P進數

3进整数相互关系图示

p进数数论中的概念,是有理数域拓展成的完备数域的一种。这种拓展与常见的有理数域实数域复数域的数系拓展不同,其具体在于所定义的“距离”概念。p进数的距离概念建立在整数整除性质上。给定素数p,若两个数之差被p的高次整除,那么这两个数距离就“接近”,幂次越高,距离越近。这种定义在数论性质上的“距离”能够反映同余的信息,使p进数理论成为了数论研究中的有力工具。例如安德鲁·怀尔斯费马大定理的证明中就用到了p进数理论。

p进数的概念首先由库尔特·亨泽尔于1897年构思并刻画,其发展动机主要是试图将幂级数方法引入到数论中,但现今p进数的影响已远不止于此。例如可以在p进数上建立p进数分析,将数论和分析的工具结合起来。此外p进数在量子物理学认知科学计算机科学等领域都有应用。

预备知识

数系的拓展

数系是人类将自然中的数量关系抽象化得到的代数系统。最早建立的数系是带有加法与乘法的自然数,其後引入了负数分数的概念,形成了有理数[1]:32是“最小的”能够包容四则运算的代数系统[N 1],这样的系统在近世代数中称为[2]

度量

数系的拓展中,自然数系到有理数系的拓展是基于代数运算的需求,而有理数系到实数系的拓展则是拓扑学的需要。这里的拓扑指的是为代数体系赋予“形状”,定义“远近”、“长短”等概念,是建立几何分析结构的基础。一个常见的拓扑学方法是引入“距离”的概念,正式称呼为度量[3]。最直观的定义是将两个有理数的“距离”(度量)定义为两者之差的绝对值

两个有理数之间的度量是一个非负的有理数。也即是说度量是一个从有理数域映射到非负有理数集合的二元函数:。其中的大小关系则是有理数域上定义的全序。这个度量基于欧几里德几何,叫做欧几里德度量或绝对值度量[3]

完备化

上装备了度量後,可以讨论极限的概念。极限描述了一个数列在下标趋于无穷时的趋势,是分析学的基础。如果一个有理数列在下标趋于无穷时,数列的项与某个数的距离可以小于任意给定的正有理数,就称为此数列的极限。拥有极限的数列的项在下标趋于无穷时相互无限“靠近”。但反过来,这样的数列不一定拥有有理数极限。比如说以下数列:

这说明有理数在表示长度和距离的时候是不完备的,存在着无法用有理数表达的长度[2]。为此需要对有理数进行扩展,称为完备化[3]

完备化的拓扑方法由格奥尔格·康托提出。康托的方法依赖于现称为柯西数列的概念。柯西数列是一种可以用任意“小”的“圆盘”覆盖从某项起所有项的无穷数列。某个有理数数列是柯西数列,当且仅当对任意有理数,都存在自然数,使得对任意,都有。康托承认每个这样的有理数数列都收敛到某个极限,将无理数定义为某个柯西数列的极限[2]。当然也存在收敛到有理数的柯西数列,比如常数数列。如果两个柯西数列的差:收敛于0,就称这两个数列等价。这样可以在所有的柯西数列中建立等价关系。而康托将所有的等价类的集合定义为。四则运算、绝对值度量和序关系“>”都可以从有理数域自然诱导到上。最重要的是,可以证明,所有中元素构成的柯西数列都收敛到中。这说明是一个有序完备数域[3]

实数作为的完备化是建立在绝对值度量上的,这种度量与日常现实中的欧几里德式的“距离”概念吻合,符合直观经验。实数也因此成为描述现实世界的有力数学工具。p进数与实数的不同在于,它是将绝对值度量改为另一种非直观的度量对有理数进行完备化後得到的完备数域[4]:8[5]:50-51

