נוסחת מספר המחלקה של דדקינד

בתורת המספרים נוסחת מספר המחלקה של דדקינד היא נוסחה המקשרת בין מספר מחלקה של שדה מספרים <math>K</math> ושארית של פונקציית <math>\zeta</math> של דדקינד המתאימה לשדה - <math>K</math> ב-1. את הנוסחה הוכיח דדקינד.
==רקע==
במחצית השנייה של המאה ה-19 כתב ריכרד דדקינד את הספר הרצאות בתורת המספרים (Vorlesungen über Zahlentheorie). הספר סיכם את עבודותיו של דיריכלה על תורת המספרים האנליטית והכיל עבודות של דדקינד. בספר זה הוא ניסח מחדש את הוכחת משפט דיריכלה על מספרים ראשוניים בסדרה חשבונית בצורה מודרנית וקונספטואלית יותר.
חלק חשוב בהכחתו של דיריכלה הייתה נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה. דדקינד ניסח מחדש את הנוסחה ואת הוכחתה במונחים קונספטואליים ומודרניים יותר. דבר זה אפשר לו לנסח ולהוכיח נוסחה כללית בהרבה שנקראת נוסחת מספר המחלקה של דדקינד.

נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה נותנת קשר בין מספר המחלקה של מספר שלם ובין ערך של פונקציית L של דיריכלה מתאימה.
נוסחת מספר המחלקה של דדקינד נותנת קשר בין מספר המחלקה של שדה מספרים ולבין הקוטב בנקודה 1 של פונקציית זטא של דדקינד מתאימה.
קל להסיק את נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה מזאת של דדקינד (ראו להלן).

הן מספר המחלקה של שדה מספרים והן פונקציית זטא שלו קשורות לחוג השלמים של השדה.
===חוג השלמים של שדה מספרים ===

בהינתן שדה מספרים חוג השלמים ב- הוא אוסף האיברים ב- שמקיימים משוואה פולינומית מתוקנת עם מקדמים ב- . באופן מפורש: <math display="block">O_K=\{x\in K|\exists a_0,\dots a_n \in \Z \text{ s.t. } x^{n+1}+a_nx^n+\dots +a_0=0\}</math> החוג הוא תחום דדקינד.

===מספר המחלקה של שדה מספרים ===

בהינתן שדה מספרים נסמן ב- את חוג השלמים ב- . זה הוא תחום דדקינד.
חבורת מחלקות האידיאלים של מוגדת להיות חבורת מחלקות האידיאלים של החוג . מספר המחלקה <math>h(K)</math> של מוגדר להיות הסדר של חבורה זאת.

===פונקציית זטא של דדקינד ===

פונקציית זטא של דדקינד עבור שדה מספרים <math>\,K</math> היא ההמשכה האנליטית של
<math display="block">\zeta_K(s)=\sum_{I\sub\mathcal O_K}\big(N^K_{\mathbb Q}(I)\big)^{-s},</math>
כאשר <math>\,I</math> עובר על האידיאלים (הלא טריוויאליים) של חוג השלמים <math>\mathcal O_K</math>, ו-
<math display="block">N^K_{\mathbb Q}(I):=[\mathcal O_K : I]:=|\mathcal O_K / I|</math>
הנורמה של <math>\,I</math>.

אם <math>\,K</math> הוא שדה המספרים הרציונליים, מתקבלת פונקציית זטא של רימן. גם במקרה הכללי, הטור המתאר את פונקציית זטא מתכנס עבור <math>\ \mbox{Re}(s)>1</math>, וקיימת עבורו המשכה לפונקציה מרומורפית בכל המישור המרוכב, עם קוטב פשוט יחיד ב-<math>\ s=1</math>.

