Número p-ádico , a enciclopedia libre

En teoría de números, dado un número primo p, os números p-ádicos forman unha extensión dos números racionais que é distinta dos números reais, aínda que con algunhas propiedades similares; os números p-ádicos poden escribirse nunha forma similar aos números usuais (unha tira de números en base 10 posibelmente infinita), pero con díxitos baseados nun número primo p en lugar do número dez, e estendéndose cara á esquerda e non cara á dereita.

Os enteiros 3-ádicos, cos caracteres correspondentes seleccionados no seu grupo dual de Pontryagin.

Formalmente, dado un número primo p, un número p-ádico pódese definir como unha serie formal de potencias

onde k é un número enteiro (que pode ser negativo), e cada é un número enteiro tal que

Os enteiros p-ádicos () son as series só con potencias positivas Cando as series que representan os números p-ádicos teñen termos negativos entón temos os racionais p-ádicos ().

Todo número racional pode expresarse de forma única como a suma dunha serie, como se indica arriba, con respecto ao valor absoluto p-ádico. Isto permite considerar os números racionais como números p-ádicos especiais e, alternativamente, definir os números p-ádicos como o completamento dos números racionais para o valor absoluto p-ádico, exactamente como os números reais son o completamento dos números racionais para o valor absoluto habitual.

Motivación

editar

En liñas xerais, a aritmética modular módulo un número enteiro positivo n consiste en "aproximar" cada número enteiro polo resto da súa división por n, chamado o seu residuo módulo n. A principal propiedade da aritmética modular é que o residuo módulo n do resultado dunha sucesión de operacións sobre números enteiros é o mesmo que o resultado da mesma sucesión de operacións sobre residuos módulo n.

Un método antigo, aínda de uso común, consiste en utilizar varios módulos pequenos que son coprimos por pares e aplicar o teorema chinés do resto para recuperar o resultado módulo o produto dos módulos.

Outro método descuberto por Kurt Hensel consiste en utilizar un módulo primo p, e aplicar o lema de Hensel para recuperar de forma iterativa o módulo resultado das potencias de p,   Se o proceso continúa infinitamente, isto proporciona finalmente un resultado que é un número p-ádico.

Notación e exemplos

editar

Existen varios xeitos de escribir un número p-ádico, as tres máis frecuentes son:

  • Como unha serie de potencias de p.
  • Posicional: como unha tira de números que son os coeficientes da serie de potencias
  • Como unha secuencia de números que representan o número módulo as potencias de p.

Como se comentou na introdución os enteiros p-ádicos son os que teñen na serie só potencias positivas ( ) e poden representar números usuais que son enteiros, racionais, irracionais e mesmo complexos. Por outra parte os racionais p-ádicos ( ) ao ter potencias negativas, como se verá máis adiante, serían fraccións de  .

Enteiros p-ádicos  

editar

11 en 2-ádico:[1]

 
  (coincide con base 2)
 

1/15 en 7-ádico:

 
  (neste caso a similitude base 7,  , é máis complicada pois sería o complemento en base 7 e temos que -1/15 =   en 7-ádico. A maiores como en p-ádico non ten potencias negativas o número esténdese cara a esquerda mentres que nos racionais usuais esténdese en potencias negativas cara a dereita).
 .

Imos ver un cálculo de   en 7-ádico: [2]

  • Primeiro termo  :
Queremos que  .
Atopamos que   cumpre porque  .
  • Segundo termo  :
Agora, procuramos   tal que  .
 
por tanto temos  
  • Terceiro termo  :
Repetimos o proceso para   que satisfaga  , lévanos a  .
Logo temos  

Se escribimos este resultado como serie formal de potencias temos (con máis termos):

 [3]

Que posicionalmente sería:

 

esta secuencia é infinita non periódica e como a raíz ten dúas solucións con signo cambiado a outra solución será o complemento a 7 da anterior:

 

  en 5-ádico, pódese calcular do mesmo modo que o exemplo anterior:[4][5]

Temos   implica   e podemos seguir ambos os dous camiños.
  ou   (con dous valores igual que acontece nas raíces dos números usuais, e vemos que módulo 5 suman cero).
Para -1 non existe a raíz cadrada en 7-ádico pois non existe  .

Racionais p-ádicos  

editar

  en 5-ádico:[6][1]

  e  
Como veremos máis adiante a valoración da fracción é  , por tanto procuramos  .
E agora resolvemos esa ecuación módulo 5 para obter  , módulo   para obter  , etc.
Así temos  

Valoración e valor absoluto

editar

Valoración: Todo número racional distinto de cero pódese escribir   onde v, m e n son números enteiros e nin m nin n son divisíbeis por p. O expoñente v está determinado unicamente polo número racional e chámase a súa valoración valoración p-ádica. A demostración do lema resulta directamente do teorema fundamental da aritmética.

Dunha forma simple: obtemos a descomposición en factores primos do numerador e ten unha valoración que ven dada polo expoñente do factor p, facemos igual para o denominador e restamos os dous valores (por ese motivo no exemplo   tiña unha valoración -1, pois 22 non ten ningún factor 5 e 85 ten un factor 51).

