內容簡介
The first one is purely algebraic. Its objective is the classification ofquadratic forms over the field of rational numbers (Hasse-Minkowskitheorem). It is achieved in Chapter IV. The first three chapters contain somepreliminaries: quadratic reciprocity law, p-adic fields, Hilbert symbols.Chapter V applies the preceding results to integral quadratic forms indiscriminant + 1. These forms occur in various questions: modular functions,differential topology, finite groups. The second part (Chapters VI and VII) uses "analytic" methods (holomor-phic functions). Chapter VI gives the proof of the "theorem on arithmeticprogressions" due to Dirichlet; this theorem is used at a critical point in thefirst part (Chapter 111, no. 2.2). Chapter VII deals with modular forms,and in particular, with theta functions. Some of the quadratic forms ofChapter V reappear here.
內頁插圖
目錄
Preface
Part I-Algebraic Methods
ChapterI Finite fields
1-Generalities
2-Equations over a finite field
3-Quadratic reciprocity law
Appendix-Another proof of the quadratic reciprocity law
Chapter II p-adic fields
1-The ring Zp and the field
2-p-adic equations
3-The multiplicative group of
Chapter II nHilbert symbol
1-Local properties
2-Global properties
Chapter IV Quadratic forms over Qp and over Q
1-Quadratic forms
2-Quadratic forms over Q
3-Quadratic forms over Q
Appendix Sums of three squares
Chapter V Integral quadratic forms with discriminant
1-Preliminaries
2-Statement of results
3-Proofs
Part II-Analytic Methods
Chapter VI-The theorem on arithmetic progressions
1-Characters of finite abelian groups
2-Dirichlet series
3-Zeta function and L functions
4-Density and Dirichlet theorem
Chapter Vll-Modular forms
1-The modular group
2-Modular functions
3-The space of modular forms
4-Expansions at infinity
5-Hecke operators
6-Theta functions
Bibliography
Index of Definitions
Index of Notations
前言/序言
This book is divided into two parts.
The first one is purely algebraic. Its objective is the classification ofquadratic forms over the field of rational numbers (Hasse-Minkowskitheorem). It is achieved in Chapter IV. The first three chapters contain somepreliminaries: quadratic reciprocity law, p-adic fields, Hilbert symbols.Chapter V applies the preceding results to integral quadratic forms indiscriminant + 1. These forms occur in various questions: modular functions,differential topology, finite groups. The second part (Chapters VI and VII) uses "analytic" methods (holomor-phic functions). Chapter VI gives the proof of the "theorem on arithmeticprogressions" due to Dirichlet; this theorem is used at a critical point in thefirst part (Chapter 111, no. 2.2). Chapter VII deals with modular forms,and in particular, with theta functions. Some of the quadratic forms ofChapter V reappear here.