构造

分析方法

有理数上引入绝对值度量,与此对应的柯西序列等价类构成了完备数域p进数则是在上引入不同的度量后进行完备化得到的完备数域。

给定素数p。对任意,将其写为分数形式,其中ab是整数,b不等于0。根据算术基本定理,每个整数都可以唯一分解为素因数的乘积。考察pab的素因数分解中的次数,定义p赋值[6]:90[4]:1-2

同时约定。例如,则

在此基础上,可以定义度量映射以及其对应诱导的范数[7]:59[4]:2[6]:90

例如

可以验证映射满足度量所需的一切性质[7]:59。因此,用与构造实数相同的手段,可以构造一个完备有序数域,记作[6]:90[7]:60-61

奥斯特洛夫斯基定理的所有绝对值赋值或者等价于绝对值,或为平凡赋值,或等价于某素数pp进赋值。从而(关于某赋值)的完备化也只有这些[5]:46[4]:3

代数方法

用代数的方法,首先定义p进整数环,然后构造其分式域,也可以得到p进数域[6]:92

首先考虑由整数模pn同余类构成的环:之间存在自然的环同态[8]

[N 2][8]

考察逆向链:

定义为其逆向极限[7]:56[8]。 也就是说,每个p进整数被定义为以下的序列[8]

其中。可以证明,这样定义的p进整数环与拓扑方法构造的中通过定义的p进整数环是同构[6]:91-92

在以上的定义下,整数可以自然地嵌入中,每个整数都可以依照它在的同余类,唯一表示为一个p进整数[6]:91[8]。例如在时,整数3629在中对应的3进整数可以表示为:

由于环同态良好地保持了环的结构,所以这种结构自然地延伸到逆向极限中。直观上可以理解为,结构的极限。n越大,就越“相似”。

p进整数环中的单位元显然是 一个p进整数是(乘法)可逆元当且仅当中的可逆元[6]:91[8]。非可逆元的元素都可以表达为:

其中中的可逆元,vp (a)称为p进整数a的(代数)赋值[8]。可以看出,这个赋值和拓扑构造时的赋值是等价的。可以证明特征为0的整环[8]。构造分式域,可以证明其分式域(在恰当的拓扑同构的意义上[N 3])等于前面用拓扑方法构造的[6]:92[8]

展开式与记数法

每个p进数都有唯一的展开式[7]:57

其中k就是xp进赋值。每个αi都是0, ... , p − 1之一,。这一展开式在度量收敛x[4]:14。代数构造中p进整数的数列表示的第N项,等于其展开式前N项的部分和。设p进整数x的数列表示为,其展开式为,则

这说明p进整数数列表示中,随着项数增大,数列的项在下收敛到p进整数自身。

仿照有理数中p进制记数法,可以将p进数x记为:

[6]:92

称为p进数的p进记法。

的定义,x的“大小”(范数)为[6]:92。也就是说,一个p进数小数点后位数越多则越大。这个性质与实数正好相反。

例子

从代数构造方法中可知,整数可以自然地嵌入中,因此在中表现为有限位数的p进整数。其p进记法和p进制记数法雷同。例如当时,自然数记为: 分数在p进记法中则表现为向左侧延伸的无限循环[9]:39。例如 p进记法为:

计算方法如下:

如果有理数x的分子或分母里含有p的幂次,则可以仿照p进制记数法的做法,先将其提出作为因数,写成的形式,将表达为p进记法,然后移动小数点得到xp进记法。例如要求 p进记法,可以先将 表示为 ,写出 p进记法後,将小数点向左移动两位得到:

基本性质

具有许多与不同的特性,其中某些可能违反直观直觉。举例来说,中不存在平方等于7的数(等价于实数中的),但存在平方等于-1的数(等价于复数中的虚数单位i)。一般来说,-1在中有平方根,当且仅当p除以4余1[10]。对不相同的质数pq不同构,并且它们的交集只有。每一个中的元素个数都是不可数[11]