בנוסחת מספר המחלקה מופיעה השארית של <math>\zeta_K</math> בקוטב זה. אולם למעשה אין צורך באנליזה מרוכבת כדי לנסח או להוכיח את נוסחת מספר המחלקה. לצורך העינין ניתן להגדיר את השארית בתור <math display="block">\lim_{s\to 1}(s-1)\zeta_K(s).</math>

==הנוסחה==
נקבע שדה מספרים <math>K</math>
מלבד שארית פונקציית זטא של דדקינד ומספר המחלקה, הנוסחה מכילה גדלים נוספים:
# מספר השיכונים <math>r_1(K)</math> של <math>K</math> לתוך .
# מספר השיכונים <math>2r_2(K)</math> של <math>K</math> לתוך שתמונתם לא ב- . נשים לב שזהו מספר זוגי מכיוון שעבור כל שיכון כזה יש גם את הצמוד המרוכב שלו.

# הרגולטור <math>Reg(K)</math> של <math>K</math>. זהו גודל שקשור לחבורת ההפיכים <math>O_K^\times</math> בחוג השלמים <math>O_K</math> של <math>K</math>
# חבורת שורשי היחידה <math>\mu_\infty(K)</math> ב- <math>K</math>.
# הסדר <math>|\mu_\infty(K)|</math> של חבורה זו.
#הדיסקרימיננטה <math>D(K)</math> של <math>K</math>.
הנוסחה היא:
<math display="block"> \lim_{s \to 1} (s-1) \zeta_K(s) = \frac{2^{r_1(K)} \cdot(2\pi)^{r_2(K)} \cdot \operatorname{Reg}(K) \cdot h(K)}{|\mu_\infty(K)| \cdot \sqrt{|D(K)|}}</math>

==רעיון הוכחת הנוסחה==
ההוכה מתבססת על "חישוב" הטור <math>\zeta_K(s)</math>. החישוב איננו מדויק אלא מקורב, אך הקירוב מספיק טוב כדי לא להשפיע על הגבול
<math>\lim_{s\to 1} (s-1)\zeta_K(s)</math>. החישוב הוא במונחים של הגדלים הגדלים
<math>r_1(K)</math>,
<math>r_2(K)</math>,
<math>h(K)</math>,
<math>Reg(K)</math>,
<math>|\mu_\infty(K)|</math> ו - <math>D(K)</math>
ולכן הם נמצאים באגף ימין של הנוסחה.

החישוב מתבסס על השלבים הבאים:
# קירוב הסכימה על כל האידיאלים בסכימה על אידיאליים ראשיים בלבד.
# החלפת הסכימה על כל האידיאלים הראשיים בסכמה על חלק מאיברי חוג השלמים <math>\mathcal O_K</math>.
# קירוב הסכימה באינטגרל.
# חישוב של האינטגרל.
===רדוקציה לסכימה על אידיאלים ראשיים===
הסכום ב- <math>\zeta_K(s)</math> הוא סכום על פני כל האידיאלים. נגדיר <math>\zeta^0_K(s)</math> באופן דומה, אלא שהסכום ירוץ רק על האידיאלים הראשיים. באופן מפורש:
<math display="block">\zeta^0_K(s)=\sum_{\langle a\rangle\sub\mathcal O_K}\big(N^K_{\mathbb Q}(\langle a\rangle)\big)^{-s}.</math>
מכיוון שלפי ההגדרה <math>\frac{1}{h(K)}</math> הוא "החלק של האידיאלים הראשיים בין כל האידיאלים", ניתן להראות כי היחס בין <math>\zeta_K(s)</math> ל- <math>\zeta^0_K(s)</math> הוא בקירוב <math>h(K)</math>. באופן מדויק יותר:
<math display="block">\lim_{s\to 1} \frac{\zeta_K(s)}{\zeta^0_K(s)}=h(K).</math>
מכאן שדי לחשב את <math display="block">\lim_{s\to 1} (s-1)\zeta^0_K(s).</math>
נשים לב ששלב רדוקציה זה הוא המקום היחיד בו מופיע מספר המחלקה. יתר השלבים אחראיים לשאר הגדלים הקשורים לשדה.
===רדוקציה לסכימה על איברים בחוג השלמים===
לצורך חישוב הגבול האחרון נשים לב שהנורמה <math>N^K_{\mathbb Q}(\langle a\rangle)</math> של אידיאל ראשי <math>\langle a\rangle</math> שווה לנורמת גלואה <math>N^K_{\mathbb Q}(a)</math> של היוצר <math>a</math>. לכאורה ניתן להסיק מכאן ש: <math display="block">\zeta^0_K(s)=\sum_{a\in \mathcal O_K\smallsetminus 0}\big(N^K_{\mathbb Q}(a)\big)^{-s}.</math>
אולם הסקה כזאת היא שגויה מכיוון שהסכום צריך להיות רק על האידיאלים עצמם ואיברים שונים יכולים ליצור אותו אידיאל, לכן כשאנו סוכמים על האיברים אנחנו סוכמים אותו אידיאל מספר רב של פעמים.

