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A p-parte do grupo das classes

No documento pextensões galoisianas e aplicações (páginas 48-53)

O grupo das classes de um corpo de n´umeros, desempenha papel central na Teoria dos Corpos de Classes, atrav´es das suas liga¸c˜oes com o grupo das unidades, extens˜oes n˜ao ramificadas e outros t´opicos da Teoria dos N´umeros. A determina¸c˜ao da estrutura do grupo das classes H(F ) de um corpo de n´umeros F pode ser uma grande tarefa nesse que ´e um dos problemas importantes na Teoria dos N´umeros Computacional.

A p-parte, ou o subgrupo p-Sylow, de H(F ) ´e importante por exemplo na Teoria de Iwasawa, curvas el´ıticas e tamb´em por muito tempo foi de grande interˆesse para o ´Ultimo Teorema de Fermat, visto o famoso crit´erio de Kummer que diz: se p ∤|H(Q(ζp))| ent˜ao

xp+ yp = zp n˜ao tem solu¸c˜ao inteira n˜ao trivial, conforme (WASHINGTON, Teorema 1.1,

p.1).

Nesta Se¸c˜ao focaremos o grupo das classes H(L) de uma p-EG. Podemos es- crever, H(L) = H(L)p⊕H(L)6=p, onde H(L)p ´e a p-parte de H(L) e H(L)6=p a parte prima

com p de H(L). A cardinalidade de H(L), isto ´e, o n´umero de classes de L, ´e denotado por h(L). Aqui nos propomos a apresentar um m´etodo aritm´etico para caracterizar H(L)p.

Conhecemos por (LEOPOLDT) que p ∤ h(L), se e somente se, exatamente um n´umero primo se ramifica em L. Conner e Hurrelbrink (CONNER and HURRELBRINK) provaram que se p || h(L), ent˜ao exatamente dois n´umeros primos se ramificam em L. Reciprocamente, por (CONNER and HURRELBRINK, Teorema 2.69) se exatamente dois primos p1 e p2 se ramificam e p6= p1, p2 ent˜ao p|| H(L), se e somente se, ou p1 n˜ao ´e uma

p-´esima potˆencia m´odulo p2 ou p2 n˜ao ´e uma p-´esima potˆencia m´odulo p1. Recordamos

que um n´umero inteiro a ´e um p-´esimo res´ıdo m´odulo um n´umero primo q, se a n˜ao ´e divis´ıvel por q e a congruˆencia xp ≡ a (mod q) possui solu¸c˜ao (GAUSS ). Pelo crit´erio

de Euler, (USPENSKY and HEASLET) a ´e um p-´esimo res´ıduo m´odulo q, se e somente se, a(q−1)p ≡ 1 (mod q). Denotamos (a|q)

p = 1, se a ´e um p-´esimo res´ıduo m´odulo q, caso

contr´ario denotamos (a|q)p =−1. Se a ´e um ideal fracion´ario de OL, [a] denota a classe

de equivalˆencia de a em OL. Recordamos que L ´e uma p-EG de condutor n = p1. . . ps,

onde p1, . . . , ps s˜ao primos distintos, pi ≡ 1 (mod p), i = 1, . . . , s.

Observamos que, com o conceito de p-´esimo res´ıduo m´odulo q, a Proposi¸c˜ao 4.2 da Se¸c˜ao 4.2 pode ser reescrita da seguinte forma:

Sejam L uma p-EG de condutor n = p1 · . . . · ps, onde p1, . . . , ps s˜ao primos

distintos e pi o ideal primo de OL tal que piOL = ppi, i ∈ {1, . . . , s}. Se pi ´e principal,

ent˜ao pi ´e um p-´esimo res´ıduo m´odulo pj, para j ∈ {1, . . . , s}, j 6= i.

Corol´ario 4.5 Com a nota¸c˜ao acima, se (pi|pj)p =−1 para i, j ∈ {1, . . . , s} com i 6= j,

ent˜ao h[pi]i ∼= (Z/pZ) e consequentemente, H(L)p ´e n˜ao trivial.

Exemplo 4.7 Sejam p = 3, p1 = 7, p2 = 13, e L uma p-EG de condutor n = 91.

Por (CONNER and HURRELBRINK, Teorema 2.69) citado no in´ıcio desta Se¸c˜ao, como

3||h(L) ent˜ao |H(L)3| = 3. Do Corol´ario 4.5, p7 ´e n˜ao principal pois (7|13)3 = −1.

Assim, H(L)3 =h[p7]i.

