Composition of binary quadratic forms Lause. On voimassa (a) ab 0 a 0 b (bb 0 + Dnn 0 )= 0 mod μ: (b) Jos m = m 0 =1, niin aa 0 0 mod μ : Todistus. Ko

Samankaltaiset tiedostot
Diofantoksen yhtälön ratkaisut

1 Lukujen jaollisuudesta

2017 = = = = = = 26 1

Seuraavana tavoitteena on osoittaa, että binääristen neliömuotojen ekvivalenssiluokat

Tekijä Pitkä Matematiikka 11 ratkaisut luku 2

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA III BASICS OF NUMBER THEORY PART III

ALKULUKUJA JA MELKEIN ALKULUKUJA

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Matematiikan mestariluokka, syksy

Yhtäpitävyys. Aikaisemmin osoitettiin, että n on parillinen (oletus) n 2 on parillinen (väite).

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

kaikille a R. 1 (R, +) on kommutatiivinen ryhmä, 2 a(b + c) = ab + ac ja (b + c)a = ba + ca kaikilla a, b, c R, ja

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

a ord 13 (a)

Jokaisen parittoman kokonaisluvun toinen potenssi on pariton.

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Juuri 11 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Ensimmäinen induktioperiaate

Primitiiviset juuret: teoriaa ja sovelluksia

Ensimmäinen induktioperiaate

LUKUTEORIA johdantoa

1 Algebralliset perusteet

Lukuteorian kertausta

a b c d

2.1. Tehtävänä on osoittaa induktiolla, että kaikille n N pätee n = 1 n(n + 1). (1)

Matematiikassa väitelauseet ovat usein muotoa: jos P on totta, niin Q on totta.

11. Jaollisuudesta. Lemma Oletetaan, että a, b R.

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

Alkulukujen harmoninen sarja

Matematiikan tukikurssi

Shorin algoritmin matematiikkaa Edvard Fagerholm

3. Kongruenssit. 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi

HN = {hn h H, n N} on G:n aliryhmä.

Salausmenetelmät LUKUTEORIAA JA ALGORITMEJA. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006) 3. Kongruenssit. à 3.4 Kongruenssien laskusääntöjä

JOHDATUS LUKUTEORIAAN (syksy 2017) HARJOITUS 3, MALLIRATKAISUT

Lukuteoria. Eukleides Aleksandrialainen (n. 300 eaa)

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Kansainväliset matematiikkaolympialaiset 2008

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Todistus. Eliminoidaan Euleideen algoritmissa jakojäännökset alhaaltaylöspäin.

Määritelmä, alkuluku/yhdistetty luku: Esimerkki . c) Huomautus Määritelmä, alkutekijä: Esimerkki

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg

LUKUTEORIAN ALKEET HELI TUOMINEN

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Kontraharmonisesta keskiarvosta ja Pythagoraan luvuista

Salausmenetelmät. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006)

Jokainen kokonaisluku n voidaan esittää muodossa (missä d on positiivinen kok.luku) Tässä q ja r ovat kokonaislukuja ja 0 r < d.

-Matematiikka on aksiomaattinen järjestelmä. -uusi tieto voidaan perustella edellisten tietojen avulla, tätä kutsutaan todistamiseksi

LUKUTEORIA A. Harjoitustehtäviä, kevät (c) Osoita, että jos. niin. a c ja b c ja a b, niin. niin. (e) Osoita, että

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Valitse kuusi tehtävää! Kaikki tehtävät ovat 6 pisteen arvoisia.