拓扑性质

上的范数是一个超度量的范数。它不仅满足三角不等式,而且满足更强的关系:

这说明,如果将想象成一个几何空间,那么其中的三角形的一边长度总小于等于另外两边中较长者,也就是说所有的三角形都是锐角等腰三角形。这与实际中的欧式几何空间完全不同。由此具有截然不同的拓扑性质[6]:90

  • 中,一个数列收敛当且仅当趋于0。一个无穷级数收敛当且仅当趋于0。
  • 考虑中的一个“球”:。这个球即是开集,也是闭集。这个球中每一个点,都是球的球心。两个球之间或者完全不相交,或者一个完全在另一个里面[6]:90
  • 上的拓扑是完全不连通豪斯多夫空间:设有元素,则包含x连通单元只有.[6]:90-91
  • 是由完备化而得,因此稠密。不仅如此,任意给定有限个质数和正有理数,并在相应的p进数域中各选定一个数:後,都可找到有理数,它与任一个之间的距离都小于[N 4][11]

p进整数定义为所有范数不大于1的p进数:。这说明就是的单位球[7]:61[5]:60。其“球面”为所有范数等于1的p进整数集合:,亦即中所有可逆元的集合[7]:61紧致[6]:93[5]:64。所有的整数都是p进整数,整数集合稠密[7]:61[5]:60

  • 中的任一个球都可以表达为,其中的m是使得的最小整数[6]:93[5]:63
  • 局部紧致[6]:93[5]:64

代数性质

代数上,的分式域。更准确地说,。也即是说,对每一个,都存在整数k,使得[5]:62[6]:92[9]:36

是特征为0的主理想整环的非零理想只有主理想,其中k是任意自然数[7]:61[9]:6。它唯一的极大理想是[8][5]:60。根据同构基本定理的商同构于有限域[8]。类似地,同构于[9]:34

实数域只有一个真代数扩张,就是复数域不仅是代数闭域,而且是完备的。域扩张的次数为2。与此不同的是,的任何代数扩张都不是代数封闭的,的代数闭包是上的超越扩张,次数为无穷大,一般记作。将上的拓扑拓延到後会发现,并不是完备的空间。使用标准方法将其完备化後,得到的空间称为p进复数,记作和复数域是代数同构的,可以视为装备了另一种拓扑结构(超度量)的复数域[6]:94

如果p奇数,那么n单位根属于当且仅当n整除p-1。换句话说,中由单位根构成的群只有及其子群。p = 2时,单位根只有1和-1[9]:110

应用

数论

p進數對於同餘信息有一種獨特的編碼方法,這在數論裏作用很大。例如,困擾數學家長達三百多年的費馬最後定理,終於在1994年由安德魯·懷爾斯使用p進數理論證明,這是數學上的重大突破。懷爾斯因此獲得2005年度邵逸夫獎[10]

量子物理

p進數剛出現時,學者們最初認為這理論屬於純數學領域,毫無任何實用價值。但1968年,两位纯数学研究者A. Monna和F. Van Der Blij首先提出将p进数应用到物理学中。1972年,E. Beltrametti和G. Cassinelli探讨了一种取值为p进数的量子逻辑英语quantum logic状态模型。进入二十世纪八十年代後,p进数在量子物理学中的应用愈为广泛。首先涌现的是pp超弦模型。量子物理学家在这些模型中使用与实数拓扑性质不同的p进数,以构建出不同的时空结构,描述在普朗克尺度下与大尺度完全不同的物理现象和行为。在普朗克尺度下,基于实数的模型无法很好的描绘出某些量子特性,而p进数域的某些性质,比如说无序性[N 5],和普朗克尺度下的物理特质相近[10]

p进数量子物理学中的应用也带动了数学中对p进数的研究。例如p进弦论的研究促使数学家展开了对p进数上的分布理论微分方程伪微分方程(pseudodifferential equation)、概率论以及p进数上相应希尔伯特空间(装备了额外结构的)中的算子谱理论等多方面的研究[10]

