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$\开始组$

我最近讨论了如何教高中生$p$-adic数字。一个人提到,他们发现很难习惯$p$-adics,因为没有人告诉他们为什么$p$-adics有用。

作为代数数论的研究生,这个问题很容易回答。但我想知道是否有一种方法可以回答那些只知道数论和$p$-adics的基本知识的人的这个问题。我想到的是一个人,他在几天的时间里学会了$p$adic数字是什么,它们看起来像什么,等等,但不知道更多。

我特别想知道使用$p$-adic数字是否可以解决任何基本问题。如果答案是否定的,那也没关系,真正激励他们需要时间(而不是更抽象的动机)。

$\端组$
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6个答案6

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$\开始组$

这里有一个非常具体这个问题可以用加法和乘法的$p$-adic连续性来解释。我们甚至不需要补全:问题完全发生在有理数中,在任何意义上都不是一个假的问题。

当$r$不一定是整数时,我们可以形成二项式系数$\binom{r}{n}$,这很重要,因为它们出现在微积分中$(1+x)^r$的幂级数系数中。他们的公式为$n \geq 1$$$\binom{r}{n}=\frac{r(r-1)\cdots(r-n+1)}{n!}。$$如果您查看$\sqrt{1+x}$和$\sqart[3]{1+x}$的展开式,对应于$r=1/2$和$r=1/3$,则该系列的开头为$$1+\压裂{1}{2} x个-\压裂{1}{8} x个^2+\压裂{1}{16} x个^3-\压裂{5}{128}x^4+\压裂{7}{256}x^5+\cd个$$$$1+\压裂{1}{3} x个-\压裂{1}{9} x个^2+\压裂{5}{81}x^3-\压裂{10}{243}x^4+\压裂{22}{729}x^5+\cd个$$令人惊讶的是,分母在第一种情况下完全是2的幂,在第二种情况下是3的幂。想想看:$\binom{1/3}{5}$涉及到除以$5!$,但这2个和5个因素相互抵消。作为一个更极端的例子,$\binom{-3/22}{7}=-\frac{1071892575}{39909726208}$和$3990972.6208=2^{11}11^7$. 尽管$\binom{-3/22}{7}$的定义涉及到除以$7!$,分母中幸存的素数似乎与$7!$无关以及与$-3/22$的分母有关的一切。

声明:对于$n\geq1$和非零有理$r$,如果质数$p$是$\binom{r}{n}$的分母,那么$p$就是$r$的分分母。

证据:我们展示了对立面。如果$p$不在$r$的分母中,那么$|r|p\leq1$的分分母是$p$的任意幂的可逆模,因此$r$是正整数的$p$-adic极限,例如$r=\lim_{k\rightarrow\infty}a_k$和$a_k\在{\mathbf Z}^+$中。这是$p$-adic限制。通过加法和乘法(和除法)的$p$-adic连续性,我们得到了$\binom{r}{n}=\lim_{k\rightarrow\infty}\binom}a_k}{n{$,另一个$p$-adic极限。通过组合数学,我们知道$\binom{a_k}{n}$是一个正整数,所以$|\binom{a_k}{n}|_p\leq 1$。${\mathbfQ}$上的$p$-adic绝对值是$p$-基本连续的,因此$|\binom{r}{n}|_p=\lim_{k\rightarrow\infty}|\binom{a_k}{n{|_p\leq1$。因此$p$不在$\binom{r}{n}$的分母中。量化宽松政策

特殊情况$r=1/2$可以用加泰罗尼亚数字来解释:$\binom{1/2}{n}=(-1)^{n-1}C_{n-1}/2^{2n-1}$,其中$C_{n-1{$是第$(n-1)$个加泰罗尼亚数字(正整数)。因此,$\binom{1/2}{n}$的分母是2的幂。对于一般情况,我不知道有什么论据可以解释为什么$\binom{r}{n}$分母中的素数必须是$r$分母里的素数,就像这个$p$-adic方法那样简洁。