R : renkaan R kääntyvien alkioiden joukko; R kertolaskulla varustettuna on

(d) 29 4 (mod 7) (e) ( ) 49 (mod 10) (f) (mod 9)

Törmäyskurssi kilpailulukuteoriaan pienin välttämätön oppimäärä

Johdatus matematiikkaan

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

(2n 1) = n 2

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 2 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 1

Ennakkotehtävän ratkaisu

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

802354A Algebran perusteet Luentorunko Kevät Työryhmä: Markku Niemenmaa, Kari Myllylä, Topi Törmä

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

41 s. Neljännessä luvussa käsitellään erikseen parillisia täydellisiä lukuja. Luvussa osoitetaan Eukleides Euler teoreema,

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET OSA II BASICS OF NUMBER THEORY PART II

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Mikäli huomaat virheen tai on kysyttävää liittyen malleihin, lähetä viesti osoitteeseen

Testaa taitosi 1: Lauseen totuusarvo

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Multiplikatiiviset funktiot

on Abelin ryhmä kertolaskun suhteen. Tämän joukon alkioiden lukumäärää merkitään

Fermat n pieni lause. Heikki Pitkänen. Matematiikan kandidaatintutkielma

Lukion matematiikkakilpailun alkukilpailu 2015

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

6. Tekijäryhmät ja aliryhmät

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Liisa Ilonen. Primitiiviset juuret

802355A Algebralliset rakenteet Luentorunko Syksy Markku Niemenmaa Kari Myllylä Topi Törmä Marko Leinonen

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Jussi Tervaniemi. Primitiiviset juuret

4. Ryhmien sisäinen rakenne

Tehtävä 4 : 2. b a+1 (mod 3)

Tee konseptiin pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Lue ohjeet huolellisesti!

Transkriptio:

ARNDT.TEX Composition of binary quadratic forms by Veikko Ennola Tarkastellaan neliömuotojen kompositiota F. Arndtin esittämässä muodossa ([Ar59] ja [Ma61], p. 149 157) mutatis mutandis. Oletetaan, että f = ax + bxy + cy ; f 0 = a 0 x + b 0 xy + c 0 y Z[x; y]; d = b 4ac; d 0 = b 0 4a 0 c 0 ; missä d ja d 0 eivät ole neliöitä Z:ssa, mutta d 0 =d on rationaaliluvun neliö. Merkitään m = syt(a; b; c); m 0 = syt(a 0 ;b 0 ;c 0 ); D = syt(dm 0 ;d 0 m ); n = p d=d; n 0 = p d 0 =D: (Tässä D:lle on valittava d:n ja d 0 :n merkki. Seuraavasta käy ilmi, että n; n 0 Q. Huomaa, että Dnn 0 = ± p dd 0 Z, koska d 0 =d Q.) Edelleen merkitään P = an 0 ; Q = a 0 n; R = b0 n + bn 0 ; S = b0 n bn 0 ; T = c 0 n; U = cn 0 : Lause 1. On voimassa (a) mn 0 ;m 0 n Z, syt(mn 0 ;m 0 n)=1: (b) P; Q; R; S; T; U Z, syt(p; Q; R; S; T; U) =1: Todistus. Jos x = u=v Q nf0g, missä u; v Z ja p on alkuluku, merkitään ν p (x) =k `, kun p k ku, p`kv. Määritellään Koska d 0 =d Q, niin»» 0 mod. ν p (d) =»; ν p (d 0 )=» 0 ; ν p (m) = ; ν p (m 0 )= 0 : Kohta (a). Saadaan ν p (dm 0 )=»+ 0, ν p (d 0 m )=» 0 +. Symmetrian nojalla voidaan olettaa, että» + 0»» 0 +, jolloin ν p (D) =» + 0 ja ν p (m 0 n )= 0 +» (» + 0 )=0; ν p (m n 0 )= +» 0 (» + 0 ) 0: Koska vastaava tulos pätee kaikilla alkuluvuilla p, niin (a) on voimassa. Kohta (b). Oletetaan, että u fa; b; cg, u 0 fa 0 ;b 0 ;c 0 g, jolloin ν p (u), ν p (u 0 ) 0. Luvut ν p (u n 0 )=ν p (u)+» 0 (» + 0 ); ν p (u 0 n )=ν p (u 0 )+» (» + 0 ) ovat parillisia ei-negatiivilukuja, joista ainakin yksi on = 0. Todetaan vielä, että koska b 0 n b n 0 = 4 D (a0 c 0 d acd 0 ) 4Z; a 0 c 0 d 0 mod m 0 d; acd 0 0 mod m d 0 : Näinollen b 0 n bn 0 mod. Tästä kohta (b). Merkitään μ = syt(p; Q; R): Seuraavassa rajoitutaan päättelyn helpottamiseksi lähinnä tarkastelemaan tapausta m = m 0 =1,jolloin n; n 0 Z ja syt(n; n 0 )=1: Λ Typeset by AMS-TEX