Valor absoluto: O valor absoluto p-ádico dun número p-ádico distinto de cero x, é   para o número p-ádico cero, temos  

Así temos que o valor absoluto p-ádico dun número é o recíproco do primo p elevado á súa valoración. Por tanto canto maior sexa na súa descomposición o valor da potencia de p máis pequeno é o seu valor absoluto.

Definición

editar

Existen varias definicións equivalentes de números p-ádicos. Por exemplo como o completamento dun anel de valoración discreta (ver § Enteiros p-ádicos), ou o completamento dun espazo métrico (ver § Propiedades topolóxicas), ou como o límites inversos (ver § Propiedades modulares).

Enteiros p-ádicos

editar

Os enteiros p-ádicos son os números p-ádicos cunha valoración non negativa.

Un enteiro p-ádico pódese representar como unha secuencia

 

de residuos xe mod pe para cada enteiro e, satisfacendo as relacións de congruencia   para i < j.

Todo número enteiro é un enteiro p-ádico. Os números racionais da forma   con d coprimos con p e   tamén son enteiros p-ádicos (pola razón de que d ten un inverso multiplicativo módulo pe para cada e).

Os números p-ádicos con expoñentes negativos na súa expansión non son enteiros p-ádicos.

Os enteiros p-ádicos forman un anel conmutativo, denotado   ou  , que ten as seguintes propiedades.

  • É un dominio de integridade, xa que é un subanel dun corpo, ou xa que o primeiro termo da representación en serie do produto de dúas series p-ádicas non nulas é o produto dos seus primeiros termos.
  • As unidades (elementos invertibles) de   son os números p-ádicos de valoración cero.
  • É un dominio de ideal principal (PID), de xeito que cada ideal é xerado por unha potencia de p.
  • É un anel local de dimensión un de Krull, xa que os seus únicos ideais primos son o ideal cero e o ideal xerado por p, o ideal máximo único.
  • É un anel de valoración discreto, xa que isto resulta das propiedades anteriores.
  • É o completamento do anel local   que é a localización de   no ideal primo  

A última propiedade proporciona unha definición dos números p-ádicos: o corpo dos números p-ádicos é o corpo das fraccións do completamento da localización dos enteiros no ideal primo xerado por p.

Propiedades topolóxicas

editar

A valoración p-ádica permite definir un valor absoluto en números p-ádicos: o valor absoluto p-ádico dun número p-ádico distinto de cero x é

 

onde   é a valoración p-ádica de x. O valor absoluto p-ádico de   é   Este é un valor absoluto que satisfai a desigualdade forte do triángulo xa que, para cada x e y temos

  •   se e só se  
  •  
  •  

Máis aínda, se   temos  

Isto fai que os números p-ádicos sexan un espazo métrico, e mesmo un espazo ultramétrico, coa distancia p-ádica definida por  

Como a métrica se define a partir dunha valoración discreta, cada bóla aberta tamén está pechada. Máis precisamente, a bóla aberta   é igual á bóla pechada   onde v é o menor enteiro tal que   Do mesmo xeito,   onde w é o maior enteiro tal que  

Isto implica que os números p-ádicos forman un espazo localmente compacto e os enteiros p-ádicos, é dicir, a bóla  , forma un espazo compacto.

Expansión p-ádica dos números racionais

editar

A expansión decimal dun número racional positivo   é a súa representación como serie

 

A expansión p-ádica dun número racional defínese de xeito similar, pero cun paso de división diferente. Máis precisamente, dado un número primo fixo  , todo número racional distinto de cero   pódese escribir unicamente como   onde   é un número enteiro (posiblemente negativo),   e   son enteiros coprimos con  , e   é positivo. O número enteiro   é a valoración p-ádica de  , denotado   e   é o seu valor absoluto p-ádico, denotado   (o valor absoluto é pequeno cando a valoración é grande). O paso da división consiste en

onde k é un número enteiro (posiblemente negativo), e cada   é un número enteiro tal que   Un enteiro p-ádico é un número p-ádico tal que  

A expansión  -ádica de   é a serie formal de potencias

Se   con  , o proceso detense eventualmente cun resto cero; neste caso, a serie complétase con termos finais cun coeficiente cero, e daquela a representación de   coincide coa representación en base-p.

O anel cociente   pode identificarse co anel   dos números enteiros módulo   Isto pódese demostrar observando que todo enteiro p-ádico, representado pola súa serie p-ádica normalizada, é congruente módulo   coa súa suma parcial   cuxo valor é un número enteiro no intervalo   Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis de   en  

 
 

Os números p-ádicos forman un corpo chamado corpo de números p-ádicos e denotado  . Hai un único homomorfismo de corpos dos números racionais nos números p-ádicos, que mapea un número racional coa súa expansión p-ádica. A imaxe deste homomorfismo identifícase habitualmente co corpo dos números racionais. Isto permite considerar os números p-ádicos como unha extensión do corpo dos números racionais, e os números racionais como un subcorpo dos números p-ádicos.