A Tabela 1 lista H(L)3, onde L ´e uma p-EG de condutor n = p1p2, p1, p2 ∈

n p1 p2 (p1|p2)3 (p2|p1)3 H(L)3 91 7 13 −1 1 h[p7]i 133 7 19 1 −1 h[p19]i 217 7 31 −1 −1 h[p7]i 259 7 37 −1 −1 h[p7]i 301 7 43 −1 1 h[p7]i 247 13 19 −1 −1 h[p13]i 403 13 31 −1 1 h[p13]i 481 13 37 −1 −1 h[p13]i 559 13 43 −1 −1 h[p13]i 589 19 31 −1 1 h[p19]i 703 19 37 −1 1 h[p19]i 817 19 43 −1 −1 h[p19]i 1147 31 37 1 −1 h[p37]i 1333 31 43 −1 −1 h[p31]i 1591 37 43 −1 1 h[p37]i

Tabela 1: H(L)p Para certos corpos c´ubicos de condutor p1p2

Exemplo 4.8 Sejam p = 3, p1 = 7, p2 = 13, p3 = 19, n = p1p2p3 = 1729 e L uma p-EG

de condutor n. Como (7|13)3 = (13|19)3 = (19|7)3 =−1, ent˜ao p7, p13 e p19, s˜ao todos

n˜ao principais. Assim 3 divide h(L).

No Exemplo 4.8, se n´os pudermos provar que h[p7]i 6= h[p13]i, poderemos con-

cluir que H(L)3 tem um subgrupo isomorfo a (Z/3Z)2 e ent˜ao que h(L) ´e um m´ultiplo de

32. Isto ser´a dado depois da prova do Corol´ario 4.6.

Teorema 4.7 (WAERDEN, p.184) Sejam I um ideal fracion´ario principal de OL e

q1, . . . , qr ideais primos de OL. Ent˜ao I pode ser escrito como o quociente

(α)

(β) de dois

ideais inteiros principais, tais que nenhum dos ideais qi, i = 1, . . . , r divide (α) e divide

(β).

Corol´ario 4.6 Sejam a = pa1

i1, . . . , p au iu e b = p b1 j1, . . . , p bv jv, onde 1≤ r < i1 < . . . < iu ≤ s e 1≤ r < j1 < . . . < jv ≤ s. Se [a] = [b] ent˜ao Qu ℓ=1p aℓ iℓ Qv ℓ=1p bℓ jℓ pk ! p = 1 for k = 1, . . . , r.

Demonstra¸c˜ao: Considere o ideal I = Qu

ℓ=1p aℓ iℓ Qv ℓ=1p bℓ jℓ −1

. Como [a] = [b] ent˜ao I ´e principal e I = ((a)/(b)), onde a, b ∈ OL e b 6= 0. Pelo Teorema 4.7 podemos

aplicando a norma a ambos os lados de u Y ℓ=1 paℓ iℓ = ((a)/(b))· v Y ℓ=1 pbℓ jℓ, obtemos u Y ℓ=1 paℓ iℓ = NL/Q(a/b)· v Y ℓ=1 pbℓ jℓ,

Para cada 1 ≤ k ≤ r, existe ck ∈ {1, . . . , pk − 1} tal que a/b ≡ ck (mod pk) e assim

θj(a/b)≡ c

k (mod pk) para j = 1, . . . , p− 1. Como NL/Q(a/b) = NL/Q(a/b), segue que

NL/Q(a/b) = p−1 Y j=1 θj(a/b)≡ cpk (mod p), isto ´e, u Y ℓ=1 paℓ iℓ ≡ c p k· v Y ℓ=1 pbℓ jℓ (mod pk). Com isso, o corol´ario est´a provado.

 Exemplo 4.9 (continua¸c˜ao do Exemplo 4.8) Vimos no Exemplo 4.8 que p7, p13 e p19,

n˜ao s˜ao principais, ent˜ao (i) 13

7

19



3 = (10| 19)3 = −1, assim pelo Corol´ario 4.6, conclu´ımos que

[p7]6= [p13]. (ii) 132 7 19 

3 = (16| 19)3 = −1, assim pelo Corol´ario 4.6, conclu´ımos que

[p7]6= [p13]2.

Usando (i) e (ii) conclu´ımos que 32 | h(L). Ademais, h[p

7]i × h[p13]i ´e um

subgrupo de H(L)p isomorfo `a (Z/3Z)2.

O pr´oximo teorema ´e o principal resultado desta se¸c˜ao. Satisfeitas as hip´oteses, ele nos d´a um m´etodo para determinar subgrupos de H(L)p.