Composition of binary quadratic forms Lause. On voimassa (a) ab 0 a 0 b (bb 0 + Dnn 0 )= 0 mod μ: (b) Jos m = m 0 =1, niin aa 0 0 mod μ : Todistus. Kohta (a). Seuraavat yhtälöt pätevät: (1) ab 0 mn 0 = b 0 mp; ab 0 m 0 n = m 0 (ar bp ); a 0 b m 0 n = bm 0 Q; a 0 b mn 0 = m(a 0 R b 0 Q); (bb 0 + Dnn 0 ) mn 0 = m(b 0 R 4c 0 Q); (bb 0 + Dnn 0 ) m 0 n = m 0 (br 4cP ): Väite seuraa lauseesta 1. Huomaa samalla, että bb 0 + Dnn 0 on parillinen. Kohta (b). Koska aa 0 n aa 0 n 0 0 mod μ ja (n; n 0 ) = 1, niin aa 0 0 mod μ. On voimassa () aa 0 S = aa 0 R a 0 bp; aa 0 T = ab 0 R bb0 + Dnn 0 P; aa 0 U = a 0 br bb0 + Dnn 0 Q: Koska (μ; S; T; U) =1,niinaa 0 0 mod μ : Merkitään ν (a) =ff; ν (a 0 )=ff 0 ; ν (b) =fi; ν (b 0 )=fi 0 : Jos nyt ff + ff 0 0 mod, niin asia on selvä. Oletetaan siksi, että ff + ff 0 1 mod. Jos fi fi 0 0 mod, niin yhtälöistä (1) nähdään, että ab 0 a 0 b bb0 + Dnn 0 0 mod μ; jolloin väite seuraa yhtälöistä (). Voimme siksi olettaa, että fi 0 1 mod. Jos myös fi 1 mod, niin n n 0 1 mod ja ν (μ)» min(ff; ff 0 ), joten asia on selvä. Voimme siksi olettaa, että fi 0 mod, jolloin j n, - n 0, - D. Jos ff 0 ff, niin ν (μ)» ff ja asia on selvä. Voimme siis olettaa, että ff 0 <ff. Samalla nähdään, että ff>0: Tapaus 1. fi >ff+. Asia on selvä, sillä Tapaus. fi < ff +. Silloin ν (d) =ff +; ν (n) =ff=+1; ν (R) =ff=: ν (d) =fi; ν (n) =fi; ν (Q) =ff 0 + fi: Tapaus (ff 0 + fi)» ff + ff 0 on selvä, joten voidaan olettaa, että ff 0 +fi >ff: Tarkastellaan aluksi mahdollisuutta fi = ff +1. Merkitään b = fi b 0, a = fi 1 a 0, jolloin d = fi (b 0 a 0 c). Tässä b 0 a 0 c 1 mod4,mikä on mahdotonta, koska (b 0 a 0 c)=(b 0 4a 0 c 0 ) on rationaaliluvun neliö. Siis fi 6= ff +1,josta samalla seuraa ff 0 > 0. On voimassa DRS = b a 0 c 0 b 0 ac: Tässä ν (b a 0 c 0 ) = fi + ff 0, ν (b 0 ac) = ff, joten ν (RS) = ff. Koska ν (S) fi, niin ν (R)» ff fi. Koska (ff fi) <ff+ ff 0, niin tämä riittää.

