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第3問

kk を正の整数とし、SS を奇素数からなる有限集合とする。SS の元を円周上に並べたとき、隣り合う任意の二元の積が、ある正の整数 xx に対して x2+x+kx^2+x+k の形になるような並べ方が、(回転と鏡映を除いて)高々一通りしかないことを証明せよ。
ステップ 4/6: 良い数の条件をノルムとして書き換える
ざっくり言うと

T2+T+kT^2+T+k の根で生成される環で作業すると、良い数の積は代数的整数の積のノルムになり、きれいに乗法的にふるまう。

n2+n+k=Norm⁡(n−α)n^2+n+k=\operatorname{Norm}(n-\alpha)
詳しい解説

α2+α+k=0\alpha^2+\alpha+k=0 を満たす α∈C\alpha\in\mathbb{C} を固定し、n∈Z[α]n\in\mathbb{Z}[\alpha] に対して Norm⁡(n)=nnˉ\operatorname{Norm}(n)=n\bar n(αˉ=−1−α\bar\alpha=-1-\alpha は共役根)と定義する。すると任意の整数 nn に対して n2+n+k=Norm⁡(n−α)n^2+n+k=\operatorname{Norm}(n-\alpha) となるので、nn が良いとは、この特別な形の代数的整数 n−αn-\alpha に対して n=Norm⁡(n−α)n=\operatorname{Norm}(n-\alpha) となることに他ならない。