P진 해석학(p-adic analysis)

개요

• 실수체는 유리수체로부터 완비성을 갖도록 해줌으로써 구성됨
• 그러나 실수체만이 유리수체의 완비화를 통해 얻어지는 것은 아님.
• 완비성을 갖도록 해주기 위해서는 먼저 유리수 사이에 거리의 개념이 필요
  • 유리수체 위의 거리는 각 소수 p에 대응되는 거리의 개념과, 잘 알려진 (실수를 만드는) 절대값이 존재

유리수체에 정의할 수 있는 거리의 개념

실수에서의 절대값

• 절대값은 다음의 성질을 만족한다

1. \(|x|=0 \iff x=0\)
2. \(|xy|=|x||y|\)
3. \(|x+y|\leq |x|+|y|\) (삼각부등식)

p-adic 절대값

• 소수 \(p\)와 정수 \(x\)에 대하여, \(\operatorname{ord}_p x\)를 \(a\equiv 0\pmod {p^m}\)을 만족하는 최대의 \(m\in \mathbb{Z}_{\geq 0}\)으로 정의하자
• 유리수 \(x=a/b\)에 대해서는 \(\operatorname{ord}_p x:=\operatorname{ord}_p a-\operatorname{ord}_p b\)
• 유리수체 \(\mathbb{Q}\)위에 함수 \(|\cdot|_p\)를 다음과 같이 정의하자

\[ |x|_{p} = \begin{cases} \frac{1}{p^{\operatorname{ord}_p x}}, & \text{if \(x\neq 0\]} \\

0, & \text{if <math>x=0\)} \\ 

\end{cases} </math>

• \(|\cdot|_p\)는 다음의 성질을 만족한다

1. \(|x|_{p}=0 \iff x=0\)
2. \(|xy|_{p}=|x|_{p}|y|_{p}\)
3. \(|x+y|_{p}\leq |x|_{p}+|y|_{p}\) 뿐만 아니라, \(|x+y|_{p}\leq \operatorname{max} \{|x|_{p},|y|_{p}\}\)가 성립한다.

유리수의 p진 전개

• 주어진 소수 p에 대하여, 모든 유리수를 다음과 같은 꼴로 쓸 수 있다 (p진법 전개)

\[\sum_{k=n}^{\infty}b_{k}p^{k},\,b_k\in\{0,1,\cdots,p-1\}\]

• 정수 k가 커질수록, \(p^{k}\) 는 p진체에서 점점 0에 가까워진다
• 2-adic field에서는, \(1+2+4+8+16+32 +\cdots = \cdots 11111_{2}=-1\) 이 성립함.
• 3-adic field에서는 \(2+2\cdot3+2\cdot3^{2}+2\cdot3^{2}\cdots=\cdots 22222_{3}=-1\)
• 7-adic field에서는 \(4+3\cdot 7 +3\cdot 49+\cdots=\cdots 3334_{7} = 1/2\)

실수의 십진법 표현과의 비교

• 오른쪽으로 무한개의 소수자리
• 왼쪽으로 ...

로랑급수와의 유사성

• 로랑급수\[\frac{a_{-3}}{x^3}+\frac{a_{-2}}{x^2}+\frac{a_{-1}}{x}+a_0+ a_1 x+ a_2 x^2+ a_3x^3+ a_4x^4+\cdots\] 에서 고차항은 급수의 국소적인 행동에 작은 영향

다항식의 해

• \(\mathbb{Q}_{5}\) 에서 방정식 \(x^2+1=0\)의 두 해는 다음과 같다

\[x=2+5+2\times 5^2+5^3+3\times 5^4+4\times 5^5+2\times 5^6+3\times 5^7+\cdots\] \[x=3+3\times 5+2\times 5^2+3\times 5^3+5^4+2\times 5^6+5^7+4\times 5^8+\cdots\]

하 측도 (Haar measure)

• \((\mathbb{Q}_p,+)\)는 국소컴팩트 군이며 하 측도를 가진다
• 하 측도 \(\mu=dx\)가 \(\mu(\mathbb{Z}_p)=1\)이 되도록 선택할 수 있다
• 임의의 측도가능집합 \(A\)와 \(a\in \mathbb{Q}_p\)에 대하여 \(\mu(x A)=|x|_p \mu(A)\)가 성립한다
• 측도 \(\frac{dx}{|x|_p}\)는 \((\mathbb{Q}_p^{\times},\times)\)에 정의되는 하 측도이다
• 다음이 성립한다

\[ \operatorname{vol}_{\frac{dx}{|x|_p}}(\mathbb{Z}_p^{\times})=\int_{\mathbb{Z}_p^{\times}}\frac{dx}{|x|_p}=\int_{\mathbb{Z}_p^{\times}}\,dx=\operatorname{vol}_{dx}(\mathbb{Z}_p^{\times}) \] 여기에 \(\mathbb{Z}_p^{\times}=\cup_{a\neq 0 \mod p} (a+p\mathbb{Z}_p)\)을 이용하면, \[ \operatorname{vol}_{dx}(\mathbb{Z}_p^{\times})=(p-1)\operatorname{vol}_{dx}(p\mathbb{Z}_p)=\frac{p-1}{p} \]