相反的说法也是正确的:对于$n\geq1$和非零有理$r$,如果质数$p$是$r$的分母,那么$p$就是$\binom{r}{n}$的分子。也就是说,如果$|r|_p>1$,那么$|\binom{r}{n}|_p>1$。更准确地说,如果$|r|_p>1$,则$|\binom{r}{n}|_p\geq|r|p^n$,因此实际上$|\biom{r{n}| _p\rightarrow\infty$为$n\rightarror\infty$。让我们把它作为练习。($\sqrt{1+x}$和$\sqrt[3]{1+x}$的系数数据表明,如果$|r|p>1$,序列$|\binom{r}{n}|p$可能是单调递增的,这也可以通过查看比率$\binom}{n+1}/\binomneneneep{n}$的$p$-adic绝对值来证明。)特别是对于$n\geq1$,$\binom{1/2}的分母{n} $是$2$的幂,而不是$1$。

$\端组$
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$\开始组$

我个人最喜欢的基本爱好是:

  • 证明这一点$$\压裂11+\frac12+\frac13+\cdots+\frac1n$$如果$n>1$,则不是整数。
  • 以及证明这一点的变体$$\压裂11+\frac13+\frac15+\cdots+\frac1{2n+1}$$如果$n\ge1$,则不是整数。

这两个问题都可以通过使用非阿基米德$p$-adic三角形不等式来解决,以便选择合适的$p$。

$\端组$
  • 15
    $\开始组$ 这也导致了一个自然的开放问题:将$|1+1/2+\cdots+1/n|_p\rightarrow\infty$显示为$n\rightarrow\infty$。也就是说,调和和应该在每个$\mathbf Q_p$中发散,就像在$\mathbf R$中一样。 $\端组$
    – KCd公司
    2014年5月20日21:22
  • 12
    $\开始组$ @KCd开门了吗?令人惊讶。 $\端组$
    – 用户98602
    2014年5月20日21:48
  • 6
    $\开始组$ 它对一些人不开放具体的$p$,但通常是$p$。例如,已知素数$p\leq11$为真。请参见math.uconn.edu/~kconrad/blurbs/ugradnumthy/padicharmonicsum.pdf以及那里的参考资料。 $\端组$
    – KCd公司
    2014年5月20日21:56
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$\开始组$

Hasse-Minkowski的一个例子可能值得研究,即。,二元二次型$5x^2+7y^2−13z^2$有一个非平凡有理根,因为它对每个素数都有一个$p$-adic根,显然也是一个实根。

另一个例子是高斯的$3$-平方定理:当且仅当$-n$不是$\mathbb中的平方时,正整数$n$是三个平方之和{Q} _2$,$2$-adic整数的字段。

$\端组$
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  • $\开始组$ 它如何对所有素数$p$都有p-adic根?(我对p-adic数不太了解) $\端组$ 2014年5月27日17:46
  • $\开始组$ @MayankPandey,非平凡有理解是所有$p$:$(3,1,2)$的$p$-adic解。然而,关键是使用p-adic属性(Hilbert符号)可以显示每个$p$都有一个$p$-adic解决方案,这些解决方案在先验上彼此无关。 $\端组$
    – KCd公司
    2016年10月19日12:05
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$\开始组$

一个很好的应用是高斯引理的证明:如果$f$是一个具有整数系数的一元多项式,其系数为$\mathbf Q[x]$中的$gh$,同时具有$g、h$monic,那么$g$和$h$也具有整数系数。这涉及到将多项式上的$p$-adic绝对值定义为$\left|\sum a_i x^i\right|_p:=\max|a_i|_p$,然后显示$|gh|_p=|g|_p|h|_p$。因为$g$和$h$是monic,所以我们有$|g|_p\geq 1$和$|h|_p\gerq 1$,因为$|1|_p=1$。由于$|f|_p=1$,我们还必须有$|g|_p|h|_p=1$s,因此$|g| _p=1$和$|h| _p=1$-也就是说,$g$和$h$的系数必须是$p$-整数。由于所有$p$都是这样,因此$g$和$h$的系数都是整数。这比使用系数分子或分母的gcds/lcms证明要干净得多,比需要发展代数整数的证明要短得多。

