\Omega é um fecho algébrico.

Unicidade. Sejam Ω,Ω\Omega, \Omega' dois fechos algébricos. Considere o conjunto dos pares (E,τ)(E, \tau) em que KEΩK \subseteq E \subseteq \Omega e τ ⁣:EΩ\tau\colon E \to \Omega' é um KK-mergulho, ordenado por extensão; ele é não vazio ((K,id)(K, \mathrm{id})) e indutivo (a reunião de uma cadeia), de modo que Zorn fornece um par maximal (E0,τ0)(E_0, \tau_0). Se E0ΩE_0 \neq \Omega, escolha αΩE0\alpha \in \Omega\setminus E_0: πα/E0\pi_{\alpha/E_0} é levado em um polinômio sobre τ0(E0)\tau_0(E_0) que tem uma raiz β\beta no corpo algebricamente fechado Ω\Omega', e τ0\tau_0 se estende a E0(α)ΩE_0(\alpha) \to \Omega' (αβ\alpha \mapsto \beta), contradizendo a maximalidade. Existe, portanto, um KK-mergulho τ ⁣:ΩΩ\tau \colon \Omega \to \Omega'; sua imagem, isomorfa a Ω\Omega, é algebricamente fechada, e Ω\Omega' é algébrico sobre ela: para xΩx \in \Omega', πx/τ(Ω)\pi_{x/\tau(\Omega)} se decompõe sobre τ(Ω)\tau(\Omega), logo xτ(Ω)x \in \tau(\Omega). Assim τ\tau é sobrejetor: é um isomorfismo.

Observação 4.10

Para K=QK = \Q é possível evitar o maquinário transfinito: os números algébricos Qˉ={zC:z algebraic over Q}\bar\Q = \{z \in \C : z \text{ algebraic over } \Q\} formam um fecho algébrico — um subcorpo de C\C pelo Corolário 4.5, algebricamente fechado porque C\C o é (d’Alembert–Gauss, demonstrado por análise complexa no Capítulo 16), e as raízes de polinômios sobre Qˉ\bar\Q são algébricas sobre Q\Q por transitividade.

4.3 Corpos finitos

Teorema 4.11

Sejam pp primo, n1n \geq 1, q=pnq = p^n.

  1. Um corpo finito tem por cardinalidade uma potência de primo e, para cada qq, existe exatamente um corpo Fq\mathbb F_q com qq elementos a menos de isomorfismo: o corpo de decomposição de XqXX^q - X sobre Fp\mathbb F_p.
  2. O Frobenius F ⁣:xxpF \colon x \mapsto x^p é um automorfismo de Fq\mathbb F_q, e o grupo de automorfismos de Fq\mathbb F_q é cíclico de ordem nn, gerado por FF.
  3. Fpm\mathbb F_{p^m} mergulha em Fpn\mathbb F_{p^n} se, e somente se, mnm \mid n.

Demonstração. (1) Um corpo finito EE tem característica p>0p > 0 e é um Fp\mathbb F_p-espaço vetorial de dimensão finita: E=pn\abs E = p^n. Seu grupo multiplicativo tem ordem q1q - 1, de modo que todo xEx \in E satisfaz xq=xx^q = x: EE é formado por qq raízes de XqXX^q - X e, portanto, é um corpo de decomposição desse polinômio sobre Fp\mathbb F_p — o que determina EE a menos de isomorfismo (Teorema 4.7). Reciprocamente, em um corpo de decomposição LL de XqXX^q - X, o conjunto EE de suas raízes é um subcorpo: (x+y)q=xq+yq(x + y)^q = x^q + y^q iterando o sonho do calouro (a+b)p=ap+bp(a+b)^p = a^p + b^p (p(pk)p \mid \binom pk), e (xy)q=xqyq(xy)^q = x^qy^q, (x1)q=(xq)1(x^{-1})^q = (x^q)^{-1}; ele tem exatamente qq elementos, pois XqXX^q - X é separável: sua derivada é qXq11=1qX^{q-1} - 1 = -1 (já que pqp \mid q), coprima com ele, de modo que não há raízes múltiplas. Assim L=EL = E tem qq elementos.

(2) FF é um morfismo de corpos (sonho do calouro), injetor (são corpos) e, portanto, bijetor no conjunto finito Fq\mathbb F_q. Tem-se Fn=idF^n = \mathrm{id} (xq=xx^q = x), e nenhuma potência menor é a identidade: Fm=idF^m = \mathrm{id} significaria que todos os qq elementos são raízes de XpmXX^{p^m} - X, o que força pmqp^m \geq q. Logo F\langle F\rangle é cíclico de ordem nn; e não há outros automorfismos, pela cota Aut[Fq:Fp]=n\abs{\operatorname{Aut}} \leq [\,\mathbb F_q : \mathbb F_p\,] = n demonstrada adiante (Proposição 4.16 com L=FqL = \mathbb F_q, K=FpK = \mathbb F_p: os automorfismos fixam o corpo primo).

(3) Se FpmFpn\mathbb F_{p^m} \subseteq \mathbb F_{p^n}, a lei da torrepn=(pm)dp^n = (p^m)^d: mnm \mid n. Reciprocamente, se mnm \mid n, então pm1pn1p^m - 1 \mid p^n - 1 (soma geométrica), de modo que XpmXX^{p^m} - X divide XpnXX^{p^n} - X (mesmo argumento nos expoentes: Xa1Xb1X^{a} - 1 \mid X^{b} - 1 quando aba \mid b), e as raízes do primeiro dentro de Fpn\mathbb F_{p^n} formam o subcorpo procurado, de cardinalidade pmp^m (separabilidade como em (1)).

Teorema 4.12 (Ciclicidade)

Todo subgrupo finito do grupo multiplicativo de um corpo é cíclico. Em particular, Fq×Z/(q1)Z\mathbb F_q^\times \cong \Z/(q-1)\Z.

Demonstração. Seja GK×G \leq K^\times finito. Pelo teorema de estrutura (Corolário 3.13), GZ/d1××Z/dsG \cong \Z/d_1 \times \dots \times \Z/d_s com d1dsd_1 \mid \dots \mid d_s. Todo xGx \in G satisfaz então xds=1x^{d_s} = 1; mas Xds1X^{d_s} - 1 tem no máximo dsd_s raízes no corpo KK: G=d1dsds\abs G = d_1\cdots d_s \leq d_s, o que força s=1s = 1: GG é cíclico.

Exemplo 4.13

F8=F2[X]/(X3+X+1)\mathbb F_8 = \mathbb F_2[X]/(X^3 + X + 1): a cúbica não tem raiz em F2\mathbb F_2 e, portanto, é irredutível. Escrevendo ω=Xˉ\omega = \bar X: F8×\mathbb F_8^\times é cíclico de ordem 77, de modo que todo elemento 0,1\neq 0, 1 é gerador. Os subcorpos de Fp12\mathbb F_{p^{12}} formam o reticulado dos divisores de 1212: Fp,Fp2,Fp3,Fp4,Fp6,Fp12\mathbb F_p, \mathbb F_{p^2}, \mathbb F_{p^3}, \mathbb F_{p^4}, \mathbb F_{p^6}, \mathbb F_{p^{12}} — um primeiro exemplo completo da correspondência de Galois.

4.4 Separabilidade e mergulhos

Definição 4.14

Um polinômio PK[X]P \in K[X] é separável se não tem raiz múltipla em um corpo de decomposição — equivalentemente, gcd(P,P)=1\gcd(P, P') = 1 (uma raiz múltipla é uma raiz comum; reciprocamente, sobre o corpo de decomposição, uma raiz comum é múltipla; e o mdc não muda por extensão de corpo, pelo argumento do Corolário 3.17). Um elemento algébrico é separável se seu polinômio minimal o for; uma extensão L/KL/K é separável se todos os seus elementos o forem.

Proposição 4.15

Um PK[X]P \in K[X] irredutível é separável, exceto se P=0P' = 0, o que força charK=p>0\operatorname{char} K = p > 0 e PK[Xp]P \in K[X^p]. Consequentemente, toda extensão algébrica de um corpo de característica 00, e de um corpo finito, é separável (tais corpos são chamados perfeitos).

Demonstração. gcd(P,P)\gcd(P, P') divide PP; se não for 11, a irredutibilidade força gcd=P\gcd = P (a menos de uma constante), de modo que PPP \mid P' com degP<degP\deg P' < \deg P: P=0P' = 0. Escrevendo P=akXkP = \sum a_kX^k: kak=0ka_k = 0 para todo kk, logo em característica 00 o polinômio PP é constante (excluído); em característica pp, ak=0a_k = 0 a menos que pkp \mid k: P=Q(Xp)P = Q(X^p). Sobre um corpo finito, todo elemento é uma pp-ésima potência (o Frobenius é sobrejetor), de modo que Q(Xp)=bkpXpk=(bkXk)pQ(X^p) = \sum b_k^p X^{pk} = (\sum b_kX^k)^p não é irredutível: ali tampouco pode ocorrer P=0P' = 0 para PP irredutível.

Proposição 4.16 (Contagem de mergulhos)

Sejam L=K(α1,,αr)L = K(\alpha_1, \dots, \alpha_r) finita sobre KK e σ ⁣:KΩ\sigma \colon K \to \Omega um mergulho em um corpo algebricamente fechado. Então o número de extensões de σ\sigma a LL é no máximo [L:K][L:K], com igualdade se L/KL/K é separável. Em particular, AutK(L)[L:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(L)} \leq [L:K].

Demonstração. Indução sobre [L:K][L:K] por etapas simples. Para L=K(α)L = K(\alpha): uma extensão τ\tau fica determinada por τ(α)\tau(\alpha), que deve ser uma raiz em Ω\Omega de πασ\pi_\alpha^\sigma; reciprocamente, cada uma dessas raízes dá uma extensão (K(α)K[X]/(πα)K(\alpha) \cong K[X]/(\pi_\alpha)). O número de extensões é o número de raízes distintas de πασ\pi_\alpha^\sigma em Ω\Omega: no máximo degπα=[K(α):K]\deg\pi_\alpha = [K(\alpha):K], com igualdade se, e somente se, πα\pi_\alpha é separável (a separabilidade de πσ\pi^\sigma e a de π\pi coincidem: o mdc com a derivada é preservado por σ\sigma). No caso geral, fatore L=K(α1)(α2,)L = K(\alpha_1)(\alpha_2, \dots): as extensões de σ\sigma a K(α1)K(\alpha_1) são em número de [K(α1):K]\leq [K(\alpha_1):K], e cada uma se estende de [L:K(α1)]\leq [L : K(\alpha_1)] maneiras, por indução; multiplique (lei da torre). No caso separável, ambas as contagens são igualdades: os polinômios minimais sobre o corpo maior K(α1)K(\alpha_1) dividem os de sobre KK e, portanto, permanecem separáveis.

Teorema 4.17 (Elemento primitivo)

Toda extensão finita separável é simples: L=K(γ)L = K(\gamma) para algum γ\gamma.

Demonstração. Se KK é finito, LL também é, e um gerador γ\gamma do grupo cíclico L×L^\times (Teorema 4.12) resolve. Seja KK infinito; por indução, basta tratar L=K(α,β)L = K(\alpha, \beta). Seja n=[L:K]n = [L:K]; pela Proposição 4.16nn KK-mergulhos distintos σ1,,σn ⁣:LΩ\sigma_1, \dots, \sigma_n \colon L \to \Omega (com Ω\Omega um fecho algébrico). O polinômio

D(T)=i<j[(σi(α)σj(α))+T(σi(β)σj(β))]D(T)=\prod_{i<j}\bigl[\bigl(\sigma_i(\alpha)-\sigma_j(\alpha) \bigr) + T\bigl(\sigma_i(\beta) - \sigma_j(\beta)\bigr)\bigr]

não é identicamente nulo: um fator se anula identicamente somente se σi,σj\sigma_i, \sigma_j coincidem tanto em α\alpha quanto em β\beta e, portanto, em LL — excluído para iji \neq j. Como KK é infinito, escolha cKc \in K com D(c)0D(c) \ne 0: então os nn elementos σi(α+cβ)\sigma_i(\alpha + c\beta) são dois a dois distintos, de modo que γ=α+cβ\gamma = \alpha + c\beta tem ao menos nn conjugados distintos em Ω\Omega, isto é, degπγn\deg \pi_\gamma \geq n: [K(γ):K]n=[L:K][K(\gamma):K] \geq n = [L:K] força L=K(γ)L = K(\gamma).

4.5 A correspondência de Galois

Definição 4.18

Uma extensão finita L/KL/K é de Galois se é o corpo de decomposição de um polinômio separável sobre KK. Seu grupo de Galois é Gal(L/K)=AutK(L)\operatorname{Gal}(L/K) = \operatorname{Aut}_K(L), o grupo dos automorfismos do corpo LL que fixam KK ponto a ponto.

Proposição 4.19

Se L/KL/K é de Galois, então Gal(L/K)=[L:K]\abs{\operatorname{Gal}(L/K)} = [L:K]; além disso, L/FL/F é de Galois para todo corpo intermediário KFLK \subseteq F \subseteq L, e todo FF-mergulho LΩLL \to \Omega \supseteq L tem imagem LL (normalidade).

Demonstração. Seja LL o corpo de decomposição do polinômio separável PP sobre KK, e fixe um fecho algébrico ΩL\Omega \supseteq L. A extensão L/KL/K é separável: ela é gerada por raízes de PP; a separabilidade de cada elemento decorre do caso de igualdade abaixo, mas argumentemos diretamente — a Proposição 4.16 aplicada aos geradores (raízes do polinômio separável PP, cujos polinômios minimais dividem PP) fornece exatamente [L:K][L:K] extensões de KΩK \hookrightarrow \Omega (na etapa indutiva, o polinômio minimal de uma raiz de PP sobre um corpo intermediário ainda divide PP e, portanto, é separável). Cada um desses mergulhos τ ⁣:LΩ\tau \colon L \to \Omega permuta as raízes de PP (τ\tau fixa os coeficientes), e LL é gerado por elas: τ(L)=L\tau(L) = L. Logo mergulhos == automorfismos: Gal(L/K)=[L:K]\abs{\operatorname{Gal}(L/K)} = [L:K]. Para FF intermediário: LL é também o corpo de decomposição de PP sobre FF, e PP continua separável: L/FL/F é de Galois; o mesmo argumento dá a normalidade sobre FF.

Lema 4.20 (Artin)

Sejam GG um grupo finito de automorfismos de um corpo LL e K=LG={x:σ(x)=x σG}K = L^G = \{x : \sigma(x) = x\ \forall\sigma \in G\} seu corpo fixo. Então [L:LG]G[L : L^G] \leq \abs G.

