Euclidean Domain
2020-2ํ๊ธฐ, ๋ํ์์ โํ๋๋์1โ ์์ ์ ๋ฃ๊ณ ๊ณต๋ถํ ๋ฐ๋ฅผ ์ ๋ฆฌํ ๊ธ์ ๋๋ค. ์ง์ ์ ์ธ์ ๋ ํ์์ ๋๋ค :)
์ด๋ฒ ํํธ์์๋ Division Algorithm ์ ๋ํ ์ผ๋ฐํ๋ฅผ ๋ค๋ฃฌ๋ค.
Euclidean Norm & Euclidean Domain
Definition.
A Euclidean norm on an integral domain $D$
is a function $\nu$ mapping the non-zero elements of $D$ into the non-negative integers
such that the following conditions are satisfied:
-
For all $a, b \in D$ with $b \ne 0$, there exist $q$ and $r$ in $D$ s.t. $a = bq + r$, where either $r = 0$ or $\nu(r) = \nu(b)$.
-
For all non-zero $a, b \in D$, $\nu(a) \le \nu(ab)$.
โEuclidean normโ์ ๋ค๋ฅธ ๋ง๋ก โEuclidean valuationโ์ด๋ผ๊ณ ๋ ํ๋ค.
Definition.
An integral domain $D$ is an โEuclidean Domainโ
if $\exists$ a Euclidean norm on $D$.
Example.
Example.
Theorem 46.4
Every Euclidean Domain is a PID.
proof.
Let $D$ be a Euclidean Domain with a Euclidean norm $\nu$.
Let $N$ be an ideal in $D$.
If $N = \{ 0 \}$, then $N = \left< 0 \right>$ and $N$ is principal.
Supp. that $N \ne \{ 0 \}$.
Then there exist some $b \ne 0$ in $N$ s.t. $\nu (b) \le \nu (n)$ for all $n \in N$.
Claim: $N = \left< b \right>$.
Let $a \in N$, then by Condition 1 for E.D.,
there exist $q$ and $r$ in $D$ s.t.
\[a = bq + r\]where either $r = 0$ or $\nu (r) < \nu (b)$.
$r = a - bq$์ ๋ํด $a, b \in N$์ด๋ฏ๋ก $r \in N$์ด๋ค.($\because$ $N$ is an ideal)
minimal $\nu(b)$๋ก $b$๋ฅผ ๊ณจ๋์ผ๋ฏ๋ก $r$์ด $\nu(r) < \nu(b)$์ธ ๊ฒฝ์ฐ๋ ๋ถ๊ฐ๋ฅํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ $r = 0$์ด๋ค.
๋ฐ๋ผ์ $a = bq$์ด๋ค.
์ด๊ฒ์ Ideal $N$์ด principal ideal $\left< b \right>$์์ ์๋ฏธํ๋ค. $\blacksquare$
Corollary 46.5
Every Euclidean Domain is a UFD.
์์ ์ ๋ฆฌ๋ฅผ ํตํด E.D.๊ฐ PID์์ ๋ณด์๋ค. ํ์ง๋ง, ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๋ฐ๋ ๋ช ์ ๋ ์ฑ๋ฆฝํ์ง ์๋๋ค!!
PID๊ฐ E.D.๊ฐ ๋์ง ์๋ ๊ฒฝ์ฐ๋ฅผ ์ฐพ๋ ๊ฒ์ ์๊ฐ๋ณด๋ค ์ฝ์ง ์๋คโฆ
Arithmetic in Euclidean Domains
Theorem 46.5
For a E.D. with Euclidean norm $\nu$,
-
$\nu(1)$ is minimal among all $\nu(a)$ for non-zero $a \in D$.
-
$u \in D$ is a unit $\iff$ $\nu(u) = \nu (1)$.
proof.
(1๋ฒ ๋ช ์ ์ ๋ํ ์ฆ๋ช )
Euclidean norm $\nu$์ ๋๋ฒ์ฌ ์กฐ๊ฑด์ ์ํ๋ฉด ์๋๊ฐ ์ฑ๋ฆฝํ๋ค.
\[\nu(1) \le \nu(1a) = \nu(a)\]$\blacksquare$
(2๋ฒ ๋ช ์ ์ ๋ํ ์ฆ๋ช )
if $u$ is a unit in $D$, then
\[\nu (u) \le \nu (u u^{-1}) = \ne (1)\]๋ฐ๋๋ก $\nu (u) = \nu (1)$๋ผ๋ฉด, division algorithm์ ์ํด ์๋์ ์์ด ์ฑ๋ฆฝํ๋ค.
\[1 = uq + r\]where either $r=0$ or $\nu(r) < \nu(u)$
์ด๋, $\nu(1)$์ E.D.์ ๋ชจ๋ ์์์ ๋ํด minimal์ด๊ณ , $\nu(u) = \nu(1)$์ด๋ฏ๋ก $\nu(r) < \nu(u)$์ธ ๊ฒฝ์ฐ๋ ๋ถ๊ฐ๋ฅํ๋ค.
๋ฐ๋ผ์ $r=0$์ด ๋๊ณ , $1 = uq$์ด๋ฏ๋ก $u$๋ unit์ด๋ค.
$\blacksquare$
Example.
For $\mathbb{Z}$, $\nu(n) = \left| n \right|$.
$\min \nu (n) = 1 = \nu (1)$.
when $\nu(n) = 1$, $n = 1, -1$.
๊ทธ๋ฆฌ๊ณ $1, -1$์ $\mathbb{Z}$์์ unit์ด๋ค.
Example.
$F[x]$, for non-zero $f(x)$, $\nu(f(x)) = \deg f(x)$.
$\min \ne(f(x)) = 0$.
$\nu(f(x)) = 0 = \nu (1)$ $\iff$ $f$: const
Therefore, $\mathcal{U}(F[x]) = F^{*}$.
Euclidean Algorithm
โ์ ํด๋ฆฌ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆโ์ ๋ ์ ์์ GCD๋ฅผ ์ฐพ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ด๋ค.
์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ ์ ์งํฉ $\mathbb{Z}$์ ์ผ๋ฐํํ Euclidean Domain์์ ์ ์ฉํ์ฌ, โEuclidean Domain์์ GCD๋ฅผ ์ฐพ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆโ์ผ๋ก ์ผ๋ฐํ ํ ์ ์๋ค!!
์์ ๋ ๋ค๋ฃจ์ง๋ ์์์ด์, ๋ณธ ๊ธ์์๋ ์งง๊ฒ ์ธ๊ธํ๊ณ ๋์ด๊ฐ๊ฒ ๋ค.
$\mathbb{Z}$์ $F[x]$๋ ๋ํ์ ์ธ Euclidean Domain์ด๋ค.
๋ค์ ํฌ์คํธ์์ ์กฐ๊ธ ํน๋ณํ๊ณ ์ค์ํ Euclidean Domain์ธ โGaussian Integerโ์ ๋ํด ๋ค๋ฃฌ๋ค. link