שני איברים יוצרים את אותו אידיאל אםם היחס בינבהם הוא איבר הפיך (ז"א איבר ב- <math>\mathcal O_K^\times</math>). לכן, אם - <math>\mathcal O_K^\times</math> סופי אז מקבלים
<math display="block">\zeta^0_K(s)=\frac{1}{|\mathcal O_K^\times|}\sum_{a\in \mathcal O_K\smallsetminus 0}\big(N^K_{\mathbb Q}(a)\big)^{-s}.</math> באופן כללי יותר יש לבחור קבוצה <math>\Lambda\subset \mathcal O_K \smallsetminus 0</math> של נציגים של קבוצת המנה <math>(\mathcal O_K \smallsetminus 0)/ \mathcal O_K^\times</math> ואז מקבלים <math display="block">\zeta^0_K(s)=\sum_{a\in \Lambda}\big(N^K_{\mathbb Q}(a)\big)^{-s}.</math>

===רדוקציה לחישוב אינטגרל והוכחת הנוסחה===
כדי לבחור קבוצה <math>\Lambda</math> נוחה משתמשים במשפט היחידות של דיריכלה (והוכחתו). משפט היחידות של דיריכלה מספק תיאור מפורש לחבורה <math>\mathcal O_K^\times</math>. בהשתמש בתיאור זה אפשר להציג את <math>\Lambda</math> בתור חיתוך <math>S\cap L</math> כאשר <math>L</math> הוא סריג ב- <math>\R^{r_1(K)+2r_2(K)}</math> (איזומורפי ל- <math>\mathcal O_K</math>) ו - <math>S</math> הוא תחום ב- <math>\R^{r_1(K)+2r_2(K)}</math>. יתר על כן לפנוקציה <math>N^K_{\mathbb Q}</math> יש הרחבה טבעית לפונקציה <math>n</math> על <math>\R^{r_1(K)+2r_2(K)}</math>. כעת ניתן לקרב את הטור <math display="block">\sum_{a\in \Lambda}\big(N^K_{\mathbb Q}(a)\big)^{-s}</math> באמצעות האינטגרל: <math display="block">\int_S n(x){-s}dx</math>
באופן מפורש מקבלים שההפרש: <math display="block">\sum_{a\in \Lambda} N^K_\Q(a)^{-s}- \int_S n(x)^{-s}dx</math> חסום בסביבת <math>s=1</math>. מכאן שדי לחשב את <math display="block">\lim_{s\to 1} \int_S n(x)^{-s}dx.</math>
זוהי מסימה פשוטה יחסית. הגדלים <math>Reg(K)</math>, <math>|\mu_\infty(K)|</math> ו- <math>D(K)</math> מאפינים את התחום <math>S</math> והפונקציה <math>n</math>, לכן הם באים לידי ביתוי בחישוב האינטגאל האחרון.

