En teoría de números, dado un número primop, os números p-ádicos forman unha extensión dos números racionais que é distinta dos números reais, aínda que con algunhas propiedades similares; os números p-ádicos poden escribirse nunha forma similar aos números usuais (unha tira de números en base 10 posibelmente infinita), pero con díxitos baseados nun número primop en lugar do número dez, e estendéndose cara á esquerda e non cara á dereita.
Formalmente, dado un número primo p, un número p-ádico pódese definir como unha serie formal de potencias
onde k é un número enteiro (que pode ser negativo), e cada é un número enteiro tal que
Os enteiros p-ádicos () son as series só con potencias positivas Cando as series que representan os números p-ádicos teñen termos negativos entón temos os racionais p-ádicos ().
Todo número racional pode expresarse de forma única como a suma dunha serie, como se indica arriba, con respecto ao valor absoluto p-ádico. Isto permite considerar os números racionais como números p-ádicos especiais e, alternativamente, definir os números p-ádicos como o completamento dos números racionais para o valor absoluto p-ádico, exactamente como os números reais son o completamento dos números racionais para o valor absoluto habitual.
Motivación
En liñas xerais, a aritmética modular módulo un número enteiro positivo n consiste en "aproximar" cada número enteiro polo resto da súa división por n, chamado o seu residuo módulon. A principal propiedade da aritmética modular é que o residuo módulo n do resultado dunha sucesión de operacións sobre números enteiros é o mesmo que o resultado da mesma sucesión de operacións sobre residuos módulo n.
Un método antigo, aínda de uso común, consiste en utilizar varios módulos pequenos que son coprimos por pares e aplicar o teorema chinés do resto para recuperar o resultado módulo o produto dos módulos.
Outro método descuberto por Kurt Hensel consiste en utilizar un módulo primo p, e aplicar o lema de Hensel para recuperar de forma iterativa o módulo resultado das potencias de p, Se o proceso continúa infinitamente, isto proporciona finalmente un resultado que é un número p-ádico.
Notación e exemplos
Existen varios xeitos de escribir un número p-ádico, as tres máis frecuentes son:
Como unha serie de potencias de p.
Posicional: como unha tira de números que son os coeficientes da serie de potencias
Como unha secuencia de números que representan o número módulo as potencias de p.
Como se comentou na introdución os enteiros p-ádicos son os que teñen na serie só potencias positivas () e poden representar números usuais que son enteiros, racionais, irracionais e mesmo complexos. Por outra parte os racionais p-ádicos () ao ter potencias negativas, como se verá máis adiante, serían fraccións de .
(neste caso a similitude base 7, , é máis complicada pois sería o complemento en base 7 e temos que -1/15 = en 7-ádico. A maiores como en p-ádico non ten potencias negativas o número esténdese cara a esquerda mentres que nos racionais usuais esténdese en potencias negativas cara a dereita).
Como veremos máis adiante a valoración da fracción é , por tanto procuramos .
E agora resolvemos esa ecuación módulo 5 para obter , módulo para obter , etc.
Así temos
Valoración e valor absoluto
Valoración: Todo número racional distinto de cero pódese escribir onde v, m e n son números enteiros e nin m nin n son divisíbeis por p. O expoñente v está determinado unicamente polo número racional e chámase a súa valoración valoración p-ádica. A demostración do lema resulta directamente do teorema fundamental da aritmética.
Dunha forma simple: obtemos a descomposición en factores primos do numerador e ten unha valoración que ven dada polo expoñente do factor p, facemos igual para o denominador e restamos os dous valores (por ese motivo no exemplo tiña unha valoración -1, pois 22 non ten ningún factor 5 e 85 ten un factor 51).
Valor absoluto: O valor absoluto p-ádico dun número p-ádico distinto de cero x, é para o número p-ádico cero, temos
Así temos que o valor absoluto p-ádico dun número é o recíproco do primo p elevado á súa valoración. Por tanto canto maior sexa na súa descomposición o valor da potencia de p máis pequeno é o seu valor absoluto.