Composition of binary quadratic forms 3 Tapaus 3. fi = ff +. Koska ff + ff 0 1 mod, niin ff 0 > 0. On voimassa ν (b a 0 c 0 )= fi + ff 0, ν (b 0 ac) = ff. Tässä ff = fi + ff 0 ei käy, koska ff + ff 0 on pariton. Tapaus ff 0 +fi > ff käsitellään samoin kuin yllä. Mahdollisuus ff 0 +fi < ff johtaa ristiriitaan ff 0 +fi < fi : Λ Lause 3. Oletetaan, että m = m 0 =1. Merkitään A = aa 0 =μ. Kongruensseilla (3) μn 0 B μb 0 mod a 0 ; μnb μb mod a; μ(b 0 n + bn 0 )B μ(bb 0 + Dnn 0 ) mod 4aa 0 on yksikäsitteinen ratkaisu B modulo A. On voimassa B D 0 mod 4A, joten muoto (A;B;(B D)=4A) on primitiivinen ja kokonaiskertoiminen. Määritelmä. Muoto (A;B;(B D)=4A) on muotojen f;f 0 kompositio f ffi f 0. Se on ekvivalenssia vaille riippumaton B:n valinnasta. Todistus. Kongruenssiryhmä (3) on ekvivalentti seuraavan kanssa: (30 ) P μ B ab0 μ mod A; Q μ B a0 b μ mod A; R μ B bb0 + Dnn 0 μ mod A: Jos siis ratkaisu on olemassa, niin se on yksikäsitteinen modulo A. Olemassaolo todetaan seuraavasti: Määrätään sellaiset luvut t; u; v Z, että (4) an 0 t + a 0 nu + b0 n + bn 0 v = μ: Tehdään yrite (5) B = ab0 t μ Saadaan + a0 bu μ + bb0 + Dnn 0 v: μ μn 0 B = ab 0 n 0 t + a 0 bn 0 u + bb0 n 0 + Dnn 0 v = b 0 μ a 0 nu b0 n + bn 0 v + a 0 bn 0 u + bb0 n 0 + Dnn 0 v = μb 0 a 0 (b 0 n bn 0 )u a 0 c 0 nv; joten ryhmän (3) ensimmäinen kongruenssi pätee. Toinen todistetaan symmetrisesti. Edelleen μ(b 0 n + bn 0 )B =(b 0 n + bn 0 ) ab 0 t + a 0 bu + bb0 + Dnn 0 v =(b 0 n + bn 0 )(ab 0 t + a 0 bu)+(bb 0 + Dnn 0 )(μ an 0 t a 0 nu) =(bb 0 + Dnn 0 )μ +4aa 0 c 0 nt +4aa 0 cn 0 u; joten myös kolmas kongruenssi pätee. Yhdistämällä (4) ja (5) saadaan μ (B D) =4aa 0 (ac 0 t + a 0 cu + cc 0 v + bb0 Dnn 0 tu + bc 0 tv + b 0 cuv); joten B D 0 mod 4A:

4 Composition of binary quadratic forms Merkitään C =(B D)=4A, sekä F (X; Y )=AX + BXY + CY = aa0 μ X + BXY + (B D)μ 4aa 0 Y ; p 0 = μ; p 1 = μ(b0 Bn 0 ) a 0 ; p = Edelleen merkitään q 0 =0; q 1 = an0 μ ; μ(b Bn) ; p 3 = μ(bb0 + Dnn 0 B(b 0 n + bn 0 )) a 4aa 0 ; q = a0 n μ ; q 3 = b0 n + bn 0 : μ X 0 = p 0 x 1 x + p 1 x 1 y + p y 1 x + p 3 y 1 y ; Y 0 = q 0 x 1 x + q 1 x 1 y + q y 1 x + q 3 y 1 y ; jolloin saadaan (6) F (X 0 ;Y 0 )=f(x 1 ;y 1 )f 0 (x ;y ): Jos nyt alkuluku p jakaa kaikki luvut A;B;C,niinvoidaan valita luvut x i ;y i siten, että p - f(x 1 ;y 1 ), p - f 0 (x ;y ), mikä johtaa ristiriitaan yhtälön (6) kanssa. Λ Lause 4. Oletetaan, että m = m 0 = n = n 0 =1(jolloin d = d 0 = D) ja että muodot f;f 0 ovat yhteensopivat tutkielmassa [En04] määritellyssä mielessä. Silloin tässä tutkielmassa määritelty kompositio on sama kuin käsilläolevassa työssä määritelty. Todistus. Yhteensopivuus merkitsee, että μ = 1. lemmassa 3 määriteltyä lukua. On voimassa Merkitään tässä B:llä työn [En04] B b mod a; B b 0 mod a 0 ; B D mod 4aa 0 : Tässä kaksi ensimmäistä ehtoa ovat samat kuin (3):n ensimmäiset ehdot. Koska 0 (B b)(b b 0 ) B (b + b 0 )B + bb 0 mod 4aa 0 ; niin (3):n viimeinen ehto pätee tarkalleen silloin, kun B D mod 4aa 0. Kompositio on (aa 0 ;B;C). Λ Määritelmä. Oletetaan, että n = n 0 = 1 (jolloin d = d 0 = D) ja että syt(m; m 0 ) = 1. Sanotaan, että muodot f;f 0 ovat rinnakkaiset, joss ne ovat tyyppiä f =[a; b; a 0 c]; f 0 =[a 0 ;b;ac]: Lause 5. Olkoot C ja C 0 kaksi muotoluokkaa, joilla on sama diskriminantti d ja joiden divisorit m; m 0 täyttävät ehdon syt(m; m 0 ) = 1. Silloin on olemassa äärettömän monta rinnakkaista paria f C, f 0 C 0. Todistus. Koska f=m, f 0 =m 0 ovat primitiiviset, niin voidaan valita f C, f 0 C 0 siten, että a a 0 m ; dm0 = m 0 ; da =1: Erikoisesti siis (a; a 0 )=1,joten on olemassa ehdot B 0 b mod a; B 0 b 0 mod a 0 täyttävä B 0 Z. Todetaan helposti, että joko B = B 0 tai B = B 0 + aa 0 täyttää ehdot B b mod a; B b 0 mod a 0 :

Composition of binary quadratic forms 5 (Huomaa tässä, että b b 0 mod, koska d b b 0 mod 4. Erota tapaukset a a 0 1 mod ja a 6 a 0 mod.) Suorittamalla muunnokset ([En04], Lemma 4) voidaan olettaa, että f =[a; B; c]; f 0 =[a 0 ;B;c 0 ]: Näinollen ac = a 0 c 0, joten c 0 = ac 0, c = a 0 c 0. Määritelmä. Oletetaan, että (i) n = n 0 =1; (ii) syt(m; m 0 )=1; (iii) f =[a; b; a 0 c] C; f 0 =[a 0 ;b;ac] C 0 : Muotojen f;f 0 tulomuoto (product form) on [aa 0 ;b;c]: Lause 6. Oletetaan, että määritelmän ehdot (i), (ii), (iii) ovat voimassa. Silloin (a) syt(a; a 0 ;b)=1, syt(aa 0 ;b;c)=mm 0. (b) Tulomuodon [aa 0 ;b;c] edustama luokka on riippumaton siitä miten rinnakkaiset muodot f;f 0 valitaan luokista C; C 0. Todistus. (a) Oletetaan, että alkuluku p jakaa luvut a; a 0 ;b. Silloin p jakaa luvut m; m 0 vastoin ehtoa (ii). Siis syt(a; a 0 ;b)=1. On voimassa m j a, m j b, m j a 0 c. Äskeisen tuloksen nojalla m j c. Samoin saadaan m 0 j a 0, m 0 j b, m 0 j c, joten mm 0 jakaa kaikki luvut aa 0 ;b;c. Oletetaan, että alkuluku p jakaa kaikki luvut aa0 b c a mm ; 0 mm ; 0 mm. Oletetaan esimerkiksi, että p j 0 m. Silloin p jakaa kaikki luvut a m ; b m ; a0 c m, mikä onvastoin m:n määritelmää. (b) Olennaisesti sama kuin lauseen 4 todistus työssä [En04]. Toinen erittäin hieno todistus on työssä [BP68] sivulla 30. Λ Kompositio Buttsin ja Pallin mukaan. Oletetaan, että m = m 0 =1. Tarkastellaan muotoja n 0 f =[n 0 a; n 0 b; n 0 c]; nf 0 =[na 0 ;nb 0 ;nc 0 ]; joilla on sama diskriminantti Dn n 0. Etsitään näiden muotojen edustamista luokista rinnakkaiset muodot. Muodostetaan näiden tulo. Tulo jaettuna luvulla nn 0 on silloin muotojen f;f 0 kompositio f ffif 0. Väitämme, että saatu tulos on sama kuin edellä lauseen 3 avulla määritelty käsite. Todistus. Voimme olettaa muodot f;f 0 siten valituiksi, että (7) (a; a 0 )=(a; n) =(a 0 ; n 0 )=1: Pyritään ratkaisemaan kongruenssit Saadaan ο = nn 0 ο 0, missä ο n 0 b mod n 0 a; ο nb 0 mod na 0 : (8) nο 0 b mod a; n 0 ο 0 b 0 mod a 0 : Jos nyt b b 0 0 mod, ratkaistaan nο 1 b= mod a; n 0 ο 1 b 0 = mod a 0 ja valitaan ο 0 = ο 1. Oletetaan siksi, että b 1 mod. Koska n D = b 4ac, niin n D 1 mod ja n 0 b 0 mod. Tämän nojalla todetaan helposti ο 0 :n olemassaolo. Λ