Demonstração. Sejam n=Gn = \abs G, G={σ1,,σn}G = \{\sigma_1, \dots, \sigma_n\}, e suponha que x1,,xn+1Lx_1, \dots, x_{n+1} \in L sejam linearmente independentes sobre KK. O sistema linear homogêneo de nn equações nas n+1n+1 incógnitas (cj)(c_j) sobre LL,

j=1n+1cjσi(xj)=0(i=1,,n),\sum_{j=1}^{n+1} c_j\,\sigma_i(x_j) = 0 \qquad (i = 1, \dots, n),

tem solução não nula; escolha uma com o menor número de entradas não nulas, digamos c1,,cr0c_1, \dots, c_r \neq 0 (renumerando), r2r \geq 2 (um único cjσi(xj)=0c_j\sigma_i(x_j) = 0 é impossível), normalizada por cr=1c_r = 1. Nem todos os cjc_j estão em KK: a equação relativa a σi=id\sigma_i = \mathrm{id} contradiria a independência; digamos c1Kc_1 \notin K, de modo que τ(c1)c1\tau(c_1) \ne c_1 para algum τG\tau \in G. Aplique τ\tau a todas as equações: como τσi\tau\sigma_i percorre GG, o vetor (τ(cj))j(\tau(c_j))_j é outra solução; subtraindo, (cjτ(cj))j(c_j - \tau(c_j))_j é uma solução com menos entradas não nulas (a rr-ésima entrada, 11=01 - 1 = 0, se anula, e a primeira não) e não nula: contradição. Portanto, quaisquer n+1n+1 elementos são dependentes: [L:K]n[L:K] \leq n.

Teorema 4.21 (Teorema fundamental da teoria de Galois)

Seja L/KL/K uma extensão de Galois com grupo G=Gal(L/K)G = \operatorname{Gal}(L/K).

  1. LG=KL^G = K.
  2. As aplicações HLHH \mapsto L^H e FGal(L/F)F \mapsto \operatorname{Gal}(L/F) são bijeções mutuamente inversas e que invertem inclusões, entre os subgrupos de GG e os corpos intermediários KFLK \subseteq F \subseteq L; além disso, [L:LH]=H[L : L^H] = \abs H e [LH:K]=[G:H][L^H : K] = [G : H].
  3. HGH \trianglelefteq G se, e somente se, LH/KL^H/K é de Galois, e então a restrição induz Gal(LH/K)G/H\operatorname{Gal}(L^H/K) \cong G/H.

Demonstração. (1) É claro que KLGK \subseteq L^G. Reciprocamente, seja αLK\alpha \in L \setminus K; exibimos σG\sigma \in G com σ(α)α\sigma(\alpha) \ne \alpha. O polinômio minimal πα\pi_\alpha sobre KK tem grau 2\geq 2 e é separável (L/KL/K é separável, Proposição 4.19), de modo que tem outra raiz βα\beta \neq \alpha em um fecho algébrico ΩL\Omega \supseteq L. Estenda o KK-mergulho K(α)ΩK(\alpha) \to \Omega, αβ\alpha \mapsto \beta, a um mergulho τ ⁣:LΩ\tau\colon L \to \Omega (Proposição 4.16); por normalidade (Proposição 4.19), τ(L)=L\tau(L) = L, logo τG\tau \in G, β=τ(α)L\beta = \tau(\alpha) \in L e τ(α)α\tau(\alpha) \neq \alpha.

(2) Para um subgrupo HH: L/LHL/L^H é de Galois (Proposição 4.19), e Gal(L/LH)H\operatorname{Gal}(L/L^H) \supseteq H trivialmente, logo [L:LH]=Gal(L/LH)H[L:L^H] = \abs{\operatorname{Gal}(L/L^H)} \geq \abs H; o lema de Artin dá [L:LH]H[L:L^H] \leq \abs H: há igualdade, e Gal(L/LH)=H\operatorname{Gal}(L/L^H) = H. Para um corpo intermediário FF: sendo L/FL/F de Galois, (1) aplicado a L/FL/FLGal(L/F)=FL^{\operatorname{Gal}(L/F)} = F. As duas aplicações são mutuamente inversas; que invertem inclusões é evidente. Graus: [L:LH]=H[L:L^H] = \abs H acabou de ser demonstrado, e [LH:K]=[L:K]/[L:LH]=G/H[L^H:K] = [L:K]/[L:L^H] = \abs G/\abs H.

(3) Para σG\sigma \in G e HGH \leq G: σ(LH)=LσHσ1\sigma(L^H) = L^{\sigma H\sigma^{-1}} (verificação direta). Pela bijeção, σ(LH)=LH\sigma(L^H) = L^H para todo σ\sigma se, e somente se, HGH \trianglelefteq G. Ora, se HGH \trianglelefteq G, ponha F=LHF = L^H: todo σG\sigma \in G se restringe a um automorfismo de FF, o que dá um morfismo ρ ⁣:GAutK(F)\rho \colon G \to \operatorname{Aut}_K(F) de núcleo {σ:σF=id}=Gal(L/F)=H\{\sigma : \sigma\restriction_F = \mathrm{id}\} = \operatorname{Gal}(L/F) = H. Logo G/HG/H mergulha em AutK(F)\operatorname{Aut}_K(F), donde AutK(F)[G:H]=[F:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(F)} \geq [G:H] = [F:K]; a desigualdade inversa vale sempre (Proposição 4.16): AutK(F)=[F:K]\abs{\operatorname{Aut}_K(F)} = [F:K] e ρ\rho é sobrejetor. Resta ver que F/KF/K é de Galois: FF é separável sobre KK (por estar dentro da extensão separável L/KL/K) e F=K(γ)F = K(\gamma) (Teorema 4.17); o polinômio σG/H(Xσ(γ))\prod_{\sigma \in G/H}\bigl(X - \sigma(\gamma)\bigr) (produto sobre as imagens distintas, que estão em FF: σ(F)=LσHσ1=LH=F\sigma(F) = L^{\sigma H\sigma^{-1}} = L^H = F pela normalidade de HH) tem coeficientes fixados por GG e, portanto, em KK, por (1): trata-se de um polinômio separável de K[X]K[X] decomposto por FF, cujas raízes geram FF: F/KF/K é de Galois. Reciprocamente, se F=LHF = L^H com F/KF/K de Galois, a normalidade de FF (Proposição 4.19, aplicada aos mergulhos FΩF \to \Omega restritos de elementos de GG) dá σ(F)=F\sigma(F) = F para todo σG\sigma \in G, isto é, HGH \trianglelefteq G.

A correspondência de Galois para o corpo de decomposição L de X3 - 2 sobre ℚ (j = 2 π/3): os subgrupos de Gal(L/ℚ) S_3 (à esquerda, em ordem invertida) correspondem aos corpos intermediários (à direita). O único subgrupo normal próprio (1\,2\,3) corresponde à única subextensão ℚ( √3)/ℚ que é de Galois; os três subgrupos conjugados (i\,j) correspondem aos três corpos cúbicos conjugados ℚ(jk√[3]2), nenhum deles normal sobre ℚ.
A correspondência de Galois para o corpo de decomposição LL de X32X^3 - 2 sobre Q\Q (j=e2iπ/3j = \eu^{2\iu\pi/3}): os subgrupos de Gal(L/Q)S3\operatorname{Gal}(L/\Q) \cong S_3 (à esquerda, em ordem invertida) correspondem aos corpos intermediários (à direita). O único subgrupo normal próprio (123)\langle(1\,2\,3)\rangle corresponde à única subextensão Q(i3)/Q\Q(\iu\sqrt3)/\Q que é de Galois; os três subgrupos conjugados (ij)\langle(i\,j)\rangle correspondem aos três corpos cúbicos conjugados Q(jk23)\Q(j^k\sqrt[3]2), nenhum deles normal sobre Q\Q.

4.6 Extensões ciclotômicas

Definição 4.22

Sejam n1n \geq 1 e ζn=e2iπ/n\zeta_n = \eu^{2\iu\pi/n}. O nn-ésimo polinômio ciclotômico é Φn=gcd(k,n)=1, 1kn(Xζnk)\Phi_n = \prod_{\gcd(k,n)=1,\ 1 \le k \le n} \bigl(X - \zeta_n^k\bigr), de grau φ(n)\varphi(n); agrupando as raízes de Xn1X^n - 1 por ordem exata, Xn1=dnΦdX^n - 1 = \prod_{d \mid n}\Phi_d, o que mostra por indução que ΦnZ[X]\Phi_n \in \Z[X] (divisão euclidiana de polinômios inteiros mônicos).

Teorema 4.23

Φn\Phi_n é irredutível sobre Q\Q; logo [Q(ζn):Q]=φ(n)[\Q(\zeta_n) : \Q] = \varphi(n) e

Gal(Q(ζn)/Q)    (Z/nZ)×,σa(ζn)=ζna.\operatorname{Gal}\bigl(\Q(\zeta_n)/\Q\bigr) \;\cong\; (\Z/n\Z)^\times, \qquad \sigma_a(\zeta_n) = \zeta_n^a .

A extensão Q(ζn)/Q\Q(\zeta_n)/\Q é, portanto, de Galois com grupo abeliano.

Demonstração. Seja f=πζnf = \pi_{\zeta_n}, de modo que Φn=fg\Phi_n = fg com f,gZ[X]f, g \in \Z[X] mônicos (lema de Gauss, Lema 2.23: os conteúdos se multiplicam e todos os polinômios são mônicos). Afirmação: se ζ\zeta é raiz de ff e pnp \nmid n é primo, então ζp\zeta^p é raiz de ff. Caso contrário, ζp\zeta^p é raiz de gg (é uma raiz nn-ésima primitiva da unidade), de modo que ζ\zeta é raiz de g(Xp)g(X^p) e fg(Xp)f \mid g(X^p) em Z[X]\Z[X] (polinômio minimal e, de novo, Gauss). Reduza módulo pp: gˉ(Xp)=gˉ(X)p\bar g(X^p) = \bar g(X)^p (Frobenius em Fp[X]\mathbb F_p[X]: coeficiente a coeficiente ap=aa^p = a, mais o sonho do calouro), logo fˉgˉp\bar f \mid \bar g^{\,p}: fˉ\bar f e gˉ\bar g compartilham um fator irredutível, e Φˉn=fˉgˉ\bar\Phi_n = \bar f\bar g tem um fator repetido. Então Xn1ˉX^n - \bar 1 também tem; mas sua derivada nˉXn1\bar nX^{n-1} é coprima com ele (pnp \nmid n, e 00 não é raiz): contradição.

Toda raiz primitiva ζnk\zeta_n^k (gcd(k,n)=1\gcd(k, n) = 1) é obtida a partir de ζn\zeta_n por potências sucessivas de primos que não dividem nn (fatore kk): a afirmação se propaga, de modo que toda raiz primitiva é raiz de ff: f=Φnf = \Phi_n, irredutível. Consequentemente, [Q(ζn):Q]=φ(n)[\Q(\zeta_n):\Q] = \varphi(n), e Q(ζn)\Q(\zeta_n) é o corpo de decomposição do polinômio separável Xn1X^n - 1 (todas as raízes são potências de ζn\zeta_n): é de Galois. Um automorfismo σ\sigma leva ζn\zeta_n em outra raiz primitiva ζna(σ)\zeta_n^{a(\sigma)}, e σa(σ)\sigma \mapsto a(\sigma) é um morfismo injetor em (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times; ambos os grupos têm ordem φ(n)\varphi(n): é um isomorfismo.

4.7 Régua e compasso

Definição 4.24

Identifique o plano com C\C; parta de {0,1}\{0, 1\}. Um ponto é construtível se pode ser obtido por um número finito de interseções de retas que passam por dois pontos já construídos e de círculos centrados em um ponto construído com raio igual à distância entre dois pontos construídos.

Teorema 4.25 (Wantzel)

zCz \in \C é construtível se, e somente se, existe uma torre Q=F0F1Fr\Q = F_0 \subseteq F_1 \subseteq \dots \subseteq F_r com [Fi+1:Fi]=2[F_{i+1} : F_i] = 2 e zFrz \in F_r. Em particular, um número construtível é algébrico de grau uma potência de 22 sobre Q\Q.

Demonstração. (\Rightarrow) As coordenadas da interseção de duas retas que passam por pontos de coordenadas em um subcorpo FRF \subseteq \R resolvem um sistema linear sobre FF: elas permanecem em FF. As interseções reta–círculo e círculo–círculo levam, depois de eliminada a parte linear (subtrair as duas equações dos círculos dá uma reta), a uma equação quadrática sobre FF: as novas coordenadas estão em FF ou em F(d)F(\sqrt d) para algum dFd \in F, d>0d > 0. Por indução, todo ponto construído tem coordenadas em uma torre de extensões quadráticas de Q\Q; e z=x+iyz = x + \iu y também está em uma torre quadrática (adjunte i\iu: mais uma etapa quadrática). A consequência sobre o grau: [Q(z):Q][\Q(z):\Q] divide [Fr:Q]=2r[F_r : \Q] = 2^r (lei da torre).

(\Leftarrow) Os números construtíveis formam um corpo: somas e diferenças por paralelogramos (as paralelas são construtíveis: baixe e levante perpendiculares duas vezes — a perpendicular clássica por um ponto usa um círculo e dois arcos); produtos e quocientes pelas configurações de Tales (dados os comprimentos a,ba, b, construa abab e a/ba/b com triângulos semelhantes sobre duas semirretas). E o corpo é fechado por raízes quadradas: para a>0a > 0, o círculo de diâmetro 1+a1 + a e a perpendicular no ponto de junção encontram-se à altura a\sqrt a (relação da média geométrica em um triângulo retângulo); para um w=ρeiθw = \rho\eu^{\iu\theta} complexo, construa ρ\sqrt\rho e bissecte θ\theta (a bissecção de ângulo é uma construção com compasso). As partes real e imaginária dos elementos de uma torre quadrática são, portanto, construtíveis, por indução sobre a torre: cada etapa adjunge raízes de uma quadrática, exprimíveis por operações de corpo e uma raiz quadrada de um número já construído (fórmula quadrática; em característica 00).

Corolário 4.26

Os três problemas clássicos são insolúveis com régua e compasso:

  1. Duplicação do cubo: 23\sqrt[3]2 tem grau 33, que não é potência de 22.
  2. Trissecção do ângulo: trissectar 6060^\circ exige cos20\cos 20^\circ, raiz do irredutível 8X36X18X^3 - 6X - 1: grau 33.
  3. Quadratura do círculo: π\sqrt\pi é transcendente (π\pi o é — teorema de Lindemann, admitido aqui: sua demonstração pertence a um curso de teoria da transcendência).