O límite inverso dos aneis   defínese como o anel formado polas secuencias   tal que   e   para cada i.

Cando se realiza a aritmética nesta notación, os díxitos lévanse á esquerda. Tamén é posible escribir expansións p-ádicas para que as potencias de p aumenten de esquerda a dereita e os díxitos sexan levados cara á dereita. Con esta notación de esquerda a dereita a expansión 3-ádica de   é

Propiedades modulares

editar

O anel cociente   pódese identificar co anel   dos enteiros [[aritmética modula número enteiro p-ádico, representado pola súa serie p-ádica normalizada, é congruente módulo   coa súa suma parcial   cuxo valor é un número enteiro no intervalo   Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis desde   ata  

O límite inverso dos aneis   defínese como o anel formado polas secuencias   tal que   e   para todo i.

A correspondencia que mapea unha serie p-ádica normalizada coa secuencia das súas sumas parciais é un isomorfismo de aneis de   no límite inverso de   Isto proporciona outra forma de definir os números enteiros p-ádicos (ata un isomorfismo).

Esta definición de enteiros p-ádicos é especialmente útil para cálculos prácticos, xa que permite construír enteiros p-ádicos mediante aproximacións sucesivas.

Por exemplo, para calcular o inverso p-ádico (multiplicativo) dun número enteiro, pódese usar o método de Newton, comezando polo inverso módulo p; entón, cada paso de Newton calcula o inverso módulo   a partir do inverso módulo  

O mesmo método pódese usar para calcular a raíz cadradap-ádica dun número enteiro que é un residuo cadrático módulo p. Este parece ser o método máis rápido coñecido para comprobar se un enteiro grande é un cadrado: abonda con comprobar se o enteiro dado é o cadrado do valor atopado en  . Aplicar o método de Newton para atopar a raíz cadrada require que   sexa maior que o duplo do número enteiro dado, o que se satisfai rapidamente.

O levantamento de Hensel é un método similar que permite "elevar" o módulo de factorización p dun polinomio con coeficientes enteiros a un módulo de factorización   para valores grandes de n. Isto úsase habitualmente nos algoritmos de factorización polinómica.

Cardinalidade

editar

Tanto   como   son non numerábeis e teñen a cardinalidade do continuo.[7] Para   isto resulta da representación p-ádica, que define unha bixección de   no conxunto de partes   Para   isto resulta da súa expresión como unha unión numerabelmente infinita de copias de  :

 

Principio local-global

editar

O principio local-global de Helmut Hasse, é a idea de que se pode atopar unha solución en enteiros dunha ecuación utilizando o teorema chinés dos restos para unir solucións módulo potencias de cada número primo diferente. Isto faise examinando a ecuación no completamento dos números racionais: os números reais e os números p-ádicos.Este principio vale, por exemplo, para ecuacións dadas por formas cadráticas, pero falla para polinomios superiores en varias indeterminadas.

Completamento dos racionais

editar

Os reais e os números p-ádicos son os completamentos dos racionais; tamén é posíbel completar outros corpos, por exemplo os corpos numéricos alxébricos en xeral, dun xeito análogo, como imos ver.

Supoña que D é un dominio de Dedekind e que E é o seu corpo de fraccións. Escollemos un ideal principal distinto de cero P de D. Se x é un elemento distinto de cero de E, entón xD é un ideal fraccional e pódese factorizar de forma única como un produto de potencias positivas e negativas de potencias distintas de cero de ideais principais de D. Escribimos ordP(x) para denotar o expoñente de P nesta factorización, e para calquera opción de número c maior que 1 podemos definir

 

O completamento con respecto a este valor absoluto |⋅|P é un corpo EP , esta é a xeneralización natural do corpo dos números p-ádicos para esta definición. A elección de c non muda o completamento (diferentes opcións producen o mesmo concepto de secuencia de Cauchy, polo tanto o mesmo completamento). É conveniente, cando o corpo de residuos D/P é finito, tomar como c o tamaño de D/P.

Por exemplo, cando E é un corpo numérico, o teorema de Ostrowski di que todo valor absoluto non arquimediano non trivial en E' ' xorde como algúns |⋅|P. Os restantes valores absolutos non triviais en E xorden dos diferentes metgullos de E nos números reais ou complexos. (De feito, os valores absolutos non arquimedianos poden considerarse simplemente como os diferentes mergullos de E nos corpos Cp, poñendo así o descrición de todos os valores absolutos non triviais dun corpo numérico nunha base común.)

Moitas veces, hai que facer un seguimento simultáneo de todos os completamentos arriba mencionados cando E é un corpo numérico (ou máis xeralmente un corpo global), que se ven como unha especie de codificación de información "local". Isto conséguese mediante os aneis adélicos e os grupos de ideles.

Os enteiros p-ádicos pódense estender a solenoides p-ádicos  . Hai un mapa desde   ata o grupo de círculos cuxas fibras son os enteiros p-ádicos  , en analoxía a como hai un mapa desde   ata o círculo cuxas fibras son  .

Véxase tamén

editar

Bibliografía

editar

Outras obras:

Outros artigos

editar

Ligazóns externas

editar