动机:为什么研究 Dirichlet 特征?
因为 Dirichlet 特征可以将模运算中的同余条件转化为代数运算。
下面先介绍 Dirichlet 特征的定义,然后使用它解决一个经典的数论问题,以此展现其在问题中的作用。问题如下:
若 q∈Z>0、a∈Z 且 (a,q)=1,则存在无穷多个素数 p 满足
p≡a(modq).
定义:Dirichlet 特征(Dirichlet character)
设 q∈Z>0(q 不必为素数),模 q 的 Dirichlet 特征是一个满足下列条件的映射
χ:Z→C,
其中:
- 周期性:χ(n+q)=χ(n);
- 完全乘性:χ(ab)=χ(a)χ(b);
- 取 0 条件:χ(a)=0⟺(a,q)>1。
定义很好理解,Dirichlet 特征只是一类满足某些约束条件的函数而已。下面看几个例子,有助于我们更直观地感受 Dirichlet 特征。
例子:
-
q=1 时,χ(0)=1;
-
q=2 时,χ(0)=0,χ(1)=1;
-
q=3 时,χ(0)=0,χ(1)=1,χ(2)=±1,因为
χ(2)2=χ(4)=χ(1).
χ 在 0 和 1 处的取值
尽管定义十分简单,但是从这些定义中,我们已经能够得到一些具有一般性的性质。比如,Dirichlet 特征在一些特殊点上的取值。
性质 1. 当 q>1 时,有 χ(0)=0。
证明. (0,q)=q>1,由取 0 条件立即得到 χ(0)=0。
P.S. 从上面的例子中可以看到,在 q=1 的情况下,χ(0)=1.
性质 2. 对任意 q∈Z>0,有 χ(1)=1。
证明. χ(1)2=χ(1),故 χ(1)=0 或 1;又因 (q,1)=1,所以 χ(1)=0。
模长为 1
除了在特殊点处的取值之外,对于更一般的点,我们虽然无法得到其确切的取值情况,但是仍然有一些共同的性质。比如,模长。
性质 3. 若 (n,q)=1,则 ∣χ(n)∣=1。
证明. 由 Euler 定理,
nφ(q)≡1(modq).
利用周期性、完全乘性以及 χ(1)=1,得到
χ(n)φ(q)=χ(nφ(q))=χ(1)=1.
两边取模:
∣χ(n)∣φ(q)=1.
故 ∣χ(n)∣=1。结合取 0 条件,任意 n∈Z 均满足
∣χ(n)∣={1,0,(n,q)=1,(n,q)>1.
主特征
下面来看一个比较特殊的 Dirichlet 特征,读者可自行验证这个定义确实符合 Dirichlet 特征的定义。
定义:主特征(principal character)
模 q 的主特征定义为
χ0(n)={1,0,(n,q)=1,(n,q)>1.
记所有模 q 的特征组成的集合为 Xq. 令 G=(Z/qZ)×,则 G 是一个有限 Abel 群。下面介绍一个定理,用于计算 Xq 的大小。
性质 4.
Xq≅G.
证明. 每个 χ∈Xq 在 G 上限制为群同态 G→C×;反之,这样的群同态可唯一扩张为模 q 的 Dirichlet 特征。(读者可验证,任意从 G 到 C× 的群同态都是一个模 q 的 Dirichlet 特征)因此
Xq=G:=Hom(G,C×).
G 被称为 G 的对偶群。
又由于有限群满足:它和自己的对偶群同构。即
G≅G.
因此 Xq≅G。
从这个定理,我们可以计算 Xq 的大小,即 ∣Xq∣=∣G∣=φ(q). 由此可知,模 q 的 Dirichlet 特征一共有 φ(q) 个。下面的性质可以看作一个对上述定义和性质的运用练习,同时,它也是证明 Dirichlet 引理中的一个重要步骤。
特征正交关系
性质 5(特征正交关系). 若 (a,q)=1,则
φ(q)1χ∈Xq∑χ(a)χ(n)={1,0,n≡a(modq),n≡a(modq).
证明.
若 (n,q)>1,则所有 χ(n)=0;同时 n≡a(modq),结论成立。
以下设 (n,q)=1,并令
g=na−1∈G,S=χ∈Xq∑χ(a)χ(n).
由 ∣χ(a)∣=1,有 χ(a)=χ(a)−1,所以
S=χ∈Xq∑χ(g).
若 n≡a(modq),则 g=1,故
S=χ∈Xq∑χ(1)=∣Xq∣=φ(q).
若 n≡a(modq),则 g=1。取 ψ∈Xq 使 ψ(g)=1。映射 χ↦ψχ 是 Xq 上的双射,因此
S=χ∈Xq∑(ψχ)(g)=ψ(g)S.
因 ψ(g)=1,故 S=0。最后除以 φ(q),即得结论。