Além disso, o nn-ágono regular é construtível se, e somente se, φ(n)\varphi(n) é uma potência de 22 (Gauss–Wantzel; a implicação “se” usa o método do problema de fim de semana, e a implicação “somente se” é o Teorema 4.25 aplicado a ζn\zeta_n, de grau φ(n)\varphi(n)). Para n=7n = 7: φ(7)=6\varphi(7) = 6, e o heptágono regular é impossível; para n=17n = 17: φ(17)=16=24\varphi(17) = 16 = 2^4, e ele é construtível — o problema de fim de semana o constrói.

Demonstração. (1) X32X^3 - 2 é irredutível (Eisenstein). (2) De cos3θ=4cos3θ3cosθ\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta com 3θ=603\theta = 60^\circ: 8c36c=18c^3 - 6c = 1 para c=cos20c = \cos 20^\circ; a cúbica 8X36X18X^3 - 6X - 1 não tem raiz racional (os candidatos ±1,±12,±14,±18\pm1, \pm\frac 12, \pm\frac14, \pm\frac18 falham) e, portanto, é irredutível: grau 33. Um ângulo genérico 6060^\circ é construtível, de modo que um trissector construiria cc. (3) Se π\sqrt\pi fosse construtível, seria algébrico e, com ele, π\pi. Quanto ao enunciado sobre o nn-ágono: o grau de ζn\zeta_n é φ(n)\varphi(n) (Teorema 4.23); a necessidade decorre de Wantzel; quanto à suficiência, o grupo de Galois, abeliano de ordem 2m2^m, admite uma cadeia de subgrupos de índice 22 (todo 22-grupo finito admite: Exercício 1.10), cujos corpos fixos formam uma torre quadrática que termina em Q(ζn)\Q(\zeta_n) (Teorema 4.21); conclua pelo Teorema 4.25.

4.8 Solubilidade por radicais

Definição 4.27

Uma extensão L/KL/K (com característica 00 em toda esta seção) é radical se existe uma torre K=F0Fr=LK = F_0 \subseteq \dots \subseteq F_r = L com Fi+1=Fi(αi)F_{i+1} = F_i(\alpha_i), αiniFi\alpha_i^{n_i} \in F_i: cada etapa adjunge uma raiz nin_i-ésima. Um polinômio PK[X]P \in K[X] é solúvel por radicais se seu corpo de decomposição está contido em alguma extensão radical de KK.

Lema 4.28

Seja KK contendo uma raiz nn-ésima primitiva da unidade ζ\zeta, isto é, ζ\zeta de ordem nn em K×K^\times, e seja aK×a \in K^\times. Então K(an)/KK(\sqrt[n]a)/K é de Galois com grupo cíclico. Reciprocamente — o que não será necessário adiante — toda extensão cíclica de grau nn é dessa forma. Além disso, K(ζn)/KK(\zeta_n)/K é de Galois com grupo abeliano, para todo KK de característica 00.

Demonstração. XnaX^n - a é separável (gcd\gcd com nXn1nX^{n-1}: a0a \neq 0) e se decompõe em K(α)K(\alpha), αn=a\alpha^n = a: suas raízes são os ζkαK(α)\zeta^k\alpha \in K(\alpha). Logo K(α)/KK(\alpha)/K é de Galois; a aplicação σσ(α)/αμn=ζ\sigma \mapsto \sigma(\alpha)/\alpha \in \mu_n = \langle \zeta\rangle é um morfismo injetor (στ(α)=σ(τ(α)/αα)=τ(α)/ασ(α)\sigma\tau(\alpha) = \sigma(\tau(\alpha)/\alpha \cdot \alpha) = \tau(\alpha)/\alpha\cdot\sigma(\alpha), sendo o quociente um elemento de KK) em um grupo cíclico: Gal\operatorname{Gal} é cíclico. A recíproca é a teoria de Kummer, de que não precisaremos (veja a observação abaixo). Quanto a K(ζn)K(\zeta_n): ela decompõe o polinômio separável Xn1X^n - 1, e σa(σ)\sigma \mapsto a(\sigma) com σ(ζn)=ζna(σ)\sigma(\zeta_n) = \zeta_n^{a(\sigma)} mergulha o grupo no abeliano (Z/nZ)×(\Z/n\Z)^\times como no Teorema 4.23 (a injetividade só exige que ζn\zeta_n gere as raízes da unidade envolvidas).

Teorema 4.29 (Galois)

Sejam KK de característica 00 e PK[X]P \in K[X] com corpo de decomposição LL. Se PP é solúvel por radicais, então Gal(L/K)\operatorname{Gal}(L/K) é um grupo solúvel. (A recíproca também é verdadeira; não precisaremos dela.)

Demonstração. Etapa 1: ampliar a torre radical até uma torre de Galois. Seja LML \subseteq M com M/KM/K radical, de expoentes de raiz n1,,nrn_1, \dots, n_r, e ponha n=n1nrn = n_1\cdots n_r. Primeiro adjunte ζn\zeta_n: a torre KK(ζn)M(ζn)K \subseteq K(\zeta_n) \subseteq M(\zeta_n) ainda é radical (ζn\zeta_n é uma raiz da unidade: uma etapa radical, ζnn=1\zeta_n^n = 1), e suas etapas além da primeira ocorrem sobre corpos que contêm as raízes da unidade necessárias. Em seguida, substitua M(ζn)M(\zeta_n) pelo composto NN de todos os σ(M(ζn))\sigma(M(\zeta_n)), com σ\sigma percorrendo os (finitos) KK-mergulhos de M(ζn)M(\zeta_n) em um fecho algébrico fixado: NN é o corpo de decomposição do produto dos polinômios minimais de um conjunto gerador (característica 00: finito e separável), de modo que N/KN/K é de Galois; e NN é radical sobre KK: cada σ(M(ζn))\sigma(M(\zeta_n)) é radical sobre KK (aplique σ\sigma a uma torre radical), e um composto de extensões radicais é radical (concatene as torres: se F/KF'/K é radical com torre que adjunge βj\beta_j, as etapas do tipo F(βj)F''(\beta_j) permanecem radicais sobre qualquer base maior).

Etapa 2: ler a solubilidade na torre de Galois. Suponha, pois, LNL \subseteq N, com N/KN/K de Galois e radical, de torre KK(ζn)=E0E1Es=NK \subseteq K(\zeta_n) = E_0 \subseteq E_1 \subseteq \dots \subseteq E_s = N, cada Ei+1=Ei(aini)E_{i+1} = E_i(\sqrt[n_i]{a_i}) com ζniE0Ei\zeta_{n_i} \in E_0 \subseteq E_i. Sejam G=Gal(N/K)G = \operatorname{Gal}(N/K) e Gi=Gal(N/Ei)G_i = \operatorname{Gal}(N/E_i): uma cadeia decrescente GG0G1Gs={e}G \supseteq G_0 \supseteq G_1 \supseteq \dots \supseteq G_s = \{e\}. Cada Ei+1/EiE_{i+1}/E_i é de Galois com grupo cíclico (Lema 4.28), de modo que, pelo teorema fundamental aplicado à extensão de Galois N/EiN/E_i (Teorema 4.21(3), com grupo ambiente GiG_i): Gi+1GiG_{i+1} \trianglelefteq G_i com Gi/Gi+1Gal(Ei+1/Ei)G_i/G_{i+1} \cong \operatorname{Gal}(E_{i+1}/E_i) cíclico. Analogamente, E0/KE_0/K é de Galois com grupo abeliano G/G0G/G_0 (Lema 4.28). A cadeia exibe GG como solúvel (Proposição 1.29). Por fim, Gal(L/K)\operatorname{Gal}(L/K) é um quociente de GG: L/KL/K é de Galois (PP é separável em característica 00) e a restrição GGal(L/K)G \to \operatorname{Gal}(L/K) é sobrejetora (Teorema 4.21(3) com H=Gal(N/L)H = \operatorname{Gal}(N/L)); e quocientes de grupos solúveis são solúveis.

Corolário 4.30 (Insolubilidade da quíntica)

Há polinômios de grau 55 sobre Q\Q que não são solúveis por radicais: por exemplo X54X+2X^5 - 4X + 2, cujo grupo de Galois é S5S_5 (Exercício 4.11), um grupo não solúvel (Corolário 1.34). Nenhuma fórmula geral por radicais pode existir para grau 5\geq 5.

Observação 4.31

A recíproca do Teorema 4.29grupo de Galois solúvel implica solubilidade por radicais — demonstra-se descendo a série derivada e mostrando que toda extensão cíclica (com raízes da unidade suficientes) é radical, por meio dos resolventes de Lagrange; ela explica por que os graus 2,3,42, 3, 4 têm fórmulas: S2,S3,S4S_2, S_3, S_4 são solúveis (Exemplo 1.30). Deixamo-la admitida neste nível; um tratamento completo pertence a um curso de mestrado, mas o Exercício 4.8 a torna concreta para o grau três.

4.9 Exercícios

Exercício 4.1

Mostre que [Q(2,3):Q]=4[\Q(\sqrt2, \sqrt3):\Q] = 4, que Q(2+3)=Q(2,3)\Q(\sqrt2 + \sqrt3) = \Q(\sqrt2, \sqrt3), e calcule o polinômio minimal de 2+3\sqrt2 + \sqrt3 sobre Q\Q.

Solução

Solução de Exercício 4.1.

3Q(2)\sqrt3 \notin \Q(\sqrt2): de 3=a+b2\sqrt3 = a + b\sqrt2 (a,bQa, b \in \Q), elevar ao quadrado dá 3=a2+2b2+2ab23 = a^2 + 2b^2 + 2ab\sqrt2, logo ab=0ab = 0; b=0b = 0 torna 3\sqrt3 racional, a=0a = 06=2bQ\sqrt6 = 2b \in \Q — ambos falsos (argumentos usuais de fatoração em primos). Logo [Q(2,3):Q(2)]=2[\Q(\sqrt2,\sqrt3) : \Q(\sqrt2)] = 2 e a lei das torresgrau 44.

Seja γ=2+3\gamma = \sqrt2 + \sqrt3. Então γ2=5+26\gamma^2 = 5 + 2\sqrt6 e (γ25)2=24(\gamma^2 - 5)^2 = 24: γ\gamma anula X410X2+1X^4 - 10X^2 + 1. Além disso γ3=112+93\gamma^3 = 11\sqrt2 + 9\sqrt3, logo γ39γ=22\gamma^3 - 9\gamma = 2\sqrt2: 2Q(γ)\sqrt2 \in \Q(\gamma), e então 3=γ2Q(γ)\sqrt3 = \gamma - \sqrt2 \in \Q(\gamma): Q(γ)=Q(2,3)\Q(\gamma) = \Q(\sqrt2,\sqrt3), de grau 44. A quártica que o anula, tendo o grau do polinômio minimal, é o polinômio minimal: X410X2+1X^4 - 10X^2 + 1 (em particular, ele é irredutível sobre Q\Q).

Exercício 4.2

Seja α=23\alpha = \sqrt[3]2. Mostre que Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q não é normal (exiba um mergulho Q(α)C\Q(\alpha) \to \C cuja imagem não é Q(α)\Q(\alpha)), determine o corpo de decomposição LL de X32X^3 - 2 e [L:Q][L:\Q], e verifique que AutQ(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\}: em extensões que não são de Galois, o grupo de automorfismos pode ser muito menor do que o grau.

Solução

Solução de Exercício 4.2.

As três raízes de X32X^3 - 2 em C\C são α,jα,j2α\alpha, j\alpha, j^2\alpha com j=e2iπ/3j = \eu^{2\iu\pi/3}. A aplicação αjα\alpha \mapsto j\alpha define um Q\Q-mergulho Q(α)C\Q(\alpha) \to \C (Teorema 4.4: ambos geram extensões de grau 33 com o mesmo polinômio minimal), cuja imagem Q(jα)⊈R\Q(j\alpha) \not\subseteq \R difere de Q(α)R\Q(\alpha) \subseteq \R: Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q não é normal. O corpo de decomposição é L=Q(α,j)L = \Q(\alpha, j), com [L:Q]=[L:Q(α)][Q(α):Q]=23=6[L:\Q] = [L:\Q(\alpha)]\,[\Q(\alpha):\Q] = 2 \cdot 3 = 6 (jj satisfaz X2+X+1X^2 + X + 1, irredutível sobre o corpo real Q(α)\Q(\alpha)). Um automorfismo de Q(α)\Q(\alpha) deve levar α\alpha a uma raiz de X32X^3 - 2 dentro de Q(α)R\Q(\alpha) \subseteq \R: só α\alpha serve, de modo que AutQ(Q(α))={id}\operatorname{Aut}_\Q(\Q(\alpha)) = \{\mathrm{id}\}, de ordem 1<31 < 3.

Exercício 4.3

Construa F9\mathbb F_9 como F3[X]/(X2+1)\mathbb F_3[X]/(X^2+1) e encontre um gerador de F9×\mathbb F_9^\times. Liste os polinômios mônicos irredutíveis de graus 1,2,31, 2, 3 sobre F2\mathbb F_2 e verifique X8X=X(X+1)(X3+X+1)(X3+X2+1)X^8 - X = X(X+1)(X^3+X+1)(X^3+X^2+1) sobre F2\mathbb F_2.

Solução

Solução de Exercício 4.3.

X2+1X^2 + 1 não tem raiz em F3\mathbb F_3 (0,1,21,2,20, 1, 2 \mapsto 1, 2, 2), de modo que F9=F3[X]/(X2+1)\mathbb F_9 = \mathbb F_3[X]/(X^2+1) é um corpo com 99 elementos; escreva ω=Xˉ\omega = \bar X, ω2=1\omega^2 = -1. O grupo F9×\mathbb F_9^\times é cíclico de ordem 88; ω\omega tem ordem 44, mas 1+ω1 + \omega funciona: (1+ω)2=1+2ω+ω2=2ω(1+\omega)^2 = 1 + 2\omega + \omega^2 = 2\omega, (1+ω)4=4ω2=ω2=11(1+\omega)^4 = 4\omega^2 = \omega^2 = -1 \ne 1: ordem 88.

Sobre F2\mathbb F_2grau 11: XX, X+1X + 1; grau 22: X2+X+1X^2 + X + 1 (as outras três quadráticas têm raízes); grau 33: X3+X+1X^3 + X + 1 e X3+X2+1X^3 + X^2 + 1 (sem raízes em F2\mathbb F_2; as outras seis cúbicas têm raízes). Verificação:

(X3+X+1)(X3+X2+1)=X6+X5+X4+X3+X2+X+1,(X^3{+}X{+}1)(X^3{+}X^2{+}1) = X^6 + X^5 + X^4 + X^3 + X^2 + X + 1,

e X(X+1)(X6++1)=X(X7+1)=X8+X=X8XX(X{+}1)(X^6 + \dots + 1) = X(X^7 + 1) = X^8 + X = X^8 - X sobre F2\mathbb F_2 — exatamente os irredutíveis de grau divisor de 33, como o Exercício 4.6 prevê (o grau 22 está ausente: 232 \nmid 3).