Teorema 4.8 Com a nota¸c˜ao acima, sejam p1, . . . , pr, r≤ s, tais que

(pi|pk)p = 1 e (pk−1|pk)p =−1

para k = 2, . . . , r e i = 1, . . . , k− 2. Ent˜ao

Demonstra¸c˜ao: Usaremos indu¸c˜ao sobre r. O caso r = 2 est´a no Corol´ario 4.5, assim consideraremos agora 2 < r < s. Supondo que

(pi | pk)p = 1 e (pk−1 | pk)p =−1 para k = 2, . . . , r + 1, i = 1, . . . , k− 2

mostraremos que

h[p1], . . . , [pr−1], [pr]i ∼= (Z/pZ)r.

Para justificar esse isomorfismo, basta mostrar que [pr] ∈/ h[p1], . . . , [pr−1]i,

uma vez que pelo Corol´ario 4.5, h[pr]i ∼= (Z/pZ). Supondo, por contradi¸c˜ao,

que [pr] = [p1]e1 · . . . · [pr−1]er−1, para alguma escolha de inteiros e1, . . . , er−1, isto ´e,

[pr] = [pe11 · . . . · p er−1 r−1]. Pelo Corol´ario 4.6, N p e1 1 · . . . · p er−1 r−1 pr  ≡ cpr+1 (mod pr+1), isto ´e, r−1 Y i=1 pei i ≡ c p r+1· pk−1 (mod pr+1),

para algum cr+1 ∈ {1, . . . , pr+1 − 1}. Como (pi | pk)3 = 1 para i = 1, . . . , r + 1, essa

´

ultima congruˆencia implica que (pr | pr+1)p = 1, o que ´e uma contradi¸c˜ao. Assim,

[pr] /∈ h[p1], . . . , [pr−1]i, como quer´ıamos.

 Exemplo 4.10 Sejam p = 3, p1 = 7, p2 = 13, p3 = 19, p4 = 223, p5 = 373,

n = p1 · . . . · p5 = 143816491 e L uma p-EG de condutor n. Temos o seguinte:

(i) (p1 | p2)3 =−1;

(ii) (p1 | p3)3 = 1, (p2 | p3)3 =−1;

(iii) (p1 | p4)3 = (p2 | p4)3 = 1, (p3 | p4)3 =−1;

(iv) (p1 | p5)3 = (p2 | p5)3 = (p3 | p5)3 = 1, (p4 | p5)3 =−1

Pelo Teorema 4.8, H(L)3 possui um subgrupo gerado por [p7], [p13], [p19] e [p223]. Assim,

h(L) ´e um m´ultiplo de 34.

Exemplo 4.11 Sejam p = 5, p1 = 11, p2 = 31, p3 = 61, p4 = 191, p5 = 541,

n = p1 · . . . · p5 = 2149388131 e L uma p-EG de condutor n. Temos o seguinte:

(i) (p1 | p2)5 =−1;

(iii) (p1 | p4)5 = (p2 | p4)5 = 1, (p3 | p4)5 =−1;

(iv) (p1 | p5)5 = (p2 | p5)5 = (p3 | p5)5 = 1, (p4 | p5)5 =−1

Pelo Teorema 4.8, H(L)5 possui um subgrupo gerado por [p11], [p31], [p61] e [p191]. Assim,

h(L) ´e um m´ultiplo de 54.

Conclu´ımos dizendo que apresentamos nesta Se¸c˜ao, um m´etodo para determi- nar subgrupos da p-parte do grupo das classes de uma p-EG de condutor n = p1· . . . · ps,

pi primo, pi ≡ 1 (mod p), i = 1, . . . , s. Sua efic´acia depende da suposi¸c˜ao de pi ser

um p-´esimo res´ıduo m´odulo pj para j = 1, . . . , i− 2, mas n˜ao ser um p-´esimo res´ıduo

m´odulo pi−1 para i = 2, . . . , r. Apesar desta limita¸c˜ao o m´etodo nos permitiu resolver v´arios casos, que de outra forma, poderia ser computacionalmente trabalhoso. Portanto a t´ecnica aqui apresentada poderia ser aplicada antes desses algor´ıtmos, reduzindo assim seus ‘custos’ operacionais. As limita¸c˜oes da t´ecnica apresentada nos ´e desconhecida e ser´a assunto para futuras pesquisas. Finalmente, no caso em que dois primos se ramificam, nenhum dos quais igual `a p, o (CONNER and HURRELBRINK, Teorema 2.69), ao qual n´os nos referimos no in´ıcio desta Se¸c˜ao, estabelece que p || h(L), contanto que um dos dois, (p1 | p2)p ou (p2 | p1)p, n˜ao seja 1. Nossos exemplos mostraram que quando r ≥ 3,

ou seja, quando trˆes ou mais primos se ramificam, e certas condi¸c˜oes de ‘residualidade’ se verificam, ent˜ao uma potˆencia de p, maior do que 1, divide h(L). Determinar exatamente essa potˆencia ´e um assunto a ser estudado.

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