Os enteiros p-ádicos son os números p-ádicos cunha valoración non negativa.
Un enteiro p-ádico pódese representar como unha secuencia
de residuos xe mod pe para cada enteiro e, satisfacendo as relacións de congruencia para i < j.
Todo número enteiro é un enteiro p-ádico. Os números racionais da forma con d coprimos con p e tamén son enteiros p-ádicos (pola razón de que d ten un inverso multiplicativo módulo pe para cada e).
Os números p-ádicos con expoñentes negativos na súa expansión non son enteiros p-ádicos.
Os enteiros p-ádicos forman un anel conmutativo, denotado ou , que ten as seguintes propiedades.
É un dominio de integridade, xa que é un subanel dun corpo, ou xa que o primeiro termo da representación en serie do produto de dúas series p-ádicas non nulas é o produto dos seus primeiros termos.
As unidades (elementos invertibles) de son os números p-ádicos de valoración cero.
A última propiedade proporciona unha definición dos números p-ádicos: o corpo dos números p-ádicos é o corpo das fraccións do completamento da localización dos enteiros no ideal primo xerado por p.
Propiedades topolóxicas
A valoración p-ádica permite definir un valor absoluto en números p-ádicos: o valor absoluto p-ádico dun número p-ádico distinto de cero x é
onde é a valoración p-ádica de x. O valor absoluto p-ádico de é Este é un valor absoluto que satisfai a desigualdade forte do triángulo xa que, para cada x e y temos
Como a métrica se define a partir dunha valoración discreta, cada bóla aberta tamén está pechada. Máis precisamente, a bóla aberta é igual á bóla pechada onde v é o menor enteiro tal que Do mesmo xeito, onde w é o maior enteiro tal que
A expansión decimal dun número racional positivo é a súa representación como serie
A expansiónp-ádica dun número racional defínese de xeito similar, pero cun paso de división diferente. Máis precisamente, dado un número primo fixo , todo número racional distinto de cero pódese escribir unicamente como onde é un número enteiro (posiblemente negativo), e son enteiros coprimos con , e é positivo. O número enteiro é a valoración p-ádica de , denotado e é o seu valor absoluto p-ádico, denotado (o valor absoluto é pequeno cando a valoración é grande). O paso da división consiste en
onde k é un número enteiro (posiblemente negativo), e cada é un número enteiro tal que Un enteiro p-ádico é un número p-ádico tal que
A expansión -ádica de é a serie formal de potencias
Se con , o proceso detense eventualmente cun resto cero; neste caso, a serie complétase con termos finais cun coeficiente cero, e daquela a representación de coincide coa representación en base-p.
O anel cociente pode identificarse co anel dos números enteiros módulo Isto pódese demostrar observando que todo enteiro p-ádico, representado pola súa serie p-ádica normalizada, é congruente módulo coa súa suma parcial cuxo valor é un número enteiro no intervalo Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis de en
Os números p-ádicos forman un corpo chamado corpo de números p-ádicos e denotado . Hai un único homomorfismo de corpos dos números racionais nos números p-ádicos, que mapea un número racional coa súa expansión p-ádica. A imaxe deste homomorfismo identifícase habitualmente co corpo dos números racionais. Isto permite considerar os números p-ádicos como unha extensión do corpo dos números racionais, e os números racionais como un subcorpo dos números p-ádicos.
O límite inverso dos aneis defínese como o anel formado polas secuencias tal que e para cada i.
Cando se realiza a aritmética nesta notación, os díxitos lévanse á esquerda. Tamén é posible escribir expansións p-ádicas para que as potencias de p aumenten de esquerda a dereita e os díxitos sexan levados cara á dereita. Con esta notación de esquerda a dereita a expansión 3-ádica de é
Propiedades modulares
O anel cociente pódese identificar co anel dos enteiros [[aritmética modula número enteiro p-ádico, representado pola súa serie p-ádica normalizada, é congruente módulo coa súa suma parcial cuxo valor é un número enteiro no intervalo Unha verificación sinxela mostra que isto define un isomorfismo de aneis desde ata
O límite inverso dos aneis defínese como o anel formado polas secuencias tal que e para todo i.