高斯引理的通常证明依赖于${\mathbf Z}[x]$中两个本原多项式的乘积,其中$\mathbfZ[x]$s中的多项式$f(x)$在其系数没有公共素数因子时称为本原多项式,或当所有素数$p$的$|f|_p=1$时称为等价多项式。如果$f$和$g$在$\mathbf Z[x]$中是原语(与上面的$f$与$g$不同!),则所有$p$都有$|f|_p=1$和$|g|_p=1$s,因此所有$p$$|fg|_p=|f|p|g|p=1$,因此$fg$是原语!

这个这也是$p$-adic数字的一个引人注目的应用,但它并不是建设性的,因为它涉及到将$2$-adid绝对值扩展到实数。使用时请自行承担风险!

$\端组$
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$\开始组$

我不确定这在多大程度上解决了你的问题,但希望你能在这里找到一些有趣的东西。这实际上是我第一次被介绍给p-adics的方式,所以这至少是一个很好的例子。。。

这是来自2001年海湾地区数学奥林匹克:

对于每个正整数$n$,让$a_n$是$\{1,2,\ldots,n\}$的置换$\tau$的数目,这样$\tau(\tau,(x))=x$对于$x=1,2,\ltots,n$。前几个值是$a_1=1,a_2=1,a_3=3,a_4=9$。证明$3^{334}$除以$a{2001}$。

这可以用初等方法解决,但结果本身并不是严格的事实,$3^{445}$除以$a{2001}$。通常,$\nu_3(a_n)\sim\frac{2}{9} n个美元。

据我所知,这最后一个事实需要对$3$-adics进行研究。重点是$a_n$的指数生成函数$\sum_kak\frac{x^k}{k!}$正好等于$e^{x+\frac{1}{3} x个^3} $,找到一个渐近表达式$\nu_3(a_n)\sim cn$等价于找到收敛半径,它与$R=3^{c-\frac{1}{2}}$有关(这里我们使用$\nu.3(k!)\sim\frac}1}这个事实{2} k个$).

这不一定是p-adics中最干净的“应用程序”,但我认为这是一个开始提问的有趣地方。例如,为什么$e^x$的幂级数具有三元收敛半径$3^{-\frac{1}{2}}$,而$e^{x+\frac{1}{3} x个^3} 半径增加到$3^{-\frac{1}{6}$?对我来说,这产生了一些关于Artin-Hasse指数$e^{x+\frac{1}的直觉{3} x个^其幂级数的收敛半径为1。

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    $\开始组$ 所以$a_n$是$g^3=(1)$在$S_n$中的解的数目。更一般地说,如果你选择一个素数$p$,让$a{n,p}$是$S_n$中$g^p=(1)$的解的数目,那么$\sum_{n\geq0}(a{n、p}/n!)x^n=e^{x+x^p/p}$。如果你让$a{n,G}$是同态$G\rightarrowS_n$的个数,并且$a{0,G}=1$,那么$\sum_{n\geq0}(a_{n,G}/n!)x^n=\exp(\sum_{H子集G}x^{[G:H]}/[G:H])$。这里$G$是有限的。如果$G$是profinite且拓扑有限生成的,并且计算$S_n$的连续同态,那么公式仍然有效,因为$H$是$G$的开放子群。 $\端组$
    – KCd公司
    2014年5月16日23:06
$\开始组$

虽然这对于$p$-adic数来说可能并不新颖,但可以证明$x^2-2=0$在$\mathbb中没有解{Q} _5个因此,$\sqrt{2}$是不合理的。当然,还有许多其他这种性质的例子,也许人们可以找到一些更有趣的例子。

$\端组$

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