信息编码

p进数的数列展开表示可以被用于信息的编码。因此p进数可以被用来描述很多信息处理的过程,在认知科学心理学社会学研究中出现[10]

p进动力系统理论

算术动力系统是二十世纪九十年代提出的数学理论,整合了动力系统及数论。传统的离散动力系统会探讨迭代函数在复平面或是实数中的性质。算术动力系统则探讨多项式解析函数在整数、有理数、p进数及几何点中的迭代特性[12]p进数动力系统在计算机科学领域中的直线式程序(straight-line programs)问题、数值分析与模拟中的伪随机数问题、密码学中的流加密问题上都有重要作用。在计算机科学和自动机理论中,p进遍历理论可以帮助快速制造大拉丁方。後者在实验设计、软件测试和通信理论中都有良多应用[10][13]

参见

注释

  1. ^ 此处指对四则运算封闭等条件,具体参见条目中的定义。
  2. ^ 其中自变量x的元素,而映射符号右侧的“”表示一个中元素,其中的xx在整数中的自然对应元素。例如当时,将同余类映射到,也就是。正文中为了叙述简便,使用混淆的表达方式。
  3. ^ 使用等价的赋值构造的拓扑结构。
  4. ^ 间的距离小于指的是在相应的度量下的距离:
  5. ^ 实数中任两个数都能比较大小(有全序),而上面没有全序。

参考来源

  1. ^ 俞正光. 理工科代数基础. 清华大学出版社. 1998. ISBN 9787302029779. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Eric Gossett. Discrete Mathematics with Proof. John Wiley & Sons(插图版). 2009. ISBN 9780470457931 (英语). ,附录A3
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Gerald J. Janusz. Algebraic Number Fields 2nd. American Mathematical Soc. 1996. ISBN 9780821872437 (英语). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Koblitz, Neal. P-adic Numbers, p-adic Analysis, and Zeta-Functions 2nd. Springer. 1996. ISBN 0-387-96017-1 (英语). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 Fernando Q. Gouvêa. p-adic Numbers : An Introduction 2nd. Springer. 2000. ISBN 3-540-62911-4 (英语). 
  6. ^ 6.00 6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.09 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 Pierre Colmez. Éléments d'analyse et d'algèbre. Paris: Édition École Polytechnique. 2011. ISBN 978-2-7302-1587-9 (法语). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 Frédérique Oggier. Algebraic Number Theory - Lecture Notes - Chapter 5: p-adic numbers (PDF). Nanyang Technology University. [2014-04-28] (英语). 
  8. ^ 8.00 8.01 8.02 8.03 8.04 8.05 8.06 8.07 8.08 8.09 8.10 David Lubicz. An introduction to the algorithmic of p-adic numbers (PDF). Universté de Rennes, France. [2014-04-28] (英语). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 Robert, Alain M. A Course in p-adic Analysis. Springer. 2000. ISBN 0-387-98669-3 (英语). 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 U. A. Rozikov. What are p-Adic Numbers? What are They Used for? (PDF). Asia Pacific Mathematics Newsletter. 2013, 3 (4) (英语).  已忽略未知参数|month=(建议使用|date=) (帮助)
  11. ^ 11.0 11.1 Jorn Steuding. The world of p-adic numbers and p-adic functions (PDF). Proc. Sci. Seminar Faculty of Physics and Mathematics, Siauliai University. 2002, (5): 90–107 (英语). 
  12. ^ Stany De Smedt, Andrew Khrennikov. A p-adic behaviour of dynamical systems (PDF). Revista Mathematica Complutense. 1999, 12 (2): 301–323 (英语). 
  13. ^ Vladimir Anashin, Andrei Khrennikov. Applied Algebraic Dynamics. Walter de Gruyter. 2009. ISBN 9783110203011 (英语). ,前言XV.

外部链接