Exercício 4.4 ★★

(a) Encontre todas as raízes primitivas módulo 77 e módulo 1111 (isto é, os geradores de F7×\mathbb F_7^\times, F11×\mathbb F_{11}^\times). (b) Mostre que, para pp ímpar, xFp×x \in \mathbb F_p^\times é um quadrado se, e somente se, x(p1)/2=1x^{(p-1)/2} = 1 (critério de Euler), e recupere o critério para 1-1 do Problema 2.1.

Solução

Solução de Exercício 4.4.

(a) Módulo 77: as potências de 33 são 3,2,6,4,5,13, 2, 6, 4, 5, 1: ordem 66, um gerador; as raízes primitivas são os 3k3^k com gcd(k,6)=1\gcd(k, 6) = 1: 33 e 35=53^5 = 5. Módulo 1111: potências de 22: 2,4,8,5,10,9,7,3,6,12, 4, 8, 5, 10, 9, 7, 3, 6, 1: um gerador; raízes primitivas 2k2^k, gcd(k,10)=1\gcd(k, 10) = 1: 2,23=8,27=7,29=62, 2^3 = 8, 2^7 = 7, 2^9 = 6.

(b) Escreva x=gkx = g^k com gg um gerador (Teorema 4.12). Então xx é um quadrado se, e somente se, kk é par (os quadrados são os g2lg^{2l}, e g2l=gkg^{2l} = g^{k} se, e somente se, k2lmodp1k \equiv 2l \bmod p-1, solúvel se, e somente se, kk é par, sendo p1p - 1 par). E x(p1)/2=gk(p1)/2=1x^{(p-1)/2} = g^{k(p-1)/2} = 1 se, e somente se, (p1)kp12(p-1) \mid k\frac{p-1}2 se, e somente se, kk é par: as duas condições coincidem. Para x=1=g(p1)/2x = -1 = g^{(p-1)/2}: é um quadrado se, e somente se, p12\frac{p-1}2 é par, se, e somente se, p1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 — o Problema 2.1 de novo.

Exercício 4.5 ★★

Mostre que FpmFpn=Fpgcd(m,n)\mathbb F_{p^m} \cap \mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}} e FpmFpn=Fplcm(m,n)\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n} = \mathbb F_{p^{\operatorname{lcm}(m,n)}} dentro de um fecho algébrico fixado Fˉp\bar{\mathbb F}_p, e descreva Gal(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) para mnm \mid n.

Solução

Solução de Exercício 4.5.

Dentro de Fˉp\bar{\mathbb F}_p, Fpk={x:xpk=x}\mathbb F_{p^k} = \{x : x^{p^k} = x\} é o conjunto dos pontos fixos de FkF^k. A interseção FpmFpn\mathbb F_{p^m} \cap \mathbb F_{p^n} é fixada por FmF^m e FnF^n, logo por Fgcd(m,n)F^{\gcd(m,n)} (gcd=am+bn\gcd = am + bn: sobre um elemento fixo, Fam+bn=(Fm)a(Fn)bF^{am + bn} = (F^m)^a(F^n)^b age trivialmente — os expoentes podem ser tomados positivos por periodicidade); assim ela está contida em Fpgcd(m,n)\mathbb F_{p^{\gcd(m,n)}}, que reciprocamente está contido em ambos (Teorema 4.11(3)). O composto FpmFpn\mathbb F_{p^m}\mathbb F_{p^n}: todo corpo que contém ambos tem grau divisível por mm e nn, logo por lcm(m,n)\operatorname{lcm}(m,n); e Fplcm\mathbb F_{p^{\operatorname{lcm}}} contém ambos: é o composto. Para mnm \mid n: Gal(Fpn/Fpm)\operatorname{Gal}(\mathbb F_{p^n}/\mathbb F_{p^m}) consiste nas potências de FF que fixam Fpm\mathbb F_{p^m}, isto é, nas de FmF^m: cíclico de ordem n/mn/m, gerado por Fm ⁣:xxpmF^m \colon x \mapsto x^{p^m} (ordem como em Teorema 4.11(2)).

Exercício 4.6 ★★

Seja Id(q)I_d(q) o número de polinômios mônicos irredutíveis de grau dd sobre Fq\mathbb F_q. Demonstre

XqnX  =  dn P irred. monic, degP=dP,logoqn=dndId(q).X^{q^n} - X \;=\; \prod_{d \mid n}\ \prod_{P \text{ irred. monic, } \deg P = d} P , \qquad\text{logo}\qquad q^n = \sum_{d \mid n} d\, I_d(q).

Deduza I1,I2,I3,I4I_1, I_2, I_3, I_4 explicitamente, e Id(q)1I_d(q) \geq 1 para todo dd (de modo que as extensões Fqd/Fq\mathbb F_{q^d}/\mathbb F_q existem como quocientes Fq[X]/(P)\mathbb F_q[X]/(P) para todo dd).

Solução

Solução de Exercício 4.6.

XqnXX^{q^n} - X é separável (derivada 1-1), com conjunto de raízes Fqn\mathbb F_{q^n}. Seja PP mônico irredutível de grau dd. Se dnd \mid n: Fq[X]/(P)FqdFqn\mathbb F_q[X]/(P) \cong \mathbb F_{q^d} \subseteq \mathbb F_{q^n}, de modo que PP tem uma raiz αFqn\alpha \in \mathbb F_{q^n}; αqn=α\alpha^{q^n} = \alpha, e P=παP = \pi_\alpha divide XqnXX^{q^n} - X. Se PXqnXP \mid X^{q^n} - X: uma raiz αFqn\alpha \in \mathbb F_{q^n} gera FqdFqn\mathbb F_{q^d} \subseteq \mathbb F_{q^n}, logo dnd \mid n (Teorema 4.11(3)). Irredutíveis distintos são primos entre si e o produto é separável: cada PP aparece com expoente exatamente 11, e toda raiz de XqnXX^{q^n}-X é raiz de seu polinômio minimal: a fatoração vale. Comparando graus: qn=dndId(q)q^n = \sum_{d\mid n} d\,I_d(q).

Consequentemente I1=qI_1 = q; q2=I1+2I2q^2 = I_1 + 2I_2I2=q2q2I_2 = \frac{q^2 - q}2; q3=I1+3I3q^3 = I_1 + 3I_3I3=q3q3I_3 = \frac{q^3 - q}3; q4=I1+2I2+4I4q^4 = I_1 + 2I_2 + 4I_4I4=q4q24I_4 = \frac{q^4 - q^2}4. Existência: nIn=qndn,d<ndIdqndn/2qd>qnqn/2+10nI_n = q^n - \sum_{d \mid n,\, d < n} dI_d \geq q^n - \sum_{d \leq n/2} q^d > q^n - q^{n/2 + 1} \geq 0 para n2n \geq 2 (e I1=q1I_1 = q \geq 1): In1I_n \geq 1 sempre.

Exercício 4.7 ★★

Determine Gal(Q(2,3)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\sqrt2,\sqrt3)/\Q) e o reticulado completo dos corpos intermediários. Mesma pergunta para o corpo de decomposição de (X22)(X23)(X26)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6) — o que você observa?

Solução

Solução de Exercício 4.7.

L=Q(2,3)L = \Q(\sqrt2, \sqrt3) é o corpo de decomposição de (X22)(X23)(X^2 - 2)(X^2 - 3), separável: galoisiano de grau 44 (Exercício 4.1). Um automorfismo leva 2±2\sqrt2 \mapsto \pm\sqrt2 e 3±3\sqrt3 \mapsto \pm\sqrt3: no máximo 44 escolhas, e G=4\abs G = 4 realiza todas: G(Z/2Z)2G \cong (\Z/2\Z)^2, com elementos id,σ(22),τ(33),στ\mathrm{id}, \sigma (\sqrt2 \mapsto -\sqrt2), \tau (\sqrt3\mapsto-\sqrt3), \sigma\tau. Subgrupos de ordem 22: σ,τ,στ\langle\sigma\rangle, \langle\tau\rangle, \langle\sigma\tau\rangle, com corpos fixos Q(3)\Q(\sqrt3), Q(2)\Q(\sqrt2), Q(6)\Q(\sqrt6) (note que στ\sigma\tau fixa 6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3). O reticulado: Q\Q embaixo, os três corpos quadráticos no meio, LL no topo — e nada mais (Teorema 4.21). Para (X22)(X23)(X26)(X^2-2)(X^2-3)(X^2-6): o corpo de decomposição é o mesmo LL (6=23\sqrt6 = \sqrt2\sqrt3), de modo que a resposta é idêntica: a correspondência de Galois é um invariante da extensão, não do polinômio escolhido para apresentá-la.

Exercício 4.8 ★★

(A cúbica, resolvida por seu grupo) Seja P=X3+pX+qQ[X]P = X^3 + pX + q \in \Q[X] irredutível de raízes x1,x2,x3x_1, x_2, x_3 e corpo de decomposição LL. Sejam δ=(x1x2)(x1x3)(x2x3)\delta = (x_1 - x_2)(x_1 - x_3)(x_2 - x_3) e Δ=δ2=4p327q2\Delta = \delta^2 = -4p^3 - 27q^2 (admita essa identidade clássica ou verifique-a expandindo funções simétricas). (a) Mostre que Gal(L/Q)A3\operatorname{Gal}(L/\Q) \cong A_3 ou S3S_3, conforme Δ\Delta seja ou não um quadrado em Q\Q. (b) Com j=ζ3j = \zeta_3, defina os resolventes de Lagrange u=x1+jx2+j2x3u = x_1 + jx_2 + j^2x_3 e v=x1+j2x2+jx3v = x_1 + j^2x_2 + jx_3. Mostre que u3+v3=27qu^3 + v^3 = -27q e uv=3puv = -3p, e resolva para u3,v3u^3, v^3: as fórmulas de Cardano caem sozinhas. Onde foi usada a solubilidade de S3S_3?

Solução

Solução de Exercício 4.8.

(a) GG age fielmente e transitivamente (irredutibilidade) sobre as três raízes: GS3G \hookrightarrow S_3 com 3G3 \mid \abs G: GA3G \cong A_3 ou S3S_3. Todo σG\sigma \in G permuta os xix_i, e σ(δ)=ε(σ)δ\sigma(\delta) = \varepsilon(\sigma)\,\delta (δ\delta é alternante nas raízes). Se Δ\Delta é um quadrado em Q\Q: δQ×\delta \in \Q^\times (note δ0\delta \neq 0: separável), de modo que ε(σ)=1\varepsilon(\sigma) = 1 para todo σ\sigma: GA3G \subseteq A_3, logo =A3= A_3. Caso contrário: δQ\delta \notin \Q, de modo que algum σ\sigma tem ε(σ)=1\varepsilon(\sigma) = -1: G=S3G = S_3. (Em ambos os casos Q(δ)=LGA3\Q(\delta) = L^{G \cap A_3}.)

(b) Com x1+x2+x3=0x_1 + x_2 + x_3 = 0: u+v=2x1(x2+x3)=3x1u + v = 2x_1 - (x_2 + x_3) = 3x_1. Também

uv=ixi2+(j+j2)i<kxixk=(xi)23i<kxixk=3p,uv = \sum_i x_i^2 + (j + j^2)\sum_{i<k}x_ix_k = \Bigl(\sum x_i\Bigr)^2 - 3\sum_{i<k}x_ix_k = -3p,

usando j+j2=1j + j^2 = -1 e i<kxixk=p\sum_{i<k}x_ix_k = p. Então

u3+v3=(u+v)33uv(u+v)=27x13+9p3x1=27(x13+px1)=27q.u^3 + v^3 = (u+v)^3 - 3uv(u+v) = 27x_1^3 + 9p\cdot 3x_1 = 27\,(x_1^3 + px_1) = -27q .

Assim u3,v3u^3, v^3 são as raízes de Y2+27qY27p3=0Y^2 + 27qY - 27p^3 = 0 (produto (uv)3=27p3(uv)^3 = -27p^3): u3=27q+729q2+108p32u^3 = \frac{-27q + \sqrt{729q^2 + 108p^3}}2, e x1=u+v3x_1 = \frac{u + v}3 com v=3p/uv = -3p/u: Cardano. A solubilidade de S3S_3 é o esqueleto: a torre QQ(δ)Q(δ,j,u)\Q \subseteq \Q(\delta) \subseteq \Q(\delta, j, u) adjunge primeiro uma raiz quadrada (δ\delta, corpo fixo de A3A_3: o passo S3S3/A3S_3 \to S_3/A_3), depois uma raiz cúbica (uu, pois u3Q(δ,j)u^3 \in \Q(\delta, j): o passo A3{e}A_3 \to \{e\}) — a série derivada S3A3{e}S_3 \supset A_3 \supset \{e\} tornada concreta.

Exercício 4.9 ★★

Em Q(ζ5)\Q(\zeta_5): mostre que o único subcorpo quadrático é Q(5)\Q(\sqrt5), por meio das somas de Gauss η0=ζ5+ζ54\eta_0 = \zeta_5 + \zeta_5^4, η1=ζ52+ζ53\eta_1 = \zeta_5^2 + \zeta_5^3: calcule η0+η1\eta_0 + \eta_1 e η0η1\eta_0\eta_1, e deduza cos2π5=514\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}4. Conclua que o pentágono regular é construtível.

Solução

Solução de Exercício 4.9.

η0+η1=ζ5+ζ52+ζ53+ζ54=1\eta_0 + \eta_1 = \zeta_5 + \zeta_5^2 + \zeta_5^3 + \zeta_5^4 = -1 (a soma de todas as raízes 55-ésimas da unidade é 00). η0η1=(ζ+ζ4)(ζ2+ζ3)=ζ3+ζ4+ζ6+ζ7=ζ3+ζ4+ζ+ζ2=1\eta_0\eta_1 = (\zeta + \zeta^4)(\zeta^2 + \zeta^3) = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta^6 + \zeta^7 = \zeta^3 + \zeta^4 + \zeta + \zeta^2 = -1 (índices módulo 55). Logo η0,η1\eta_0, \eta_1 são as raízes de Y2+Y1Y^2 + Y - 1: 1±52\frac{-1 \pm \sqrt5}2. Como η0=2cos2π5>0\eta_0 = 2\cos\frac{2\pi}5 > 0: η0=512\eta_0 = \frac{\sqrt5 - 1}2, donde cos2π5=514\cos\frac{2\pi}5 = \frac{\sqrt5 - 1}4, e η1=152\eta_1 = \frac{-1-\sqrt5}2. O grupo Gal(Q(ζ5)/Q)(Z/5Z)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_5)/\Q) \cong (\Z/5\Z)^\times é cíclico de ordem 44: ele tem um único subgrupo de ordem 22 ({±1}\{\pm 1\}, isto é, ζζ±1\zeta \mapsto \zeta^{\pm1}), de modo que Q(ζ5)\Q(\zeta_5) tem um único subcorpo quadrático (Teorema 4.21), que contém η0Q\eta_0 \notin \Q: é Q(η0)=Q(5)\Q(\eta_0) = \Q(\sqrt5). Construtibilidade: cos2π5\cos\frac{2\pi}5 está na torre quadrática QQ(5)\Q \subseteq \Q(\sqrt5), e ζ5\zeta_5 um passo quadrático acima: o Teorema 4.25 constrói o pentágono.

