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2015-05-23

コブリッツ「楕円曲線と保型形式」 第1章§1.2の演習問題

※MathJaxの数式表示に少し時間がかかります。

1. 巻末ヒントの通りy\to y/n^2, x\to x/n

2.
(a) v=t(u+1) (u\ne-1)をu^2+v^2=1に代入して整理すれば、[(1+t^2)u-(1-t^2)](u+1) =0だからu=(1-t^2)/(1+t^2), v=2t/(1+t^2)

(b) n=XY/2=Z^2uv/2よりn/Z^2=uv/2=t(1-t^2)/(1+t^2)^2

(c)(-t, (1+t^2)/Zについて、(b)により(-t)^3-(-t) =t(1-t^2) =n[(1+t^2)/Z]^2だから、この点はny^2=x^3-x上にある。したがって演習問題1により(-nt, n^2(1+t^2)/Z)y^2=x^3-n^2x上にある。

X/Z=(1-t^2)/(1+t^2)t^2について解いてt^2=\frac{\displaystyle Z-X}{\displaystyle Z+X}なので1+t^2=\frac{\displaystyle 2Z}{\displaystyle Z+X}これよりy=\frac{\displaystyle 2n^2}{\displaystyle Z+X}また\frac{\displaystyle x}{\displaystyle y}=-\frac{\displaystyle Zt}{\displaystyle n(1+t^2)} =-\frac{\displaystyle Y}{\displaystyle 2n}だから、x=-\frac{\displaystyle nY}{\displaystyle Z+X}

(d) 命題1.2との辻褄がわからない・・・。

(e) (c)の結果を用いて、巻末ヒントの通りの表を得る。

3.
(a)
XYの間の角を\thetaA=\cos\theta, B=\sin\thetaとする。n=BXY/2、また余弦定理によりZ^2=X^2+Y^2-2AXYである。命題1.1の証明と同様にして、\left(\frac{\displaystyle X\pm Y}{\displaystyle 2}\right)^2=\left(\frac{\displaystyle Z}{\displaystyle 2}\right)^2+\frac{\displaystyle n(A\pm1)}{\displaystyle B}\tag{1}なので、(1)の複号+の式と-の式を辺々かけて、u=Z/2, v=(X^2-Y^2)/2とし、A^2+B^2=1より-B^2=(A+1)(A-1)も用いればv^2=u^4+\frac{\displaystyle 2nA}{\displaystyle B}u^2-n^2\tag{2}§1.2冒頭と同様にx=u^2, y=uvとして、求める3次方程式y^2=x^3+\frac{\displaystyle 2nA}{\displaystyle B}x^2-n^2x\tag{3}を得る。

(b)
(a)の(3)式において、演習問題1の逆変換y\to n^2y, x\to nxを行えば、ny^2=x^3+\frac{\displaystyle 2A}{\displaystyle B}x^2-x\tag{4}である。\lambda=B/(A+1)なので、-\lambda+\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \lambda}=\frac{\displaystyle 2A}{\displaystyle B}\tag{5}だから、(4)はny^2=x(x-\lambda)\left(x+\frac{\displaystyle 1}{\displaystyle \lambda}\right)\tag{6}となる。

2015-05-14

コブリッツ「楕円曲線と保型形式」 第1章§1.1の演習問題

※MathJaxの数式表示に少し時間がかかります。

1. Silverman (2006)の第2章に証明がある。

2.

3.
(a) 1が合同数と仮定すると、X^2+Y^2=Z^2\tag{1}XY=2\tag{2}を同時に満たすX,Y,Z\in\mathbb{Q}が存在する。(1)\pm2\times(2)から(X\pm Y)^2=Z^2\pm4\tag{3}これらの両辺の積をとって(X^2-Y^2)^2=Z^4-2^4\tag{4}X,Y,Zの分母の最小公倍数をlとし、(4)の両辺にl^4をかければ[(lX)^2-(lY)^2]^2=(lZ)^4-(2l)^4\tag{5}で、lX,lY,lZ\in\mathbb{N}だから、方程式x^4-y^4=u^2は整数解x=lZ, y=2l, u=(lX)^2-(lY)^2を持つ。

(1)の両辺にl^2をかければ(lX)^2+(lY)^2=(lZ)^2\tag{6}なのでlX,lY,lZはPythagoras数。

X=n_{x}/d_{x}, Y=n_{y}/d_{y} , Z=n_{z}/d_{z}(\text{gcd}(n_{x},d_{x})= \text{gcd}(n_{y},d_{y})= \text{gcd}(n_{z},d_{z})=1)とする。1.1節冒頭の平方因子の議論と同様に、n_{x},n_{y},n_{z}に共通因子があれば、XY\in\mathbb{N}は平方因子を持つ。が、これはXY=2と矛盾する。故にn_{x},n_{y},n_{z}に共通因子はない。