6 Composition of binary quadratic forms Suoritetaan Gaussin lemman mukainen muunnos, jolloin kolmansien kertoimien merkintöjä vaihtaen saadaan Tästä n 0 f ο [n 0 a; nn 0 ο 0 ;n 0 c]; nf 0 ο [na 0 ;nn 0 ο 0 ;nc 0 ]: Dn n 0 = n n 0 ο 0 4n 0 ac = n n 0 ο 0 4n a 0 c 0 ; joten n 0 ac = n a 0 c 0, mistä (7):n nojalla Rinnakkaiset muodot ovat siis niiden tulomuoto on joten kompositio on [aa 0 ;ο 0 ;c 00 ]. c = n a 0 c 00 ; c 0 = n 0 ac 00 : [n 0 a; nn 0 ο 0 ;n n 0 a 0 c 00 ]; [na 0 ;nn 0 ο 0 ;n 0 nac 00 ]; [nn 0 aa 0 ;nn 0 ο 0 ;nn 0 c 00 ]; Toisaalta μ = 1, joten (8) on yhtäpitävä (3):n kahden ensimmäisen ehdon kanssa. Ehdot (8) antavat bb 0 (b 0 n + bn 0 )ο 0 + nn 0 ο 0 (b nο 0 )(b 0 n 0 ο 0 ) 0 mod 4aa 0 : Koska ο 0 D mod 4aa 0, niin myös (3):n viimeinen ehto pätee. Product of unit-classes. ([BP68], s. 30) Tulo hff 1 ;ff ihfi 1 ;fi i = hfl 1 ;fl i muodostetaan siten, että tulomodulille Zff 1 fi 1 + Zff 1 fi + Zff fi 1 + Zff fi Λ valitaan ehdon täyttävä kanta fl 1 ;fl. signhfl 1 ;fl i = signhff 1 ;ff isignhfi 1 ;fi i Lause 7. Olkoon M = r[t; u + f!] täysi moduli neliökunnassa, jonka diskriminantti on d. Oletetaan, että! p =(d+ d)=, t; u Z, r Q, t>0 ja että f on pienin luonnollinen luku, jota kohti M on kyseistä muotoa r[t; u + f!] ja joka täyttää ehdon u + fd f d 0 mod t: 4 (Katso työn [En03] lausetta 1:) Merkitään! 0 =(d p d)=. Silloin neliömuodon tx +(u + f!)y tx +(u + f! 0 )y kertoimien syt = t. Todistus. Kyseinen neliömuoto on t x + t(u + fd)xy + u + fd f d 4 y : Kaikki kertoimet ovat t:llä jaolliset. Vastaoletus: On olemassa ehdot t u + fd 0 mod p; u + fd f d 0 mod pt 4 täyttävä alkuluku p. Silloin p j fd.