==הנוסחה עבור שדה המספרים הרציונליים==
המקרה <math>K=\Q</math> פשוט בהרבה מהמקרה הכללי. במקרה זה
<math>r_2(K)=0</math>, ו -
<math>r_1(K)=h(K)=Reg(K)=|\mu_\infty(K)|=D(K)=1</math>. לכן אגף ימין של הנוסחה הוא 1.
כמו כן פונקציית זטא של דדקינד במקרה זה היא פשוט פונקציית זטא של רימן.

מכאן שהנוסחה נובעת מהוכחה הסטנדרטית לקיים המשחת פונקציית פונקציית זטא של רימן לחצי המישור <math>\Re(s)>0</math>.

אם בוחנים את סכמת ההוכחה למעלה למקרה זה, ראוים ששלבים 1 ו- 2 מיותרים, שכן פונקציית זטא של רימן מוגדרת מלכתחילה כסכום על הטבעיים. שלב 3 פשוט למדי, ומתבטה בהחלפת הסכום בפונקציית זטה של רימן באינטגרל <math>\int_1^\infty x^{-s}dx</math>. חישוב אינטגרל זה (שלב 4) גם הוא פשוט. שנ השלבים האחרונים מהווים למעשה את מהוכחה הסטנדרטית לקיים המשחת פונקציית פונקציית זטא של רימן לחצי המישור החיובי.

==הנוסחה עבור הרחבה ריבועית של שדה המספרים הרציונליים==
המקרה <math>K=\Q\langle\sqrt d\rangle</math> מסובך יותר, אולם עדיין פשוט יותר מהמקרה הכללי. מצד שני הוא מכיל את רוב הרעיונות של ההוכחה של המקרה הכללי (אם כי את חלקם בצורה מנוונת).

מקרה זה מתחלק לשני מקרים:
* המקרה השללי - <math>d<0</math>
* המקרה החיבי - <math>d>0</math>

המקרה השלילי פשוט יותר, מכיוון שבמקרה זה הרגולטור לא משחק תפקיד.
===המקרה השלילי===
במקרה זה
<math>Reg(K)=r_2(K)=1</math>,
<math>r_1(K)=0</math>,
ו -
<math>D(K)=d</math>.
כמו כן, במקרה זה חבורת ההפיכים <math>\mathcal O_K^\times</math> היא סופית ולכן <math>\mathcal O_K^\times=\mu_\infty(K)</math>.

מכאן, שכמו שהוסבר בסכמת ההוכחה למעלה די לקרב את הסכום:
<math display="block">\sum_{a\in \mathcal O_K\smallsetminus 0}\big(N^K_{\mathbb Q}(a)\big)^{-s}.</math>

זהו למעשה סכום על סריג במישור. קל לקרב סכום זה על ידי אינטגרל של פונקציה על המישור (כמו במקרה <math>K=\Q</math>), ואותו קל לחשב על ידי מעבר לקואורדינטות פולריות.

===המקרה החיובי===
במקרה זה
<math>r_2(K)=0</math>,
<math>r_1(K)=1</math>,
<math>D(K)=d</math>,
ו -
<math>|\mu_\infty(K)|=2</math>.
כמו כן, במקרה זה חבורת ההפיכים <math>\mathcal O_K^\times</math> היא המכפלה של <math>\mu_\infty(K)</math> והחבורה <math>(N_Q^K)^{-1}(1)</math> של האיברים של <math>\mathcal O_K</math> הנורמה שלהם היא 1. חבורה זאת היא חבורה ציקלית חופשית והיא מתוארת על ידי ניתוח הפתרונות של משוואת פל. ניתוח זה הוא למעשה מקרה פרטי פשוט יחסית של משפט היחידות של דיריכלה והוא משחק תפקיד מקביל למשפט זה במקרה של הרחבה ריבועית של עם דיסקרימיננטה חיובית. את הרגולטור של ההרחבה אפשר להביעה באמצעות הפתרון הפרימיטיבי של משוואת פל (זאת אומרת יוצר של החבורה <math>(N_Q^K)^{-1}(1)</math>).