• 따라서 측도 \(d^{\times}x:=\frac{p}{p-1}\frac{dx}{|x|_p}\)는 \(\operatorname{vol}_{d^{\times}x}(\mathbb{Z}_p^{\times})=1\)을 만족한다
• 실수부가 0보다 큰 복소수 \(s\)에 대하여, 다음이 성립한다

\[ \int_{\mathbb{Z}_p\backslash\{0\}}|x|_p^s\,d^{\times}x=\sum_{k=0}^{\infty}p^{-ks}\int_{\mathbb{Z}_p^{\times}}d^{\times}x=\frac{1}{1-p^{-s}} \label{eul} \]

• \ref{eul}의 첫번째 등식에서는 \(\mathbb{Z}_p\backslash\{0\}=\cup_{k\geq 0} (p^k\mathbb{Z}_p^{\times})\)을 이용하였다.
• \ref{eul}는 리만제타함수의 소수 p에 해당하는 오일러 인수(Euler factor)가 된다

메모

• Browning, Tim, and Rachel Newton. “The Proportion of Failures of the Hasse Norm Principle.” arXiv:1411.7775 [math], November 28, 2014. http://arxiv.org/abs/1411.7775.

역사

• 1897년 쿠르트 헨젤이 개념을 도입
• 1913년 헨젤 zahlentheorie
• 1920년 Hasse principle

관련된 항목들

• 베르누이 수에 대한 쿰머 합동식
• p-adic 디리클레 L-함수
• p진 감마함수(p-adic gamma function)
• 이진법
• 프랙탈
• 유한체에서 정수계수 다항식의 분해

매스매티카 파일 및 계산 리소스

• https://docs.google.com/file/d/0B8XXo8Tve1cxV1ZnSWZ4QXQ3Wms/edit

사전 형태의 자료

• http://ko.wikipedia.org/wiki/P진수]
• http://en.wikipedia.org/wiki/P-adic_number
• http://en.wikipedia.org/wiki/p-adic_analysis
• http://en.wikipedia.org/wiki/Valuation_(algebra)
• http://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_value_(algebra)
• http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrametric
• http://en.wikipedia.org/wiki/Hensel's_lemma
• http://en.wikipedia.org/wiki/Witt_vector

관련도서

• Neal Koblitz p-adic Numbers, p-adic Analysis, and Zeta-Function, Springer, 1996

리뷰, 에세이, 강의노트

• The Solution of p-Adic Equations
  • H. S. Thurston, The American Mathematical Monthly, Vol. 50, No. 3 (Mar., 1943), pp. 142-148
• Pictures of Ultrametric Spaces, the p-Adic Numbers, and Valued Fields
  • Jan E. Holly, The American Mathematical Monthly, Vol. 108, No. 8 (Oct., 2001), pp. 721-728
• Does σ∞ n=0 1/n! Really Converge? Infinite Series and p-adic Analysis
  • Edward B. Burger and Thomas StruppeckThe American Mathematical Monthly, Vol. 103, No. 7 (Aug. - Sep., 1996), pp. 565-577
• Visualizing the p-adic Integers
  • Albert A. Cuoco, The American Mathematical Monthly, Vol. 98, No. 4 (Apr., 1991), pp. 355-364
• P-Adic Binomial Coefficients \(\mod P\)
  • Roger C. Alperin, The American Mathematical Monthly, Vol. 92, No. 8 (Oct., 1985), pp. 576-578
• The p-Adic Approach to Solutions of Equations Over Finite Fields
  • Neal Koblitz, The American Mathematical Monthly, Vol. 87, No. 2 (Feb., 1980), pp. 115-118
• An Elementary Example of a Transcendental p-adic Number
  • Glen H. Suter, Mathematics Magazine, Vol. 49, No. 1 (Jan., 1976), p. 42
• The p-Adic Numbers of Hensel
  • C. C. MacDuffee, The American Mathematical Monthly, Vol. 45, No. 8 (Oct., 1938), pp. 500-508

관련논문

• Errthum, Eric. “A Division Algorithm Approach to \(p\)-Adic Sylvester Expansions.” arXiv:1508.01503 [math], August 6, 2015. http://arxiv.org/abs/1508.01503.

메타데이터

위키데이터

• ID : Q311627

Spacy 패턴 목록

• [{'LOWER': 'p'}, {'OP': '*'}, {'LOWER': 'adic'}, {'LEMMA': 'number'}]
• [{'LOWER': 'p'}, {'OP': '*'}, {'LOWER': 'adic'}, {'LOWER': 'rational'}, {'LEMMA': 'number'}]