Exercício 4.10 ★★★

Sejam K=Fp(S,T)K = \mathbb F_p(S, T) (funções racionais em duas indeterminadas) e L=K(S1/p,T1/p)L = K(S^{1/p}, T^{1/p}). (a) Mostre que [L:K]=p2[L:K] = p^2 e que αpK\alpha^p \in K para todo αL\alpha \in L. (b) Deduza que L/KL/K não é simples: não existe elemento primitivo — a inseparabilidade é fatal para o Teorema 4.17.

Solução

Solução de Exercício 4.10.

(a) Escreva s=S1/ps = S^{1/p}, t=T1/pt = T^{1/p} (elementos de um fecho algébrico escolhido, com sp=Ss^p = S, tp=Tt^p = T). XpSX^p - S é irredutível sobre as frações de K=Fp(S,T)=(Fp(T))(S)K = \mathbb F_p(S, T) = (\mathbb F_p(T))(S): Eisenstein no elemento primo SS do DFU Fp(T)[S]\mathbb F_p(T)[S] (Teorema 2.25). Logo [K(s):K]=p[K(s):K] = p; do mesmo modo, XpTX^p - T é de Eisenstein em TT sobre as frações de K(s)=Fp(s)(T)K(s) = \mathbb F_p(s)(T)TT permanece primo em Fp(s)[T]\mathbb F_p(s)[T] —, dando [L:K(s)]=p[L : K(s)] = p e [L:K]=p2[L:K] = p^2. Para αL\alpha \in L: L=K[s,t]L = K[s, t], de modo que α=cijsitj\alpha = \sum c_{ij}s^it^j (cijKc_{ij} \in K), e pelo morfismo de Frobenius αp=cijpSiTjK\alpha^p = \sum c_{ij}^p S^iT^j \in K.

(b) Se L=K(α)L = K(\alpha), então [K(α):K]=p2[K(\alpha):K] = p^2; mas αp=aK\alpha^p = a \in K significa que α\alpha anula XpaX^p - a, de modo que degπαp<p2\deg\pi_\alpha \leq p < p^2: contradição. Nenhum elemento primitivo: o Teorema 4.17 realmente precisa da separabilidade (aqui todo πα\pi_\alpha divide algum Xpa=(Xα)pX^p - a = (X - \alpha)^p: puramente inseparável).

Exercício 4.11 ★★★

Sejam P=X54X+2P = X^5 - 4X + 2 e GG seu grupo de Galois sobre Q\Q, agindo sobre as 55 raízes. (a) Mostre que PP é irredutível e deduza 5G5 \mid \abs G; conclua que GG contém um 55-ciclo (Cauchy, Teorema 1.13). (b) Mostre, estudando as variações de xx54x+2x \mapsto x^5 - 4x + 2, que PP tem exatamente 33 raízes reais; deduza que a conjugação complexa se restringe a uma transposição em GG. (c) Mostre que um subgrupo de S5S_5 que contém uma transposição e um 55-ciclo é S5S_5 (conjugue a transposição por potências do ciclo). Conclua GS5G \cong S_5 e, com o Teorema 4.29, que PP não é solúvel por radicais.

Solução

Solução de Exercício 4.11.

(a) Eisenstein em 22 (24,22 \mid 4, 2; 424 \nmid 2): PP irredutível. Se α\alpha é uma raiz, [Q(α):Q]=5[\Q(\alpha):\Q] = 5 divide [L:Q]=G[L:\Q] = \abs G (LL o corpo de decomposição): Cauchy (Teorema 1.13) dá um elemento de ordem 55 em GS5G \leq S_5; em S5S_5, só os 55-ciclos têm ordem 55 (as ordens são mmc dos comprimentos dos ciclos).

(b) P(x)=5x44P'(x) = 5x^4 - 4 se anula em ±(4/5)1/4±0.946\pm(4/5)^{1/4} \approx \pm 0.946: um máximo local e depois um mínimo local. Valores: P(2)=22<0P(-2) = -22 < 0, P(0)=2>0P(0) = 2 > 0, P(1)=1<0P(1) = -1 < 0, P(2)=26>0P(2) = 26 > 0: três mudanças de sinal, e no máximo três raízes reais (dois pontos críticos): exatamente 33 raízes reais, logo um par de raízes complexas conjugadas. Tome o corpo de decomposição LL dentro de C\C: a conjugação complexa leva LL nele mesmo (ela permuta as raízes, que geram LL) e fixa Q\Q, de modo que define um elemento de GG; ela fixa as três raízes reais e troca as outras duas: uma transposição.

(c) Sejam τ=(ab)\tau = (a\,b) e σ\sigma um 55-ciclo em GG. Alguma potência σk\sigma^k leva aa em bb (k0mod5k \ne 0 \bmod 5), e σk\sigma^k é ainda um 55-ciclo: renomeando, suponha σ=(12345)\sigma = (1\,2\,3\,4\,5) e τ=(12)\tau = (1\,2). Conjugando, σmτσm=(σm(1) σm(2))\sigma^m\tau\sigma^{-m} = (\sigma^m(1)\ \sigma^m(2)): as transposições adjacentes (12),(23),(34),(45),(51)(1\,2), (2\,3), (3\,4), (4\,5), (5\,1) estão todas em GG; as transposições adjacentes geram S5S_5 (toda transposição (ij)(i\,j) é um produto de adjacentes, e as transposições geram). Logo G=S5G = S_5, não solúvel (Corolário 1.34), e o Teorema 4.29 conclui: X54X+2X^5 - 4X + 2 não é solúvel por radicais.

Exercício 4.12 ★★★

(A quártica diedral) Sejam α=24\alpha = \sqrt[4]2 e L=Q(α,i)L = \Q(\alpha, \iu), o corpo de decomposição de X42X^4 - 2 sobre Q\Q. (a) Mostre que [L:Q]=8[L : \Q] = 8 e que G=Gal(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q) é gerado por σ ⁣:αiα, ii\sigma\colon \alpha \mapsto \iu\alpha,\ \iu \mapsto \iu e pela conjugação complexa τ\tau, com σ4=τ2=e\sigma^4 = \tau^2 = e e τστ=σ1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1}: GD4G \cong D_4. (b) Liste o reticulado de subgrupos de D4D_4 (dez subgrupos) e associe cada um ao seu corpo fixo; verifique em particular que Q(2)\Q(\sqrt2), Q(i)\Q(\iu), Q(i2)\Q(\iu\sqrt2) são os três subcorpos quadráticos, e localize Q(α)\Q(\alpha), Q(iα)\Q(\iu\alpha), Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu). (c) Quais corpos intermediários são de Galois sobre Q\Q? Confronte sua resposta com os subgrupos normais de D4D_4 e explique por que Q(α)/Q\Q(\alpha)/\Q falha enquanto Q(2)/Q\Q(\sqrt2)/\Q funciona.

Solução

Solução de Exercício 4.12.

(a) X42X^4 - 2 é irredutível (Eisenstein em 22): [Q(α):Q]=4[\Q(\alpha):\Q] = 4; iQ(α)R\iu \notin \Q(\alpha) \subseteq \R, de modo que [L:Q(α)]=2[L : \Q(\alpha)] = 2 e [L:Q]=8[L:\Q] = 8. A extensão é galoisiana (corpo de decomposição de um polinômio separável: as raízes são ikα\iu^k\alpha), logo G=8\abs G = 8. Um automorfismo leva α\alpha a uma das quatro raízes e i\iu a ±i\pm\iu: no máximo 88 aplicações, todas realizadas. O σ\sigma indicado (de ordem 44: σ2(α)=α\sigma^2(\alpha) = -\alpha, σ4=e\sigma^4 = e) e τ\tau (de ordem 22) satisfazem

τστ(α)=τσ(α)=τ(iα)=iα=σ1(α),τστ(i)=i(1)(1)=i,\tau\sigma\tau(\alpha) = \tau\sigma(\alpha) = \tau(\iu\alpha) = -\iu\alpha = \sigma^{-1}(\alpha), \qquad \tau\sigma\tau(\iu) = \iu\cdot(-1)(-1) = \iu ,

mais precisamente: τστ(i)=τσ(i)=τ(i)=i=σ1(i)\tau\sigma\tau(\iu) = \tau\sigma(-\iu) = \tau(-\iu) = \iu = \sigma^{-1}(\iu). Logo τστ=σ1\tau\sigma\tau = \sigma^{-1}: a apresentação de D4D_4.

(b) Os dez subgrupos de D4=σ,τD_4 = \langle\sigma, \tau\rangle: {e}\{e\}; cinco de ordem 22: σ2\langle\sigma^2\rangle, τ\langle\tau\rangle, σ2τ\langle\sigma^2\tau\rangle, στ\langle\sigma\tau\rangle, σ3τ\langle\sigma^3\tau\rangle; três de ordem 44: σ\langle\sigma\rangle, {e,σ2,τ,σ2τ}\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\}, {e,σ2,στ,σ3τ}\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\}; e D4D_4. Corpos fixos (grau = índice): {e}L\{e\} \leftrightarrow L; os subgrupos de ordem 22 \leftrightarrow os cinco corpos quárticos

τQ(α),σ2τQ(iα),σ2Q(2,i),στQ((1+i)α),σ3τQ((1i)α).\langle\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\alpha),\quad \langle\sigma^2\tau\rangle \leftrightarrow \Q(\iu\alpha), \quad \langle\sigma^2\rangle \leftrightarrow \Q(\sqrt2, \iu),\quad \langle\sigma\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1+\iu)\alpha\bigr),\quad \langle\sigma^3\tau\rangle \leftrightarrow \Q\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) .

Verificações: τ\tau fixa o real α\alpha; σ2τ\sigma^2\tau leva αα\alpha \mapsto -\alpha e ii\iu \mapsto -\iu, fixando iα\iu\alpha; e como στ(α)=iα\sigma\tau(\alpha) = \iu\alpha, στ(i)=i\sigma\tau(\iu) = -\iu:

στ((1+i)α)=(1i)iα=(1+i)α,σ3τ((1i)α)=(1+i)(i)α=(1i)α:\sigma\tau\bigl((1+\iu)\alpha\bigr) = (1 - \iu)\,\iu\alpha = (1 + \iu)\alpha, \qquad \sigma^3\tau\bigl((1-\iu)\alpha\bigr) = (1 + \iu)(-\iu)\alpha = (1 - \iu)\alpha :

cada reflexão fixa seu gerador, e o corpo fixo, de grau 4=4 = índice, é exatamente o corpo que ele gera (o gerador é raiz de X4+8X^4 + 8, irredutível). Os subgrupos de ordem 44 \leftrightarrow os três corpos quadráticos: σQ(i)\langle\sigma\rangle \leftrightarrow \Q(\iu) (σ\sigma fixa i\iu); {e,σ2,τ,σ2τ}Q(2)\{e, \sigma^2, \tau, \sigma^2\tau\} \leftrightarrow \Q(\sqrt2) (todos os quatro fixam α2\alpha^2 a menos de verificações de sinal: τ(2)=2\tau(\sqrt2) = \sqrt2, σ2(α2)=(α)2\sigma^2(\alpha^2) = (-\alpha)^2); {e,σ2,στ,σ3τ}Q(i2)\{e, \sigma^2, \sigma\tau, \sigma^3\tau\} \leftrightarrow \Q(\iu\sqrt2) (στ(iα2)=(i)(iα)2=iα2\sigma\tau(\iu\alpha^2) = (-\iu)(\iu\alpha)^2 = \iu\alpha^2).

(c) Galoisiano sobre Q\Q \leftrightarrow subgrupos normais de D4D_4: {e}\{e\}, σ2\langle\sigma^2\rangle (o centro), os três subgrupos de ordem 44 e D4D_4 — de modo que os corpos intermediários galoisianos são LL, Q(2,i)\Q(\sqrt2, \iu), os três corpos quadráticos e Q\Q. Os cinco corpos quárticos fixados por reflexões não normais não são galoisianos: Q(α)\Q(\alpha) contém uma raiz de X42X^4 - 2, mas não iα\iu\alpha (ele é real) — a conjugação por σ\sigma move τ\langle\tau\rangle para σ2τ\langle\sigma^2\tau\rangle, exatamente como move Q(α)\Q(\alpha) para Q(iα)\Q(\iu\alpha): a não normalidade do subgrupo é a existência de um corpo conjugado.

4.10 Problema: Gauss e o 17-ágono regular

Problema 4.1

Problema de fim de semana — construtibilidade do 17-ágono

Em 30 de março de 1796, Gauss, aos dezenove anos, mostrou que o 1717-ágono regular é construtível — o primeiro avanço sobre a questão desde a Antiguidade. Reconstruímos seu cálculo com as ferramentas deste capítulo. Ponha ζ=e2iπ/17\zeta = \eu^{2\iu\pi/17}, L=Q(ζ)L = \Q(\zeta), G=Gal(L/Q)G = \operatorname{Gal}(L/\Q).

Parte I — O grupo e sua filtração.

  1. Justifique: [L:Q]=16[L:\Q] = 16, G(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cíclico de ordem 1616. Verifique que 33 é gerador de (Z/17Z)×(\Z/17\Z)^\times (calcule as potências de 33 módulo 1717: 3,9,10,13,5,15,11,16,3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, \dots).
  2. Sejam σG\sigma \in G com σ(ζ)=ζ3\sigma(\zeta) = \zeta^3, e Hk=σ2kH_k = \langle \sigma^{2^k}\rangle para k=0,,4k = 0, \dots, 4. Mostre que G=H0H1H2H3H4={e}G = H_0 \supset H_1 \supset H_2 \supset H_3 \supset H_4 = \{e\} com cada índice [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2, e que os corpos fixos Q=L0L1L2L3L4=L\Q = L_0 \subset L_1 \subset L_2 \subset L_3 \subset L_4 = L formam uma torre de extensões quadráticas.
  3. Conclua a priori, usando o Teorema 4.25, que ζ\zeta — e portanto o 1717-ágono — é construtível. O restante do problema torna a torre explícita.