The two parts correspond to lectures given in 1962 and 1964 to secondyear students at the Ecole Normale Superieure. A redaction of these lecturesin the form of duplicated notes, was made by J.-J. Saosuc (Chapters l-IV)and J.-P. Ramis and G. Ruget (Chapters VI-VIi). They were very useful tome; I extend here my gratitude to their authors.
《數論基礎:從整數到抽象》 內容提要 本書旨在為讀者提供一個堅實而全麵的數論入門基礎,內容涵蓋瞭經典數論的核心概念,並逐步引入現代代數工具,使其能夠理解更深層次的數學結構。全書結構清晰,邏輯嚴密,從最基礎的整數性質齣發,逐步拓展至代數數論的邊緣。 第一部分:整數的結構與算術基礎 本書的第一部分聚焦於我們最熟悉的數學對象——整數。 第一章:整數的完備性與基本性質 本章首先建立自然數集 $mathbb{N}$ 和整數集 $mathbb{Z}$ 的嚴格定義,采用皮亞諾公理作為起點,詳細論證瞭加法、乘法的唯一性和交換律、結閤律的成立。重點探討瞭整數的序關係,引入良序原理及其在數學歸納法中的應用。此外,還深入討論瞭絕對值函數及其三角不等式性質。 第二章:整除性與歐幾裏得算法 這是數論的基石。本章嚴格證明瞭歐幾裏得引理和帶餘除法定理,並將其作為後續所有整除性討論的基礎。隨後,詳細剖析瞭最大公約數(GCD)和最小公倍數(LCM)的概念,並運用擴展歐幾裏得算法展示瞭如何找到丟番圖方程 $ax+by=c$ 的所有整數解。本章還引入瞭裴蜀等式(Bézout's Identity)的深刻意義。 第三章:素數的本質 素數被譽為“數的原子”。本章從算術基本定理(Fundamental Theorem of Arithmetic)的嚴密證明開始,闡述瞭任何大於 1 的整數都可以唯一分解為素數的乘積。我們迴顧瞭歐幾裏得對素數無窮性的經典證明,並介紹瞭更現代的證明方法。此外,詳細分析瞭素數分布的初步情況,包括梅爾滕斯定理(Mertens' Theorems)的初步錶述,以及對孿生素數猜想等未解決問題的介紹。 第四章:同餘關係與模運算 同餘理論是連接基礎算術與抽象代數的橋梁。本章係統地介紹瞭同餘關係的定義、性質及其在 $mathbb{Z}$ 上的等價類劃分。詳細探討瞭模 $n$ 的加法環和乘法群結構。重點講解瞭歐拉定理和費馬小定理,並解釋瞭它們在密碼學中的初步應用(如 RSA 算法的原理基礎)。本章還深入討論瞭原根(Primitive Roots)的存在條件及其在周期性問題中的作用。 第二部分:數論函數與解析方法 第二部分將目光從單個整數擴展到整個集閤上的函數性質,引入瞭計數和漸近分析的工具。 第五章:經典數論函數 本章集中研究描述整數性質的幾個核心函數:歐拉 $phi$ 函數(計算小於 $n$ 且與 $n$ 互質的數的個數)、因子和函數 $sigma_k(n)$ 以及積性函數(Multiplicative Functions)的一般性質。我們證明瞭這些函數是積性的,並展示瞭如何利用素數冪上的函數值來構造一般整數上的函數值。還分析瞭除數函數的漸近行為。 第六章:連分數與近似 連分數提供瞭一種對實數進行“最佳有理數逼近”的代數工具。本章首先定義瞭有限連分數,隨後深入研究瞭無限連分數(特彆是無理數的錶示)。詳細分析瞭周期的連分數如何錶示二次無理數,並闡述瞭連分數展開在求解佩爾方程(Pell's Equation)中的關鍵作用,這是丟番圖分析中的一個重要分支。 第七章:二次剩餘與二次互反律 本章探索瞭模素數意義下的平方問題,即 $x^2 equiv a pmod{p}$ 是否有解。引入瞭勒讓德符號和雅可比符號,並詳細推導和應用瞭高斯對二次互反律(Law of Quadratic Reciprocity)的證明。本章還探討瞭如何利用二次互反律高效地判斷一個數是否為模 $p$ 的二次剩餘。 第三部分:代數結構的初步滲透 第三部分開始引入抽象代數中的概念,為讀者理解代數數論做準備。 第八章:環論基礎與高斯整數 本章將 $mathbb{Z}$ 提升到環的層麵進行考察。首先迴顧瞭交換環、整環、域的概念。然後,我們將焦點轉移到高斯整數環 $mathbb{Z}[i] = {a+bi mid a,b in mathbb{Z}}$ 上。在 $mathbb{Z}[i]$ 中重新定義瞭整除性、素因子分解,並證明瞭 $mathbb{Z}[i]$ 也是一個歐幾裏得整環,具有唯一素因子分解的性質。本章還將應用這些工具來解決一些更復雜的丟番圖方程(如 $x^4+y^4=z^2$ 的無非零整數解)。 第九章:代數整數的初步概念 本章作為代數數論的導引,介紹瞭代數數的定義。我們將重點研究二次數域 $mathbb{Q}(sqrt{d})$ 中的整數環(即 $mathbb{Z}[sqrt{d}]$ 或 $mathbb{Z}[frac{1+sqrt{d}}{2}]$)。通過引入範數(Norm)的概念,我們能夠定義 $mathbb{Z}[sqrt{d}]$ 中的“素數”(即不可約元),並指齣在這些環中,唯一素因子分解可能不再成立(例如在 $mathbb{Z}[sqrt{-5}]$ 中),從而自然地引齣理想理論的必要性。 結論與展望 全書的最後部分總結瞭本課程所覆蓋的核心主題,並展望瞭更高級的數論領域,包括解析數論(如黎曼 $zeta$ 函數與素數定理)、代數幾何與費馬大定理的現代證明,以及計算數論的前沿發展,引導讀者進行下一步的深入學習。 目標讀者 本書適閤具備微積分和綫性代數基礎的數學係本科生,以及對整數結構和代數方法有濃厚興趣的理工科學生。它不僅教授“做什麼”,更著重於“為什麼”和“如何證明”,培養嚴謹的數學思維。