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整域・体・有限体 基本演習md c72a411
exercise/math/abstract-algebra/integral-domains-fields-and-finite-fields.exercise.n.md

整域せいいきintegral domainたいfield有限体ゆうげんたいfinite field 基本きほん演習えんしゅう

date2026-06-06document_iddoc_4b92fbf018f50f5124fa7d58f1d48abbdescription零因子、整域、体、有限体、Z/nZ が体になる条件を確認する基本演習。prerequisites[整域/せいいき]・[[零/れい][因子/いんし]/れいいんし]・[[多項[式/しき]/たこうしき]環/たこうしきかん] / 体の基[本/ほん] / [有限体/ゆうげんたい]の入口 / [写像/しゃぞう]の基[本/きほん]type[問題/もんだい][演習/えんしゅう]content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/math/abstract-algebra/integral-domains-zero-divisors-and-polynomial-rings.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/field-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/abstract-algebra/introduction-to-finite-fields.lecture.n.md
mathabstract-algebrafield-theoryexercise

2順序じゅんじょ

整域せいいき零因子れいいんし多項式環たこうしきかん」のあと問題もんだい1・4にめる。「たい基本きほん」のあと問題もんだい2・3と証明演習しょうめいえんしゅうすすみ、「有限体ゆうげんたい入口いりぐち」のあと問題もんだい5をおこなう。証明演習しょうめいえんしゅう本文ほんぶんでは問題もんだい5のあといているが、問題もんだい5には依存いぞんしない。このページの prerequisites は全問題ぜんもんだいむための最終到達点さいしゅうとうたつてんあらわす。

4問題もんだい1:零因子れいいんしつける

Z/8Z零因子れいいんしひとつけよ。

4.1解答かいとう

[2]零因子れいいんしである。実際じっさい

[2][4]=[8]=[0]

であり、[2][0][4][0] である。

4.2解説かいせつ

零因子れいいんしは、0 でないげんelementどうしのせきproductを 0 にしてしまうげんelementである。

5問題もんだい2:たいfield判定はんていする

Z/7Zたいfieldか。

5.1解答かいとう

たいfieldである。7 は素数そすうprime numberなので、0 でない任意にんい[a] について [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"gcd\")")](a,7)=1 である。ベズーの等式Bezout identityにより、ある整数せいすう u,v存在そんざいして

au+7v=1

となる。したがって剰余類じょうよるいでは [a][u]=[1] であり、乗法逆元じょうほうぎゃくげんmultiplicative inverse存在そんざいする。また、Z/7Z剰余類じょうよるい加法かほう乗法じょうほうについて可換環かかんかんであり、71 なので [0][1] である。よってたい定義ていぎ全条件ぜんじょうけんたす。

5.2解説かいせつ

Z/nZたいfieldになるのは、n素数そすうprime numberのときである。

6問題もんだい3:たいfieldでないれい説明せつめいする

Z/9Zたいfieldでない理由りゆう説明せつめいせよ。

6.1解答かいとう

[3][0] だが、

[3][3]=[9]=[0]

である。したがって零因子れいいんしがあるのでたいfieldではない。

6.2解説かいせつ

たいfieldには零因子れいいんしがない。一般いっぱんn=ab1<a,b<n分解ぶんかいできる合成数ごうせいすう n では、Z/nZなか

[a][b]=[n]=[0]

となり、しかも [a][0][b][0] である。したがって合成数ごうせいすうほう剰余じょうよかんでは、合成数ごうせいすう因子いんしから零因子れいいんししょうじる。

7問題もんだい4:多項式たこうしきせき次数じすう

f(x)=2x2+1g(x)=3x-4Z[x]げんとする。f(x)g(x)計算けいさんし、最高次係数さいこうじけいすう次数じすうもとめよ。また、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f+[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g確認かくにんせよ。

7.1解答かいとう

f(x)g(x)=(2x2+1)(3x-4)=6x3-8x2+3x-4

である。最高次係数さいこうじけいすうは 6、次数じすうは 3 である。また、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f=2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g=1 なので

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")](fg)=3=2+1=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]f+[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"deg\")")]g

確認かくにんできる。

7.2解説かいせつ

Z整域せいいきなので、0 でない最高次係数さいこうじけいすう 23せき 6 は 0 にならない。このことがせき最高次さいこうじこうえないことを保証ほしょうしている。

8問題もんだい5:4 げん有限体ゆうげんたい

F4=F2[x]/(x2+x+1) とし、α=[x]く。α2=α+11+1=0使つかって、0 でないげん 1,α,α+1乗法表じょうほうひょう完成かんせいさせよ。さらに、そのひょうから各元かくげん乗法逆元じょうほうぎゃくげんれ。

8.1解答かいとう

単位元たんいげん 1けたせきげんえない。のこせき

α2=α+1,α(α+1)=α2+α=(α+1)+α=1

および

(α+1)2=α2+2α+1=(α+1)+1=α

である。ここで標数ひょうすう 2 より 2α=01+1=0使つかった。乗法じょうほう可換性かかんせい使つかうと、ひょう

·1αα+1
11αα+1
ααα+11
α+1α+11α

となる。各行かくぎょうせき1 になるれつめば、

1-1=1,α-1=α+1,(α+1)-1=α

である。

8.2解説かいせつ

Z/4Z では [2]2=0 だが、F4 の 0 でないげん 1,α,α+1 はすべて逆元ぎゃくげんつ。このちがいが、げん個数こすうだけではたいかどうかをめられないことをしめす。

9証明しょうめい演習えんしゅう有限整域ゆうげんせいいきたいfieldになること

9.1問題もんだい

有限ゆうげん整域せいいきintegral domain Rたいfieldであることを証明しょうめいせよ。

9.2解答かいとう

aRa0る。写像しゃぞう μa:RRμa(x)=ax定義ていぎする。μa(x)=μa(y) なら ax=ay である。R整域せいいきintegral domainなので消去法則しょうきょほうそくより x=y である。したがって μa単射たんしゃである。

R有限集合ゆうげんしゅうごうなので、R から R への単射たんしゃ全射ぜんしゃである。よって 1Rたいして、ある xR存在そんざいして ax=1 である。つまり a逆元ぎゃくげんinverse elementつ。a任意にんいの 0 でないげんであり、整域せいいき R01可換環かかんかんなので、Rたいである。

9.3解説かいせつ

有限性ゆうげんせい単射たんしゃから全射ぜんしゃみちびくために使つかう。無限むげん整域せいいきintegral domainでは、この議論ぎろんはそのままでは使つかえない。

有限集合ゆうげんしゅうごうでは、単射たんしゃならぞうげんすう入力にゅうりょくげんすうおなじである。入力にゅうりょく目標もくひょうおな有限集合ゆうげんしゅうごうなので、ぞう目標もくひょう全体ぜんたいになり、全射ぜんしゃである。

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