==קשר לנוסחת מספר המחלקה של דיריכלה==

עבור מספר שלם <math>d</math>, מספר המחלקה של השדה <math>\Q\langle\sqrt{d}\rangle</math> הוא מספר מחלקה של המספר <math>d</math>.
כמו שנוסחת מספר המחלקה של דדקינד מספקת נוסחה למספר המחלקה של שדה מספרים, נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה מספקת נוסחה למספר המחלקה של מספר שלם.

קל להסיק את נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה מנוסחת מספר המחלקה של דדקינד עבור הרחבה ריבועית של . באופן מפורש יותר נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה מתקבלת ממנה של 2 נוסחאות מחלקה של דדקינד. האחת בשביל הרחבה ריבועית של והשניה בשביל עצמו. המנה <math>\frac{\zeta_K}{\zeta}</math> היא פונקציית L של דיריכלה עבור קרקטר מתאים. בהתאם אגף שמאל של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה הוא הערך של פונקציית L של דיריכלה ב- <math>s=1</math>. אגף ימין של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה זהה לאגף ימין של נוסחת מספר המחלקה של דדקינד (עבור הרחבה ריבועית מתאימה).

==שימושים==
נוסחת מספר המחלקה של דדקינד פותחה כהרחבה של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה. הוכחתה סיפקה הוכחה אלגנטית וקונספטואלית לנוסחת מספר המחלקה של דיריכלה.
השימוש הראשון של נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה היה אי־התאפסות של פונקציית L של דיריכלה ב-1 עבור קרקטר דיריכלה ממשי. נוסחת מספר המחלקה של דדקינד נותנת הוכחה לאי־התאפסות של פונקציית L של דיריכלה ב-1 עבור קרקטר דיריכלה כלשהו. זאת לא הייתה תוצאה חדשה כיוון שדיריכלה הוכיח זאת באמצעים אחרים, אך מדובר בהוכחה קונספטואלית ומפורשת יותר. 

באופן כללי יותר, ניתן להסיק מנוסחת מספר המחלקה של דדקינד את אי-ההתאפסות ב-1 של פונקציית L של ארטין במקרים מסויימים. אי־התאפסות זאת עומדת בבסיס ההוכחות של משפט הצפיפות של צ'בוטרב.

השימושים האלה משתמשים בנוסחה כדי לקבל מידע על אגף שמאל באמצעות מידע על אגף ימין. רוב השימושים המאוחרים יותר לנוסחת מספר המחלקה של דדקינד הם דווקה בכיוון ההפוך. ליתר דיוק, על-ידי העברת אגפים מקבלים נוסחה שמביעה את מספר המחלקה באמצעות השארית של פונקציית זטא של דדקינד בנקודה 1 ובאמצעות יתר הגורמים בנוסחה. את יתר הגורמים קל יחסית לחשב (במקרים מסוימים). את השארית קשה לחשב במדויק אך ניתן לחשב בקירוב. מכאן אפשר לקבל קירוב למספר המחלקה. אולם, מספר המחלקה הוא מספר שלם. לכן, כשדיוק הקירוב טוב יותר מ- <math>\frac 12</math> אפשר לגלות מספר זה במדויק (וכך גם את השארית לפונקציית זטא של דדקינד).

==ראו גם==
*נוסחת מספר המחלקה של דיריכלה
*מספר מחלקה (תורת המספרים)
*משפט דיריכלה
*פונקציית זטא של דדקינד

==לקראה נוספת==
* [https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-13157-2 The Development of Prime Number Theory From Euclid to Hardy and Littlewood]

==קישורים חיצוניים==
*[https://planetmath.org/classnumberformula נוסחת מספר המחלקה של דדקינד] באתר PlanetMath.

==הערות שוליים==

קטגוריה:תורת המספרים