Composition of binary quadratic forms 7 Oletetaan ensin, että p 6=. Koska p j f d ja d ei voi olla p:n neliöllä jaollinen, niin p j f. Nyt p j u, M = p[ t p ; u p + f! p ] ja u p + fd f d p 4p 0 mod t p ; mikä on ristiriidassa f:n minimaalisuuden kanssa. Täytyy siis olla p =. Jos nyt j f, niin j u ja saadaan sama ristiriita kuin äsken. Siis - f, 4 j d. Seuraa u d=4 0 mod 4, mikä on mahdotonta, koska d 4; 8 mod 16: Λ Esimerkki 1. d = 31, h =3. Redusoidut muodot [1; 1; 8]; [; 1; 4]; [; 1; 4]. Merkitään # = p 31. Representatives of unit classes with order = f1; g ja vastaavat muodot: h; 1+# 1 # i$[; 1; 4]; h; i$[ ; 1; 4]; i$[; 1; 4]; h; 1 # i$[ ; 1; 4]: h; 1+# Huomaa, että Buttsin ja Pallin teoriassa joudutaan tarkastelemaan myös negatiividefiniittejä muotoja. Esimerkki. d =1,ahdas luokkaluku =. Merkitään # = p 3. Redusoidut muodot jakautuvat kahteen ketjuun: [1; ; ]; [ ; ; 1]; [ 1; ; ]; [; ; 1]: Representatives of unit classes ja vastaavat muodot: h1; 1+#i $[1; ; ]; h1; 1 #i $[ 1; ; ]; h1; 1 #i $[ 1; ; ] ο [ 1; ; ]; h1; 1+#i $[1; ; ] ο [1; ; ]: Työn [En03] lauseessa 9 johdettiin lauseke renkaan O f murtoihanneryhmän H f = A f =P f kertaluvulle h f. Tällöin h f on myös diskriminantin df omaavien muotoluokkien (muodot kokonaiskertoimisia ja primitiivisiä, d fundamentaalidiskriminantti) lukumäärä seuraavin varauksin: Jos d < 0, niin rajoitutaan positiividefiniitteihin muotoihin, ts. identifioidaan muodot [a; b; c] ja[ a; b; c]. Tapauksessa d > 0 kaava pätee sellaisenaan, jos renkaassa O f on normin 1 omaava yksikkö. Jos tällaista yksikköä ei ole, niin h f on kerrottava :lla. Tähän päädytään toista tietä siten, että modulien ekvivalenssin määritelmässä rajoitutaan kertojiin, joiden normit ovat positiivisia (ahdas ekvivalenssi, ahdas luokkaluku, vastakohtana aiempi väljä ekvivalenssi).

8 Composition of binary quadratic forms Kirjallisuutta [Ar59] F. Arndt, Auflösung einer Aufgabe in der Composition der quadratischen Formen, Crelle 56 (1859), 64 71, arndt59.pdf. [Bu77] Duncan A. Buell, Elliptic curves and class groups of quadratic fields, J. London Math. Soc. () 15 (1977), 19 5, eripainos. [Bu89] Duncan A. Buell, Binary quadratic forms, Springer, 1989. [BP68] Hubert S. Butts and Gordon Pall, Modules and binary quadratic forms, Acta Arith. 15 (1968), 3 44, kopio, butts pall68.pdf. [En03] Veikko Ennola, Ideals in quadratic orders (003), tutkielma, quadord.pdf. [En04] Veikko Ennola, Number of genera (004), tutkielma, genus.pdf. [Ma61] G. B. Mathews, Theory of numbers, Chelsea, 1961. Kirja [Bu89] sisältää paljon virheitä, myös karkeita, mutta on silti jossain määrin käyttökelpoinen. Työ [BP68] näyttää erittäin hyvin kirjoitetulta ja tutkimisen arvoiselta. Vanhat esitykset [Ar59] ja [Ma61] kärsivät siitä, että niissä binäärinen neliömuoto on Gaussin mukaisesti aina tyyppiä ax +bxy + cy. Ylimääräinen kerroin saa yllättävän paljon sotkua aikaan.