Parte II — Os períodos de comprimento 8. Defina os períodos de Gauss

η0=k parζ3kmod17=ζ1+ζ9+ζ13+ζ15+ζ16+ζ8+ζ4+ζ2,η1=k ıˊmparζ3kmod17.\eta_0 = \sum_{k \text{ par}} \zeta^{3^k \bmod 17} = \zeta^{1} + \zeta^{9} + \zeta^{13} + \zeta^{15} + \zeta^{16} + \zeta^{8} + \zeta^{4} + \zeta^{2}, \qquad \eta_1 = \sum_{k \text{ ímpar}} \zeta^{3^k \bmod 17}.
  1. Mostre que η0,η1\eta_0, \eta_1 são fixados por H1H_1 e trocados por σ\sigma; deduza η0,η1L1\eta_0, \eta_1 \in L_1 e que eles são as duas raízes de uma quadrática sobre Q\Q.
  2. Calcule η0+η1=1\eta_0 + \eta_1 = -1. Mostre que η0η1=4\eta_0\eta_1 = -4 (cada produto ζaζb\zeta^a\zeta^b é algum ζc\zeta^c, c0c \neq 0; conte quantas vezes cada cc ocorre, ou argumente que o produto é um inteiro racional fixado por GG, igual à soma sobre todos os 6464 produtos, e use que cada resto não nulo aparece o mesmo número de vezes).
  3. Deduza η0=1+172\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, η1=1172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2 (identifique numericamente qual é qual: η01.56\eta_0 \approx 1.56) e L1=Q(17)L_1 = \Q(\sqrt{17}).

Parte III — Períodos de comprimento 4 e 2. Defina

β0=ζ+ζ13+ζ16+ζ4,β1=ζ3+ζ5+ζ14+ζ12,β2=ζ9+ζ15+ζ8+ζ2,β3=ζ10+ζ11+ζ7+ζ6.\beta_0 = \zeta + \zeta^{13} + \zeta^{16} + \zeta^{4},\quad \beta_1 = \zeta^3 + \zeta^5 + \zeta^{14} + \zeta^{12},\quad \beta_2 = \zeta^9 + \zeta^{15} + \zeta^{8} + \zeta^{2},\quad \beta_3 = \zeta^{10} + \zeta^{11} + \zeta^{7} + \zeta^{6}.
  1. Mostre que β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0, β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1, e que β0,β2\beta_0, \beta_2 são fixados por H2H_2 e trocados por σ2\sigma^2.
  2. Calcule β0β2=1\beta_0\beta_2 = -1 e β1β3=1\beta_1\beta_3 = -1 (expanda: os dezesseis expoentes obtidos cobrem 1,,161, \dots, 16 exatamente uma vez).
  3. Deduza β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (confira o sinal numericamente: β02.05\beta_0 \approx 2.05) e a fórmula análoga para β1\beta_1; logo L2=Q(β0)L_2 = \Q(\beta_0), quadrática sobre L1L_1.
  4. Sejam γ0=ζ+ζ16=2cos2π17\gamma_0 = \zeta + \zeta^{16} = 2\cos\frac{2\pi}{17} e γ1=ζ13+ζ4\gamma_1 = \zeta^{13} + \zeta^4. Mostre que γ0+γ1=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \beta_0 e γ0γ1=β1\gamma_0\gamma_1 = \beta_1, de modo que γ0=β0+β024β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.
  5. Monte a cadeia de fórmulas que exprime cos2π17\cos\frac{2\pi}{17} por radicais quadráticos encaixados e dê uma verificação decimal (cos2π170.93247\cos\frac{2\pi}{17} \approx 0.93247).

Parte IV — Epílogo.

  1. Onde exatamente o argumento usou que 1717 é um primo de Fermat (17=222+117 = 2^{2^2} + 1)? Mostre que, para um primo pp, o pp-ágono regular é construtível se, e somente se, p=22t+1p = 2^{2^t} + 1 para algum tt (se p1=2mp - 1 = 2^m, mostre que mm tem de ser ele próprio uma potência de 22).
  2. Deduza a lista completa dos nn-ágonos regulares construtíveis para n20n \leq 20, usando o critério de Gauss–Wantzel do Corolário 4.26.

Parte V — Somas de Gauss e reciprocidade quadrática. Os períodos da Parte II escondem um tesouro. Para um primo ímpar pp, o símbolo de Legendre (ap)\bigl(\frac ap\bigr) vale +1+1 se aa é um quadrado não nulo módulo pp, 1-1 se não é, e 00 se pap \mid a; o Exercício 4.4(b) (critério de Euler) dá (ap)a(p1)/2(modp)\bigl(\frac ap\bigr) \equiv a^{(p-1)/2} \pmod p, donde a multiplicatividade. Escreva ζ=e2iπ/p\zeta = \eu^{2\iu\pi/p}, p=(1)(p1)/2pp^* = (-1)^{(p-1)/2}p, e defina a soma de Gauss

g  =  a=1p1(ap)ζa.g \;=\; \sum_{a=1}^{p-1}\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^a .
  1. Mostre que a=1p1(ap)=0\sum_{a=1}^{p-1}\bigl(\frac ap\bigr) = 0 (há tantos quadrados quanto não quadrados) e demonstre a forma alternativa g=a=0p1ζa2g = \sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} (cada quadrado não nulo é atingido duas vezes, e aζa=0\sum_{a}\zeta^a = 0). Para p=17p = 17: relacione gg com os períodos da Parte II — mostre que g=η0η1g = \eta_0 - \eta_1 (os quadrados módulo 1717 são exatamente as potências pares do gerador 33).
  2. Demonstre que g2=pg^2 = p^*: expanda

    g2=a,b0(abp)ζa+b=c a0(a(ca)p)ζcg^2 = \sum_{a,b\neq0}\Bigl(\frac{ab}p\Bigr) \zeta^{a+b} = \sum_{c}\ \sum_{a \neq 0}\Bigl(\frac{a(c - a)}p\Bigr)\zeta^{c}

    (ponha b=cab = c - a), substitua ca=atc - a = at para avaliar a soma interna como (1p)(p1)\bigl(\frac{-1}p\bigr)(p - 1) para c=0c = 0 e (1p)-\bigl(\frac{-1}p\bigr) nos demais casos, e conclua com a questão 14. Confira numericamente: para p=17p = 17, (η0η1)2=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = 17 (Parte II).

  3. Deduza pQ(ζp)\sqrt{p^*} \in \Q(\zeta_p) e conclua que o único subcorpo quadrático de Q(ζp)\Q(\zeta_p) é Q(p)\Q(\sqrt{p^*}) — único porque Gal(Q(ζp)/Q)\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) é cíclico (Teorema 4.23) e um grupo cíclico tem exatamente um subgrupo de índice 22. (Todo corpo quadrático mergulha em algum corpo ciclotômico — este é o primeiro caso do teorema de Kronecker–Weber, cuja forma geral está muito à frente.)
  4. Seja agora qpq \neq p outro primo ímpar. Trabalhando no anel Z[ζ]\Z[\zeta] módulo qq, demonstre

    gq(qp)g(modqZ[ζ])g^q \equiv \Bigl(\frac qp\Bigr)\,g \pmod{q\Z[\zeta]}

    (sonho do calouro: (x+y)qxq+yq(x + y)^q \equiv x^q + y^q módulo qq em qualquer anel comutativo; depois gqa(ap)qζaqg^q \equiv \sum_a\bigl(\frac ap\bigr)^q\zeta^{aq}, reindexe b=aqb = aq e ponha (q1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr) em evidência).

  5. Por outro lado, gq=g(g2)(q1)/2=g(p)(q1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2}; usando o critério de Euler módulo qq, deduza gq(pq)g(modqZ[ζ])g^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g \pmod{q\Z[\zeta]} e, então — multiplicando as duas expressões de gqg^q por gg e usando g2=pg^2 = p^*, inversível módulo qq —, conclua

    (qp)=(pq).\Bigl(\frac qp\Bigr) = \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr) .

    (Por que uma congruência entre os inteiros ±p\pm p^* módulo qZ[ζ]q\Z[\zeta] implica sua igualdade? Intersecte com Z\Z.)

  6. Desenvolva (pq)=(1q)(p1)/2(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) e (1q)=(1)(q1)/2\bigl(\frac{-1}q\bigr) = (-1)^{(q-1)/2} para obter a lei da reciprocidade quadrática:

    (pq)(qp)=(1)p12q12.\Bigl(\frac pq\Bigr)\Bigl(\frac qp\Bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\cdot\frac{q-1}2} .

    Verifique-a em (p,q)=(17,3)(p, q) = (17, 3), listando os quadrados módulo 1717 e módulo 33, e use-a para decidir em três linhas se x2219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383} tem solução (383383 é primo, 219=373219 = 3\cdot73).

Parte VI — Contando polinômios irredutíveis: o teorema dos números primos de Fq[X]\mathbb F_q[X]. Fixe uma potência de primo qq e seja Nq(n)N_q(n) o número de polinômios mônicos irredutíveis de grau nn sobre Fq\mathbb F_q; recorde do Exercício 4.6 a fatoração de XqnXX^{q^n} - X e a identidade qn=dndNq(d)q^n = \sum_{d\mid n}d\,N_q(d), que agora invertemos, reinterpretamos e exploramos.

  1. (Palavras) Diga que uma palavra wFqnw \in \mathbb F_q^n é primitiva se não é uma potência un/d=uuu^{n/d} = u\cdots u de uma palavra uu estritamente mais curta, e seja A(d)A(d) o número de palavras primitivas de comprimento dd. Mostre que toda palavra de comprimento nn é, de maneira única, uma potência de uma palavra primitiva de algum comprimento dnd \mid n, de modo que qn=dnA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d); comparando com o Exercício 4.6, conclua A(d)=dNq(d)A(d) = d\,N_q(d) para todo dd e explique essa coincidência por uma bijeção explícita: um elemento αFqd\alpha \in \mathbb F_{q^d} de grau dd tem órbita de Frobenius (α,αq,,αqd1)(\alpha, \alpha^q, \dots, \alpha^{q^{d-1}}) com exatamente dd elementos distintos, e os elementos de grau dd correspondem dd a um aos irredutíveis de grau dd.
  2. Demonstre a fórmula de inversão de Möbius: se f(n)=dng(d)f(n) = \sum_{d\mid n}g(d) para todo nn, então g(n)=dnμ(d)f(n/d)g(n) = \sum_{d\mid n}\mu(d)\,f(n/d), onde μ\mu é a função de Möbius (μ(m)=(1)#prime factors\mu(m) = (-1)^{\#\text{prime factors}} se mm é livre de quadrados, 00 caso contrário) (lema-chave: dmμ(d)=0\sum_{d \mid m}\mu(d) = 0 para m>1m > 1 — emparelhe os divisores com e sem um fator primo fixado). Deduza

    Nq(n)=1ndnμ(d)qn/d.N_q(n) = \frac1n\sum_{d \mid n}\mu(d)\,q^{n/d} .
  3. Mostre que Nq(n)1n(qn2qn/2)>0N_q(n) \geq \frac1n\bigl(q^n - 2q^{n/2}\bigr) > 0 para todo n1n \geq 1: uma nova demonstração de que Fqn\mathbb F_{q^n} existe para todo nn. Interprete o termo dominante: um polinômio mônico aleatório de grau nn é irredutível com probabilidade 1n\sim \frac1n — o análogo perfeito do teorema dos números primos, com logx\log x trocado por nn; verifique numericamente para q=2q = 2, n4n \leq 4 (o Exercício 4.6 dá as contagens).
  4. Demonstre a companheira multiplicativa da questão 21:

    π moˆnico irred.degπ=nπ  =  dn(XqdX)μ(n/d)\prod_{\substack{\pi \text{ mônico irred.}\\ \deg\pi = n}}\pi \;=\; \prod_{d \mid n} \bigl(X^{q^d} - X\bigr)^{\mu(n/d)}

    (inversão de Möbius no grupo abeliano das funções racionais não nulas); verifique-a à mão para q=2q = 2, n=2n = 2: (X4X)/(X2X)=X2+X+1(X^4 - X)/(X^2 - X) = X^2 + X + 1.

Parte VII — Duas codas.

  1. (O segundo complemento) O método da Parte V também calcula (2q)\bigl(\frac2q\bigr). Sejam ω=e2iπ/8\omega = \eu^{2\iu\pi/8} e g=ω+ω1g = \omega + \omega^{-1}. Mostre que g2=2g^2 = 2 (ω2=i\omega^2 = \iu); depois, para um primo ímpar qq, demonstre em Z[ω]\Z[\omega] módulo qq que

    gqωq+ωq(modqZ[ω]),g^q \equiv \omega^q + \omega^{-q} \pmod{q\Z[\omega]},

    e que o lado direito é igual a gg se q±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8 e a g-g se q±3(mod8)q \equiv \pm3 \pmod 8. Comparando com gq=g(g2)(q1)/2(2q)gg^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr)g como na questão 18, conclua

    (2q)=(1)(q21)/8,\Bigl(\frac2q\Bigr) = (-1)^{(q^2-1)/8},

    verificando que (q21)/8(q^2 - 1)/8 é par exatamente quando q±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Confira: 22 é quadrado módulo 77 e módulo 1717 (323^2 e 626^2), e não é módulo 33 nem módulo 55.

  2. (A função zeta de Fq[X]\mathbb F_q[X]) Demonstre a identidade de séries formais de potências em tt:

    n1(1tn)Nq(n)=11qt\prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)} = \frac1{1 - qt}

    (fatoração única em mônicos irredutíveis: expanda cada fator como série geométrica e conte os polinômios mônicos de grau nn). Recupere a identidade qm=dmdNq(d)q^m = \sum_{d \mid m}d\,N_q(d) do Exercício 4.6 tomando logaritmos. Confira à mão o coeficiente de t2t^2 para q=2q = 2, e use a fórmula da questão 21 para calcular N2(6)=9N_2(6) = 9, verificando 26=12+21+32+692^6 = 1\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9.

Solução

Solução de Problema 4.1.

1. Φ17\Phi_{17} é irredutível (Teorema 4.23, ou o Exemplo 2.26 para índice primo): [L:Q]=φ(17)=16[L:\Q] = \varphi(17) = 16 e G(Z/17Z)×G \cong (\Z/17\Z)^\times, cíclico de ordem 1616 (Teorema 4.12). Potências de 33 módulo 1717:

3, 9, 10, 13, 5, 15, 11, 16, 14, 8, 7, 4, 12, 2, 6, 13,\ 9,\ 10,\ 13,\ 5,\ 15,\ 11,\ 16,\ 14,\ 8,\ 7,\ 4,\ 12,\ 2,\ 6,\ 1

— dezesseis valores distintos: 33 gera.