A correspondencia que mapea unha serie p-ádica normalizada coa secuencia das súas sumas parciais é un isomorfismo de aneis de no límite inverso de Isto proporciona outra forma de definir os números enteiros p-ádicos (ata un isomorfismo).
Esta definición de enteiros p-ádicos é especialmente útil para cálculos prácticos, xa que permite construír enteiros p-ádicos mediante aproximacións sucesivas.
Por exemplo, para calcular o inverso p-ádico (multiplicativo) dun número enteiro, pódese usar o método de Newton, comezando polo inverso módulo p; entón, cada paso de Newton calcula o inverso módulo a partir do inverso módulo
O mesmo método pódese usar para calcular a raíz cadradap-ádica dun número enteiro que é un residuo cuadrático módulo p. Este parece ser o método máis rápido coñecido para comprobar se un enteiro grande é un cadrado: abonda con comprobar se o enteiro dado é o cadrado do valor atopado en . Aplicar o método de Newton para atopar a raíz cadrada require que sexa maior que o duplo do número enteiro dado, o que se satisfai rapidamente.
O levantamento de Hensel é un método similar que permite "elevar" o módulo de factorización p dun polinomio con coeficientes enteiros a un módulo de factorización para valores grandes de n. Isto úsase habitualmente nos algoritmos de factorización polinómica.
Os reais e os números p-ádicos son os completamentos dos racionais; tamén é posíbel completar outros corpos, por exemplo os corpos numéricos alxébricos en xeral, dun xeito análogo, como imos ver.
Supoña que D é un dominio de Dedekind e que E é o seu corpo de fraccións. Escollemos un ideal principal distinto de cero P de D. Se x é un elemento distinto de cero de E, entón xD é un ideal fraccional e pódese factorizar de forma única como un produto de potencias positivas e negativas de potencias distintas de cero de ideais principais de D. Escribimos ordP(x) para denotar o expoñente de P nesta factorización, e para calquera opción de número c maior que 1 podemos definir
O completamento con respecto a este valor absoluto |⋅|P é un corpo EP, esta é a xeneralización natural do corpo dos números p-ádicos para esta definición. A elección de c non muda o completamento (diferentes opcións producen o mesmo concepto de secuencia de Cauchy, polo tanto o mesmo completamento). É conveniente, cando o corpo de residuosD/P é finito, tomar como c o tamaño de D/P.
Por exemplo, cando E é un corpo numérico, o teorema de Ostrowski di que todo valor absoluto non arquimediano non trivial en E' ' xorde como algúns |⋅|P. Os restantes valores absolutos non triviais en E xorden dos diferentes metgullos de E nos números reais ou complexos. (De feito, os valores absolutos non arquimedianos poden considerarse simplemente como os diferentes mergullos de E nos corpos Cp, poñendo así o descrición de todos
os valores absolutos non triviais dun corpo numérico nunha base común.)
Moitas veces, hai que facer un seguimento simultáneo de todos os completamentos arriba mencionados cando E é un corpo numérico (ou máis xeralmente un corpo global), que se ven como unha especie de codificación de información "local". Isto conséguese mediante os aneis adélicos e os grupos de ideles.
Os enteiros p-ádicos pódense estender a solenoides p-ádicos . Hai un mapa desde ata o grupo de círculos cuxas fibras son os enteiros p-ádicos , en analoxía a como hai un mapa desde ata o círculo cuxas fibras son .
Dedekind, Richard; Weber, Heinrich (2012). Theory of Algebraic Functions of One Variable. History of mathematics 39. American Mathematical Society. ISBN978-0-8218-8330-3.. — Translation into English by John Stillwell of Theorie der algebraischen Functionen einer Veränderlichen (1882).