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第21节 类划分为层

作者:德-卡尔·弗里德里希·高斯/译者:邵林 当前章节:2765 字 更新时间:2026-7-17 01:14

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如果数a ,b ,c 没有公约数,就称型(a ,b ,c )为原始型 ;否则,称它为导出型 。实际上,如果a ,b ,c 的最大公约数等于m ,型(a ,b ,c )就能够从原始型 ( )推导出来 。由这个定义显然可知,行列式不能被任何平方数(1除外) 整除的型一定都是原始型。进而,由条目161可知,如果行列式为D 的型的任意一个给定的类中有原始型,那么这个类中所有的型都是原始型。这种情况下,我们就说这个类自身是原始类 。并且,如果任意行列式为D 的型F 都可以由行列式为 的原始型f 推导出来,设型F 和f 所在的类分别是K 和k ,那么K 类中的所有的型都可以由原始类k 推导出来;此种情况下我们就说K 类自身是由原始类k 推导出来的 。

如果型(a ,b ,c )是原始型,a 和c 不都是偶数(两者要么其中之一是奇数,要么都是奇数) ,那么,a ,2b ,c 也没有公约数。在这种情况下,我们就说型(a ,b ,c )是正常原始型 ,或简称正常型 。但是,如果(a ,b ,c )是原始型,数a ,c 都是偶数,显然数a ,2b ,c 就有公约数2(2也是三者最大公约数) ,我们就称(a ,b ,c )是反常原始型 ,或简称反常型 [23] 。在这种情况下,b 就一定是奇数[否则,(a ,b ,c )就不是一个原始型 ];因此,就有b 2 ≡1(mod 4),并且由于ac 能够被4整除,所以行列式b 2 -ac ≡1(mod 4)。因此,反常型仅在行列式为4n +1型的正数或者-(4n +3)型的负数时才会出现。显然,由条目161可知,如果发现一个给定的类中有正常原始型,那么这个类中的所有的型都是正常原始型;并且,一个包含反常原始型的类,一定仅由反常原始型构成。因此,在前一种情况下,我们就称这个类是正常原始类 ,或简称正常类 ,后一种情况为反常原始类 ,或简称反常类 。例如,在行列式为-235的定正类中,有6个正常类,其代表型为(1,0,235),(4,1,59),(4,-1,59),(5,0,47),(13,5,20),(13,-5,20),还有同样个数的定负类,在其定正类和定负类里面各有两个反常类。行列式为79的型构成的所有的类(由于79是形如4n +3的数) 都是正常类。

如果型(a ,b ,c )是由原始型( )推导出的,那么后者既可能是正常原始型,也可能是反常原始型。如果是前一种情况,m 也是数a ,2b ,c 的最大公约数;在后一种情况中,数a ,2b ,c 的最大公约数为2m 。由此,我们可以对由正常原始型推导出的型和由反常原始型推导出的型 做出清晰区分,而且(按照条目161,同一类中所有的型也有同样的关系) ,可以在由正常原始类推导出的类和反常原始类推导出的类 之间做出区分。

通过这些区分,我们已经得到了第一个基本原理,基于这个基本原理,我们可以把具有给定行列式的型组成的类分成诸多个层 。以(a ,b ,c )和(a ′,b ′,c ′)为代表型的两个类归置于相同的层 ,条件是数a ,b ,c 和数a ′,b ′,c ′具有相同的最大公约数,并且数a ,2b ,c 和数a ′,2b ′,c ′也具有相同的最大公约数。如果这两个条件其中之一不满足,那么,这两类就归置于不同的层 。显然,所有的正常原始类就构成一个层,所有的反常原始类就构成另一个层。如果m 2 是整除行列式D 的一个平方数,由具有行列式 的正常原始类推导出的类也构成了一个特别的层,由具有行列式 的反常原始类推导出的类就构成了另外一个特别的层,等等。如果D 不能被任何平方数整除(1除外) ,那就不存在由导出类构成的层,因而此时要么只有一个层[当D ≡2或者D ≡3(mod 4)时 ],就是正常原始类的层;要么有两个层[当D ≡1(mod 4)时 ],那就是由正常原始类和反常原始类构成的层。借助组合计算的原理,我们不难建立下面的一般性法则。假设D =D ′22μ a 2α b 2β c 2γ …,其中D ′不含平方因数,且a ,b ,c ,…是不同的奇质数(当D 不能被4整除时,取μ =0,任何数都可以简化为这个形式;当D 不能被奇平方数整除时,取α ,β ,γ ,…等于0,那么同样地,省略因数a 2α b 2β c 2γ ,…) ;因此,当D ′≡2或者D ′≡3(mod 4)时,得到(μ +1)(α +1)(β +1)(γ +1)…个层;当D ′≡1(mod 4)时得到(μ +2)(α +1)(β +1)(γ +1)…个层。但我们不用去证明这个法则,因为这并不困难,在这里也没有必要证明。

例1:对于D =45=5×32 ,有6个类,代表型是(1,0,-45),(-1,0,45),(2,1,-22),(-2,1,22),(3,0,-15),(6,3,-6)。这些类分成4个层。层Ⅰ包含2个正常类,它们的代表型是(1,0,-45),(-1,0,45);层Ⅱ包含2个非正常类,它们的代表型是(2,1,-22),(-2,1,22);层Ⅲ包含1个由行列式为5的正常类推导出的类,代表型是(3,0,-15);层Ⅳ就是由行列式为5的反常类推导出的类构成的,代表型是(6,3,-6)。

例2:行列式为-99=11×32 的正常类就可以分成4个层。层Ⅰ就包含以下正常原始类 [24] :(1,0,99),(4,1,25),(4,-1,25),(5,1,20),(5,-1,20),(9,0,11)。层Ⅱ就包含反常类(2,1,50),(10,1,10)。层Ⅲ就包含由行列式为-11的正常类推导出的类,即(3,0,33),(9,3,12),(9,-3,12)。层Ⅳ是由行列式为-11的反常类推导出的类,即(6,3,18)。这个行列式的定负类可以按照完全相同的方式划分成层。

我们发现,相反的类总是归置于相同的层 (这不难发现) 。

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在这些不同的层中,正常原始类所属的层值得特别关注。因为每个导出类都起源于某个(行列式更小的) 原始类,我们通过讨论这些原始类,就能对导出类的大部分性质有清楚了解。后面我还将指出,任何反常原始类都要么伴随1个,要么伴随3个(行列式相同的) 正常原始类。而且,对于负的行列式,我们可以不讨论定负类,因为它们总是对应于某些定正类。为了能更充分地理解正常原始类的性质,我们必须首先解释正常原始类之间的本质区别,对应于这个区别,所有正常原始类的层又可以继续分为不同的族。因为至今都没有触及到这个重要的课题,我们就从头讨论它。

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