2. G=σG = \langle\sigma\rangle cíclico de ordem 1616; Hk=σ2kH_k = \langle\sigma^{2^k}\rangle tem ordem 24k2^{4-k}, e [Hk:Hk+1]=2[H_k : H_{k+1}] = 2. Pelo teorema fundamental (Teorema 4.21), Lk=LHkL_k = L^{H_k} satisfazem [Lk:Q]=[G:Hk]=2k[L_k : \Q] = [G : H_k] = 2^k: cada [Lk+1:Lk]=2[L_{k+1}:L_k] = 2.

3. ζL=L4\zeta \in L = L_4 está no topo de uma torre de extensões quadráticas de Q\Q: pelo Teorema 4.25, ζ\zeta é construtível; o 1717-ágono tem vértices ζk\zeta^k.

4. σ2\sigma^2 multiplica os expoentes por 99; os expoentes de η0\eta_0 são as potências pares de 33,

{32kmod17}={1,9,13,15,16,8,4,2},\{3^{2k} \bmod 17\} = \{1, 9, 13, 15, 16, 8, 4, 2\},

um conjunto estável pela multiplicação por 9=329 = 3^2; assim η0\eta_0 (e, do mesmo modo, η1\eta_1) é fixado por H1=σ2H_1 = \langle\sigma^2\rangle: η0,η1L1\eta_0, \eta_1 \in L_1, um corpo quadrático. σ\sigma leva potências pares em ímpares: ele troca η0,η1\eta_0, \eta_1. Logo η0+η1\eta_0 + \eta_1 e η0η1\eta_0\eta_1 são fixados por todo GG: racionais; η0,η1\eta_0, \eta_1 são as raízes de uma quadrática racional.

5. η0+η1=c=116ζc=1\eta_0 + \eta_1 = \sum_{c=1}^{16}\zeta^c = -1. O produto se expande em 6464 termos ζa+b\zeta^{a + b}, com aa no conjunto par e bb no conjunto ímpar. Nenhum termo é ζ0\zeta^0: b=ab = -a é impossível, pois 1=16=38-1 = 16 = 3^8 é uma potência par, de modo que a-a permanece no conjunto par. Assim η0η1=c0ncζc\eta_0\eta_1 = \sum_{c \neq 0} n_c\zeta^c com nc=64\sum n_c = 64; aplicar σ\sigma fixa η0η1\eta_0\eta_1 (ele troca os fatores) e permuta os ζc\zeta^c transitivamente sobre todos os c0c \neq 0, de modo que todos os ncn_c são iguais: nc=4n_c = 4 e η0η1=4c0ζc=4\eta_0\eta_1 = 4\sum_{c\neq0}\zeta^c = -4.

6. η0,1\eta_{0,1} resolvem Y2+Y4=0Y^2 + Y - 4 = 0: 1±172\frac{-1 \pm \sqrt{17}}2. Numericamente, agrupando expoentes conjugados, η0=2(cos2π17+cos4π17+cos8π17+cos16π17)1.56>0\eta_0 = 2\bigl(\cos\tfrac{2\pi}{17} + \cos\tfrac{4\pi}{17} + \cos\tfrac{8\pi}{17} + \cos\tfrac{16\pi}{17}\bigr) \approx 1.56 > 0: η0=1+172\eta_0 = \frac{-1+\sqrt{17}}2, η1=1172\eta_1 = \frac{-1-\sqrt{17}}2, e L1=Q(η0)=Q(17)L_1 = \Q(\eta_0) = \Q(\sqrt{17}).

7. Os conjuntos de expoentes: β0\beta_0: {1,13,16,4}\{1, 13, 16, 4\} = potências 34k3^{4k}; β2\beta_2: {9,15,8,2}\{9, 15, 8, 2\} = 9×9 \times desse conjunto. União: o conjunto par: β0+β2=η0\beta_0 + \beta_2 = \eta_0; do mesmo modo, β1+β3=η1\beta_1 + \beta_3 = \eta_1. A multiplicação por 13=3413 = 3^4 estabiliza o conjunto de expoentes de cada βi\beta_i: fixado por H2=σ4H_2 = \langle\sigma^4\rangle; e σ2\sigma^2 (×9\times 9) leva {1,13,16,4}\{1,13,16,4\} em {9,15,8,2}\{9, 15, 8, 2\}: troca β0,β2\beta_0, \beta_2.

8. Expandindo β0β2\beta_0\beta_2, as dezesseis somas de expoentes

{1,13,16,4}+{9,15,8,2}={10,16,9,3, 5,11,4,15, 8,14,7,1, 13,2,12,6}\{1,13,16,4\} + \{9,15,8,2\} = \{10,16,9,3,\ 5,11,4,15,\ 8,14,7,1,\ 13,2,12,6\}

cobrem 1,,161, \dots, 16 exatamente uma vez: β0β2=c0ζc=1\beta_0\beta_2 = \sum_{c\ne0}\zeta^c = -1. Aplicando σ\sigma (que leva β0β1\beta_0 \mapsto \beta_1, β2β3\beta_2 \mapsto \beta_3: expoentes ×3\times 3): β1β3=σ(β0β2)=1\beta_1\beta_3 = \sigma(\beta_0\beta_2) = -1.

9. β0,β2\beta_0, \beta_2 resolvem Y2η0Y1=0Y^2 - \eta_0 Y - 1 = 0, de modo que β0=η0+η02+42\beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2 (numericamente β0=2cos2π17+2cos8π172.05>0\beta_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} + 2\cos\frac{8\pi}{17} \approx 2.05 > 0, o sinal ++). Do mesmo modo, β1=η1+η12+420.344\beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2 \approx 0.344 (a verificação numérica fixa o sinal de novo). L2=L1(β0)L_2 = L_1(\beta_0), quadrático sobre L1L_1.

10. γ0+γ1=ζ+ζ16+ζ13+ζ4=β0\gamma_0 + \gamma_1 = \zeta + \zeta^{16} + \zeta^{13} + \zeta^4 = \beta_0. E

γ0γ1=(ζ+ζ16)(ζ13+ζ4)=ζ14+ζ5+ζ12+ζ3=β1.\gamma_0\gamma_1 = (\zeta + \zeta^{16})(\zeta^{13} + \zeta^4) = \zeta^{14} + \zeta^{5} + \zeta^{12} + \zeta^{3} = \beta_1 .

Logo γ0,γ1\gamma_0, \gamma_1 resolvem Y2β0Y+β1=0Y^2 - \beta_0Y + \beta_1 = 0; numericamente γ0=2cos2π171.865>γ10.185\gamma_0 = 2\cos\frac{2\pi}{17} \approx 1.865 > \gamma_1 \approx 0.185: γ0=β0+β024β12\gamma_0 = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}2.

11. Encadeando:

η0=1+172,β0=η0+η02+42,β1=η1+η12+42,cos2π17=β0+β024β14.\eta_0 = \frac{-1 + \sqrt{17}}2, \quad \beta_0 = \frac{\eta_0 + \sqrt{\eta_0^2 + 4}}2, \quad \beta_1 = \frac{\eta_1 + \sqrt{\eta_1^2 + 4}}2, \quad \cos\frac{2\pi}{17} = \frac{\beta_0 + \sqrt{\beta_0^2 - 4\beta_1}}4 .

Numericamente: 174.1231\sqrt{17} \approx 4.1231, η01.5616\eta_0 \approx 1.5616, η12.5616\eta_1 \approx -2.5616, β02.0494\beta_0 \approx 2.0494, β10.3441\beta_1 \approx 0.3441, β024β12.8234\beta_0^2 - 4\beta_1 \approx 2.8234 e cos2π172.0494+1.680340.93242\cos\frac{2\pi}{17} \approx \frac{2.0494 + 1.6803}4 \approx 0.93242 — contra cos2π17=0.93247\cos\frac{2\pi}{17} = 0.93247\dots: a pequena discrepância é arredondamento nas fórmulas intermediárias; carregar mais dígitos reproduz 0.9324720.932472.

12. A construção exigiu que [L:Q]=p1[L:\Q] = p - 1 fosse uma potência de 22, para que exista uma cadeia completa de subgrupos de índice 22. Se p=2m+1p = 2^m + 1 é primo e m=abm = ab com aa ímpar >1> 1: x+1xa+1x + 1 \mid x^a + 1 em x=2bx = 2^b mostra que 2b+12^b + 1 divide propriamente pp — impossível. Logo mm é uma potência de 22: p=22t+1p = 2^{2^t} + 1, um primo de Fermat (3,5,17,257,655373, 5, 17, 257, 65537, …). Reciprocamente, para tais pp, φ(p)=22t\varphi(p) = 2^{2^t} e o argumento das questões 1–3 (ou o Corolário 4.26) se aplica: o pp-ágono regular é construtível se, e somente se, pp é um primo de Fermat.

13. φ(n)\varphi(n) é uma potência de 22 exatamente quando n=2ap1prn = 2^a p_1\cdots p_r com primos de Fermat pip_i distintos (multiplicatividade de φ\varphi; uma potência de primo ímpar pkp^k, k2k \geq 2, contribui com o fator p2mp \nmid 2^m). Para n20n \leq 20, os nn-ágonos regulares construtíveis são

n=3,4,5,6,8,10,12,15,16,17,20n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 17, 20

com os valores respectivos

φ(n)=2, 2, 4, 2, 4, 4, 4, 8, 8, 16, 8.\varphi(n) = 2,\ 2,\ 4,\ 2,\ 4,\ 4,\ 4,\ 8,\ 8,\ 16,\ 8 .

Os impossíveis são n=7,9,11,13,14,18,19n = 7, 9, 11, 13, 14, 18, 19, para os quais φ(n)=6,6,10,12,6,6,18\varphi(n) = 6, 6, 10, 12, 6, 6, 18 tem um fator primo ímpar.

14. Os quadrados formam a imagem do morfismo de elevação ao quadrado no cíclico (Z/pZ)×(\Z/p\Z)^\times, de índice 22: p12\frac{p-1}2 quadrados, p12\frac{p-1}2 não quadrados, de modo que os símbolos somam 00. Então

a=0p1ζa2=1+2b quadrado0ζb=1+b0(1+(bp))ζb=bζb+g=g,\sum_{a=0}^{p-1}\zeta^{a^2} = 1 + 2\sum_{b \text{ quadrado} \neq 0}\zeta^b = 1 + \sum_{b\neq0}\Bigl(1 + \Bigl(\frac bp\Bigr)\Bigr) \zeta^b = \sum_{b}\zeta^b + g = g,

usando 1+(bp)=#{a:a2=b}1 + \bigl(\frac bp\bigr) = \#\{a : a^2 = b\} e b=0p1ζb=0\sum_{b=0}^{p-1}\zeta^b = 0. Para p=17p = 17: os quadrados módulo 1717 são as potências pares do gerador 33, isto é, os expoentes que aparecem em η0\eta_0 (Parte II), de modo que g=par kζ3kıˊmpar kζ3k=η0η1g = \sum_{\text{par }k}\zeta^{3^k} - \sum_{\text{ímpar }k} \zeta^{3^k} = \eta_0 - \eta_1.

15. Com b=cab = c - a (a,ba, b percorrem os resíduos não nulos, c=a+bc = a + b todos os resíduos):

g2=cζca0,ac(a(ca)p).g^2 = \sum_c\zeta^c\sum_{a\neq0,\,a\neq c} \Bigl(\frac{a(c-a)}p\Bigr) .

Para c=0c = 0: (a2p)=(1p)\bigl(\frac{-a^2}p\bigr) = \bigl(\frac{-1}p\bigr), somado sobre p1p - 1 valores. Para c0c \neq 0: substitua ca=atc - a = at, isto é, t=c/a1t = c/a - 1; quando aa percorre os resíduos não nulos, tt percorre bijetivamente os resíduos 1\neq -1 (inverta: a=c/(1+t)a = c/(1 + t)). O somando se torna (a2tp)=(tp)\bigl(\frac{a^2t}p\bigr) = \bigl(\frac tp\bigr), e

t1(tp)=(1p)\sum_{t \neq -1}\Bigl(\frac tp\Bigr) = -\Bigl(\frac{-1}p\Bigr)

(a soma completa se anula pela questão 14). Logo

g2=(1p)[(p1)c0ζc]=(1p)p=p,g^2 = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\Bigl[(p-1) - \sum_{c\neq0}\zeta^c\Bigr] = \Bigl(\frac{-1}p\Bigr)\,p = p^* ,

usando c0ζc=1\sum_{c\neq0}\zeta^c = -1 e o critério de Euler (1p)=(1)(p1)/2\bigl(\frac{-1}p\bigr) = (-1)^{(p-1)/2}. Para p=17p = 17: (η0η1)2=(η0+η1)24η0η1=1+16=17(\eta_0 - \eta_1)^2 = (\eta_0 + \eta_1)^2 - 4\eta_0\eta_1 = 1 + 16 = 17, de acordo com a Parte II.

16. g2=pg^2 = p^* exibe p=±gQ(ζp)\sqrt{p^*} = \pm g \in \Q(\zeta_p), de modo que Q(p)\Q(\sqrt{p^*}) é um subcorpo quadrático. Unicidade: os subcorpos de grau 22 correspondem, pela correspondência de Galois, aos subgrupos de índice 22 do cíclico Gal(Q(ζp)/Q)(Z/pZ)×\operatorname{Gal}(\Q(\zeta_p)/\Q) \cong (\Z/p\Z)^\times, e um grupo cíclico de ordem par tem exatamente um tal subgrupo (os quadrados). Todo corpo quadrático é Q(d)\Q(\sqrt{d}) com dd livre de quadrados, e combinar os corpos Q(p)\Q(\sqrt{p^*}), Q(i)Q(ζ4)\Q(\iu) \subseteq \Q(\zeta_4) e Q(2)Q(ζ8)\Q(\sqrt2) \subseteq \Q(\zeta_8) dentro de um mesmo Q(ζN)\Q(\zeta_N) alcança todo d\sqrt d: o caso quadrático de Kronecker–Weber.

17. Em qualquer anel comutativo, (x+y)q=xq+yq+q()(x + y)^q = x^q + y^q + q(\cdots): os coeficientes binomiais (qk)\binom qk, 0<k<q0 < k < q, são divisíveis pelo primo qq. Iterando sobre os p1p - 1 termos de gg:

gqa(ap)qζaq=a(ap)ζaq(modqZ[ζ]),g^q \equiv \sum_{a}\Bigl(\frac ap\Bigr)^{q}\zeta^{aq} = \sum_a\Bigl(\frac ap\Bigr)\zeta^{aq} \pmod{q\Z[\zeta]},

(qq ímpar: o símbolo não muda). Reindexe b=aqb = aq: a=q1ba = q^{-1}b e (q1bp)=(qp)(bp)\bigl(\frac{q^{-1}b}p\bigr) = \bigl(\frac{q}p\bigr)\bigl(\frac bp\bigr) (multiplicatividade; (q1p)=(qp)\bigl(\frac{q^{-1}}p\bigr) = \bigl(\frac qp\bigr), pois o símbolo de um inverso é igual ao símbolo): gq(qp)gg^q \equiv \bigl(\frac qp\bigr)g.