Y=2/X=2d_{x}/n_{x}において、n_{x}が素因子2を含むなら、d_{x}は素因子2を含まない。n_{x}=2n'_{x}としてn_{y}=d_{x}, d_{y}=n'_{x}なので、\text{gcd}(d_{x},d_{y})=\text{gcd}(d_{x},n'_{x})=1n_{x}が素因子2を含まないなら、n_{y}=2d_{x}, d_{y}=n_{x}なので、\text{gcd}(d_{x},d_{y})= \text{gcd}(d_{x},n_{x})= 1となり、いずれにせよ\text{gcd}(d_{x},d_{y})= 1である。Z^2=X^2+Y^2=\frac{\displaystyle{n_{x}^{2}d_{y}^{2}+n_{y}^{2}d_{x}^{2}}}{\displaystyle{d_{x}^2d_{y}^2}}で、d_{z}^{2}は分母d_{x}^{2}d_{y}^{2}を分子n_{x}^{2}d_{y}^{2}+n_{y}^{2}d_{x}^{2}と約分して現れるから、d_{z}|(d_{x}d_{y})となる。以上のことからl=d_{x}d_{y}

d_{x}d_{y}/d_{z}=m\in\mathbb{N}とすると、(6)はn_{x}^2+n_{y}^2=(mn_{z})^2\tag{7}である。n_{x},mn_{z}が共通の素因子g\ge2をもてば、
n_{y}^{2}=(mn_{z})^{2}-n_{x}^2\tag{8}が素因子gをもつ。したがってg|n_{y}となるから\text{gcd}(n_{x},n_{y})\ge gとなり、n_{x},n_{y}に共通因子がないことと矛盾する。故に\text{gcd}(n_{x},mn_{z})=1、同様に\text{gcd}(n_{y},mn_{z})=1だから、n_{x},n_{y},mn_{z}は原始Pythagoras数。よってn_{x},n_{y}の偶奇は互いに逆だからu= (lX)^2-(lY)^2= n_{x}^2-n_{y}^2は奇数。

(b) (問題文の「フェルマーの最終定理はその系である」は「フェルマーの最終定理の系である」の誤訳(google booksで一部見られる原書で確認))。
x^4=u^2+y^2とみても、巻末ヒントにあるHardy & Wright (1960) 13.3節のような降下法の議論にもっていけない・・・。

4.
固定されたn\in\mathbb{N}に対し、同一のxを与える2つの正の有理数の3つ組(X,Y,Z), (X',Y',Z')があったとすると、命題1.1の証明で既に示されたことから4x= Z^2= Z'^2よりZ= Z'。また(X\pm Y)^2=4x\pm4n(X'\pm Y')^2=4x\pm4nなので複号+の式を辺々引いて整理すれば(X+Y)^2=(X'+Y')^2これより(X-X')+(Y-Y')=0\tag{1}同様に複号-の式から(X-X')-(Y-Y')=0\tag{2}(1)(2)からX=X', Y=Y'を得る。

5.
(a) n=5に対し、X=3/2, Y=20/3, Z=41/6なので、命題1.1からx=41^2/12^2=1681/144

(b) n=6に対し、X=3, Y=4, Z=5なので、命題1.1からx =5^2/2^2 =25/4

(c) 計算機で探索して、分母・分子が100以下の有理数の中ではx =29^2/2^2 =841/4, x =37^2/2^2 =1369/4が見つかる。

6.
(a) p(x,y,z) =2x^2+y^2+32z^2, q(x,y,z) =2x^2+y^2+8z^2とする。n =2x^2+y^2+32z^2 =2x^2+y^2+8(2z)^2なので、整数の3つ組(x,y,z) =(a,b,c)について、n =p(a,b,c)n =q(a,b,2c)は同値。

Tunnelの定理(B)が成り立つとすると、n =p(x,y,z)となる(x,y,z)N個あるとすれば、
n =q(x,y,z)となる(x,y,z)2N個ある。n =q(x,y,z)となる(x,y,z)のうち、zが偶数であるものは、N個なので、zが奇数のものも2N-N =N個。よってn =q(x,y,z)となる(x,y,z)のうちzが奇数であるものと、zが偶数であるものの数は等しい。

(b)

7.
(a) 巻末ヒントにより、n \equiv5 \text{ or } 7 \pmod{8}なら、n=2x^2+y^2+8z^2を満たす整数の3つ組(x,y,z)は存在しないので、zが偶数の3つ組と奇数の3つ組は共に0個だから、演習問題6(a)によりTunnelの定理(B)の条件が満たされる。

(b) 41

(c) 演習問題2を使って計算機で原始Pythagoras数を探索すると、1500番目くらいに合同数41を与える組(123/20, 40/3, 881/60)が見つかる。