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定理已证明

亨泽尔引理

命题陈述

设 f(X)∈Zp[X]f(X) \in \mathbb{Z}_p[X],并设 a∈Zpa \in \mathbb{Z}_p 满足 f(a)≡0(modp)f(a) \equiv 0 \pmod p 且 f′(a)≢0(modp)f'(a) \not\equiv 0 \pmod p(即模 pp 下的单根)。那么存在唯一的 α∈Zp\alpha \in \mathbb{Z}_p,使得精确地 f(α)=0f(\alpha) = 0 且 α≡a(modp)\alpha \equiv a \pmod p。

为什么成立?

这是牛顿法的 pp进表亲,区别在于它是精确收敛而非仅仅近似收敛:因为 Qp\mathbb{Q}_p 是完备的且 ∣⋅∣p|\cdot|_p 是超度量的,牛顿迭代 an+1=an−f(an)/f′(an)a_{n+1} = a_n - f(a_n)/f'(a_n) 不仅逐渐逼近一个根,而是逐位稳定下来,并在无穷多次修正之后精确落在某个根上。模 pp 下的单根被保证能唯一地“提升”为 Zp\mathbb{Z}_p 中真正的根,从而把一个有限的、可验证的同余条件变成了一个精确 pp进数的存在性证明。

证明思路

将 α\alpha 构造为逐次逼近 a=a0,a1,a2,⋯∈Zpa = a_0, a_1, a_2, \dots \in \mathbb{Z}_p 的极限,其中 an+1=an−f(an)/f′(an)a_{n+1} = a_n - f(a_n)/f'(a_n),用归纳法证明对一切 nn 都有 vp(f(an))≥n+1v_p(f(a_n)) \ge n+1 及 vp(f′(an))=vp(f′(a))=0v_p(f'(a_n)) = v_p(f'(a)) = 0(因为每一步都有 an+1≡an(modp)a_{n+1} \equiv a_n \pmod p,导数始终保持为单位元,故自始至终 f′(an)≡f′(a)≢0(modp)f'(a_n) \equiv f'(a) \not\equiv 0 \pmod p)。于是 vp(an+1−an)=vp(f(an))−vp(f′(an))≥n+1v_p(a_{n+1}-a_n) = v_p(f(a_n)) - v_p(f'(a_n)) \ge n+1,所以 (an)(a_n) 在 pp进度量下是柯西列;由 Zp\mathbb{Z}_p 的完备性,它收敛到某个 α≡a(modp)\alpha \equiv a \pmod p,而 ff 的连续性迫使 f(α)=lim⁡f(an)=0f(\alpha) = \lim f(a_n) = 0。唯一性:若 β≠α\beta \ne \alpha 是另一个满足 β≡a(modp)\beta \equiv a \pmod p 的根,则中值/泰勒展开 f(β)−f(α)=(β−α)(f′(α)+p(⋯ ))f(\beta) - f(\alpha) = (\beta-\alpha)(f'(\alpha) + p(\cdots)) 中 f′(α)f'(\alpha) 是单位元,将迫使 β=α\beta = \alpha。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Neal Koblitz (1984). p-adic Numbers, p-adic Analysis, and Zeta-Functions · DOI:10.1007/978-1-4612-1112-9
  2. Peter Scholze (2012). Perfectoid spaces · arXiv:1111.4914