18. gq=g(g2)(q1)/2=g(p)(q1)/2g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,(p^*)^{(q-1)/2} exatamente (questão 15), e o critério de Euler em Z\Z(p)(q1)/2(pq)(modq)(p^*)^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr) \pmod q, logo módulo qZ[ζ]q\Z[\zeta]: gq(pq)gg^q \equiv \bigl(\frac{p^*}q\bigr)g. Comparando com a questão 17 e multiplicando por gg:

(qp)p(pq)p(modqZ[ζ]).\Bigl(\frac qp\Bigr)p^* \equiv \Bigl(\frac{p^*}q\Bigr)p^* \pmod{q\Z[\zeta]} .

Ambos os lados são inteiros racionais; sua diferença, 00 ou ±2p\pm2p^*, está em qZ[ζ]Z=qZq\Z[\zeta] \cap \Z = q\Z (um inteiro mqZ[ζ]m \in q\Z[\zeta] tem m/qQZ[ζ]=Zm/q \in \Q \cap \Z[\zeta] = \Z, esta última porque 1,ζ,,ζp21, \zeta, \dots, \zeta^{p-2} é uma Q\Q-base com coordenadas racionais das quais se lê a integralidade). Como q2pq \nmid 2p^* (qq ímpar, qpq \neq p), a diferença é 00: (qp)=(pq)\bigl(\frac qp\bigr) = \bigl(\frac{p^*}q\bigr).

19. Por multiplicatividade, (pq)=(1q)(p1)/2(pq)=(1)q12p12(pq)\bigl(\frac{p^*}q\bigr) = \bigl(\frac{-1}q\bigr)^{(p-1)/2}\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{q-1}2\cdot\frac{p-1}2}\bigl(\frac pq\bigr), de modo que a questão 18 se lê (qp)(pq)=(1)p12q12\bigl(\frac qp\bigr)\bigl(\frac pq\bigr) = (-1)^{\frac{p-1}2\frac{q-1}2}: a reciprocidade. Verificação (17,3)(17, 3): o expoente 16222=8\frac{16}2\cdot\frac22 = 8 é par, de modo que os dois símbolos devem coincidir; os quadrados módulo 33 são {1}\{1\} e 17217 \equiv 2: (173)=1\bigl(\frac{17}3\bigr) = -1; os quadrados módulo 1717 são {1,4,9,16,8,2,15,13}\{1, 4, 9, 16, 8, 2, 15, 13\} e 33 está ausente: (317)=1\bigl(\frac3{17}\bigr) = -1. Produto +1+1, como previsto. Para x2219(mod383)x^2 \equiv 219 \pmod{383}: (219383)=(3383)(73383)\bigl(\frac{219}{383}\bigr) = \bigl(\frac3{383}\bigr)\bigl(\frac{73}{383}\bigr). Primeiro: 3833(mod4)383 \equiv 3 \pmod4 e 333 \equiv 3: a reciprocidade dá (3383)=(3833)=(23)=(1)=+1\bigl(\frac3{383}\bigr) = -\bigl(\frac{383}3\bigr) = -\bigl(\frac23\bigr) = -(-1) = +1. Segundo: 731(mod4)73 \equiv 1 \pmod 4: (73383)=(38373)=(1873)=(273)\bigl(\frac{73}{383}\bigr) = \bigl(\frac{383}{73}\bigr) = \bigl(\frac{18}{73}\bigr) = \bigl(\frac2{73}\bigr) (18=23218 = 2\cdot3^2), e 731(mod8)73 \equiv 1 \pmod 8 torna 22 um quadrado módulo 7373 (lei complementar, demonstrável por g=ζ8+ζ81=2g = \zeta_8 + \zeta_8^{-1} = \sqrt2 em Q(ζ8)\Q(\zeta_8) pelo mesmo método): +1+1. Total +1+1: a congruência é solúvel.

20. Existência e unicidade da raiz primitiva: se ww tem conjunto de períodos {d:w=un/d, u=d}\{d : w = u^{n/d},\ \abs u = d\}, o menor tal d0d_0 divide todo outro período dd (se ww é ao mesmo tempo uma dd-potência e uma dd'-potência, é uma gcd(d,d)\gcd(d, d')-potência: compare letras em índices congruentes módulo o mdc, via Bézout), e o bloco de comprimento d0d_0 é primitivo. Ordenando as qnq^n palavras pelo comprimento de sua raiz primitiva: qn=dnA(d)q^n = \sum_{d \mid n}A(d). Como AA e dNq(d)d\,N_q(d) satisfazem a mesma recorrência com os mesmos valores para n=1n = 1 (cada uma determina a outra indutivamente a partir de qn=dn()q^n = \sum_{d\mid n}(\cdot)), elas são iguais: A(d)=dNq(d)A(d) = d\,N_q(d). Bijeção: um elemento α\alpha de grau dd fornece a palavra wαw_\alpha dos coeficientes de… melhor, diretamente: os elementos de grau dd em Fq\overline{\mathbb F_q} são as raízes dos Nq(d)N_q(d) irredutíveis de grau dd, cada um contribuindo com suas dd raízes distintas (separabilidade): dNq(d)d\,N_q(d) elementos de grau dd, coincidindo com a contagem qn=dn#{elementos de grau d em Fqn}q^n = \sum_{d\mid n}\#\{ \text{elementos de grau } d \text{ em } \mathbb F_{q^n}\} — o mesmo crivo, uma vez sobre palavras, outra sobre elementos do corpo.

21. Lema: dmμ(d)=1m=1\sum_{d \mid m}\mu(d) = \mathbf 1_{m=1}. Para m>1m > 1, fixe um primo pmp \mid m: os divisores livres de quadrados de mm se emparelham como {d,pd}\{d, pd\} com pdp \nmid d, e μ(pd)=μ(d)\mu(pd) = -\mu(d): a soma se cancela. Então, para f(n)=eng(e)f(n) = \sum_{e\mid n}g(e):

dnμ(d)f(nd)=dnμ(d) ⁣ ⁣en/d ⁣ ⁣g(e)=eng(e) ⁣ ⁣dn/e ⁣ ⁣μ(d)=g(n).\sum_{d \mid n}\mu(d)\,f\bigl(\tfrac nd\bigr) = \sum_{d \mid n}\mu(d)\!\!\sum_{e \mid n/d}\!\!g(e) = \sum_{e \mid n}g(e)\!\!\sum_{d \mid n/e}\!\!\mu(d) = g(n) .

Com f(n)=qnf(n) = q^n e g(n)=nNq(n)g(n) = nN_q(n) (Exercício 4.6): Nq(n)=1ndnμ(d)qn/dN_q(n) = \frac1n\sum_{d\mid n}\mu(d)\,q^{n/d}.

22. O termo d=1d = 1 é qnq^n; todo outro termo tem μ(d)qn/dqn/2\abs{\mu(d)q^{n/d}} \leq q^{n/2}, e grosseiramente dn,d>1qn/djn/2qj<2qn/2\sum_{d \mid n, d > 1}q^{n/d} \leq \sum_{j \leq n/2}q^j < 2q^{n/2} (geométrica, q2q \geq 2). Logo nNq(n)>qn2qn/20nN_q(n) > q^n - 2q^{n/2} \geq 0 para n1n \geq 1: existem irredutíveis de todo grau, e Fq[X]/(π)=Fqn\mathbb F_q[X]/(\pi) = \mathbb F_{q^n} é (re)construído — existência com um recenseamento. A proporção de irredutíveis entre os qnq^n polinômios mônicos de grau nn é 1n(1+O(qn/2))\frac1n(1 + O(q^{-n/2})): o teorema dos números primos de Fq[X]\mathbb F_q[X], com nn no papel de logx\log x. Para q=2q = 2, as contagens 2,1,2,32, 1, 2, 3 do Exercício 4.6 batem com a fórmula: por exemplo, N2(4)=14(2422)=3N_2(4) = \frac14(2^4 - 2^2) = 3.

23. No grupo abeliano multiplicativo das funções racionais não nulas sobre Fq\mathbb F_q, ponha F(n)=XqnXF(n) = X^{q^n} - X e G(n)=degπ=nπG(n) = \prod_{\deg\pi = n}\pi; o Exercício 4.6 diz que F(n)=dnG(d)F(n) = \prod_{d\mid n}G(d). O argumento de Möbius da questão 21, escrito multiplicativamente (os expoentes se somam exatamente como as somas faziam), dá G(n)=dnF(d)μ(n/d)G(n) = \prod_{d \mid n}F(d)^{\mu(n/d)}. Para q=2q = 2, n=2n = 2: G(2)=X4XX2X=X(X31)X(X1)=X2+X+1G(2) = \frac{X^4 - X}{X^2 - X} = \frac{X(X^3 - 1)}{X(X - 1)} = X^2 + X + 1, a única quadrática irredutível sobre F2\mathbb F_2, como deve ser.

24. ω2=i\omega^2 = \iu e ω2=i\omega^{-2} = -\iu, de modo que g2=ω2+2+ω2=2g^2 = \omega^2 + 2 + \omega^{-2} = 2. Sonho do calouro no anel comutativo Z[ω]/qZ[ω]\Z[\omega]/q\Z[\omega]: gq=(ω+ω1)qωq+ωqg^q = (\omega + \omega^{-1})^q \equiv \omega^q + \omega^{-q}. O valor de ωq+ωq\omega^q + \omega^{-q} depende apenas de qmod8q \bmod 8: para q±1q \equiv \pm1, ωq+ωq=ω±1+ω1=g\omega^q + \omega^{-q} = \omega^{\pm1} + \omega^{\mp1} = g; para q±3q \equiv \pm3, usando ω4=1\omega^4 = -1, ω3=ω1\omega^{3} = -\omega^{-1} e ω3=ω\omega^{-3} = -\omega, de modo que ωq+ωq=g\omega^q + \omega^{-q} = -g. Por outro lado, gq=g(g2)(q1)/2=g2(q1)/2(2q)g(modqZ[ω])g^q = g\,(g^2)^{(q-1)/2} = g\,2^{(q-1)/2} \equiv \bigl(\frac2q\bigr) g \pmod{q\Z[\omega]} pelo critério de Euler módulo qq. Comparando e multiplicando por gg: 2(2q)±2(modqZ[ω])2\bigl(\frac2q\bigr) \equiv \pm2 \pmod{q\Z[\omega]}; se os sinais discordassem, qq dividiria 44 em Z[ω]\Z[\omega], logo em Z\Z (qZ[ω]Z=qZq\Z[\omega] \cap \Z = q\Z: coordenadas na base 1,ω,ω2,ω31, \omega, \omega^2, \omega^3), impossível para qq ímpar. Logo (2q)=+1\bigl(\frac2q\bigr) = +1 se, e somente se, q±1(mod8)q \equiv \pm1 \pmod 8. Verificação de paridade: q=8k±1q = 8k \pm 1(q21)/8=2k(4k±1)(q^2 - 1)/8 = 2k(4k \pm 1), par; q=8k±3q = 8k \pm 3(q21)/8=8k2±6k+1(q^2 - 1)/8 = 8k^2 \pm 6k + 1, ímpar: a fórmula (1)(q21)/8(-1)^{(q^2-1)/8} codifica a separação em casos. Numericamente: 32=92(mod7)3^2 = 9 \equiv 2 \pmod 7 (717 \equiv -1), 62=362(mod17)6^2 = 36 \equiv 2 \pmod{17} (17117 \equiv 1); os quadrados módulo 33 são {0,1}\{0, 1\} e módulo 55 são {0,1,4}\{0, 1, 4\}, e nenhum contém 22 (333 \equiv 3, 53(mod8)5 \equiv -3 \pmod 8).

25. Todo fFq[X]f \in \mathbb F_q[X] mônico se fatora unicamente como ππeπ\prod_\pi\pi^{e_\pi} sobre os mônicos irredutíveis: ordenando por grau,

f moˆnicotdegf=π e0tedegπ=π(1tdegπ)1=n1(1tn)Nq(n),\sum_{f \text{ mônico}}t^{\deg f} = \prod_\pi\ \sum_{e \geq 0}t^{e\deg\pi} = \prod_\pi\bigl(1 - t^{\deg\pi}\bigr)^{-1} = \prod_{n \geq 1}\bigl(1 - t^n\bigr)^{-N_q(n)},

todos os produtos legítimos t-adicamente (apenas os graus m\leq m afetam o coeficiente de tmt^m, e há finitos irredutíveis de cada grau). O lado esquerdo é mqmtm=(1qt)1\sum_m q^mt^m = (1 - qt)^{-1}: a identidade. Logaritmos: log(1qt)=mqmmtm-\log(1 - qt) = \sum_m\frac{q^m}mt^m, ao passo que nNq(n)(log(1tn))=nNq(n)ktnkk\sum_nN_q(n)\bigl(-\log(1 - t^n)\bigr) = \sum_nN_q(n)\sum_k\frac{t^{nk}}k; o coeficiente de tmt^mqmm=dk=mNq(d)k=1mdmdNq(d)\frac{q^m}m = \sum_{dk = m} \frac{N_q(d)}k = \frac1m\sum_{d \mid m}d\,N_q(d), isto é, qm=dmdNq(d)q^m = \sum_{d\mid m}d\,N_q(d). Verificação à mão, q=2q = 2, coeficiente de t2t^2: N2(1)=2N_2(1) = 2, N2(2)=1N_2(2) = 1, e (1t)2(1t2)1=(1+2t+3t2+)(1+t2+)(1 - t)^{-2}(1 - t^2)^{-1} = (1 + 2t + 3t^2 + \dots)(1 + t^2 + \dots) tem coeficiente de t2t^2 igual a 3+1=4=223 + 1 = 4 = 2^2. Finalmente, a fórmula da questão 21 com os divisores 1,2,3,61, 2, 3, 6:

N2(6)=16(262322+2)=546=9,N_2(6) = \tfrac16\bigl(2^6 - 2^3 - 2^2 + 2\bigr) = \tfrac{54}6 = 9,

e, de fato, 12+21+32+69=2+2+6+54=64=261\cdot2 + 2\cdot1 + 3\cdot2 + 6\cdot9 = 2 + 2 + 6 + 54 = 64 = 2^6.