P進數

formula_1進數，是數論中的概念，也稱作區域性數域，是有理數域拓展成的完備數域的一種。這種拓展與常見的有理數域formula_2到實數域formula_3、複數域formula_4的數系拓展不同，其具體在於所定義的“距離”概念。formula_1進數的距離概念建立在整數的整除性質上。給定素數formula_1，若兩個數之差被formula_1的高次冪整除，那麼這兩個數距離就“接近”，冪次越高，距離越近。這種定義在數論性質上的“距離”能夠反映同餘的資訊，使formula_1進數理論成為了數論研究中的有力工具。formula_1進數的概念首先由庫爾特·亨澤爾於1897年構思並刻畫，其發展動機主要是試圖將冪級數方法引入到數論中，但現今formula_1進數的影響已遠不止於此。例如可以在formula_1進數上建立formula_1進數分析，將數論和分析的工具結合起來，安德魯·懷爾斯對費馬大定理的證明中就用到了formula_1進數理論。此外，formula_1進數在量子物理學、認知科學、計算機科學等領域都有應用。預備知識.數系的拓展.數系是人類將自然中的數量關係抽象化得到的代數系統。最早建立的數系是帶有加法與乘法的自然數formula_15，其後引入了負數、分數的概念，形成了有理數formula_2:32。formula_2是“最小的”能夠包容四則運算的代數系統，這樣的系統在近世代數中稱為域。度量.數系的拓展中，自然數繫到有理數系的拓展是基於代數運算的需求，而有理數繫到實數系的拓展則是拓撲學的需要。這裡的拓撲指的是為代數體系賦予“形狀”，定義“遠近”、“長短”等概念，是建立幾何和分析結構的基礎。一個常見的拓撲學方法是引入“距離”的概念，正式稱呼為度量。最直觀的定義是將兩個有理數的“距離”formula_18定義為兩者之差的絕對值：formula_19兩個有理數之間的度量是一個非負的有理數。也即是說度量formula_18是一個從有理數域對映到非負有理數集合的二元函式：formula_21。其中formula_22的大小關係則是有理數域上定義的全序。這個度量基於歐幾里得幾何，叫做歐幾里得度量或絕對值度量。完備化.在formula_2上裝備了度量後，可以討論極限的概念。極限描述了一個數列在下標趨於無窮時的趨勢，是分析學的基礎。如果一個有理數列在下標趨於無窮時，數列的項與某個數formula_24的距離可以小於任意給定的正有理數，就稱formula_25為此數列的極限。擁有極限的數列的項在下標趨於無窮時相互無限“靠近”。但反過來，這樣的數列不一定擁有有理數極限。比如說以下數列：formula_26這說明有理數在表示長度和距離的時候是不完備的，存在著無法用有理數表達的長度。為此需要對有理數進行擴充套件，稱為完備化。將formula_2完備化的拓撲方法由格奧爾格·康託提出。康託的方法依賴於現稱為柯西數列的概念。柯西數列是一種可以用任意“小”的“圓盤”覆蓋從某項起所有項的無窮數列。某個有理數數列formula_28是柯西數列，當且僅當對任意有理數formula_29，都存在自然數formula_30，使得對任意formula_31，都有formula_32。康託承認每個這樣的有理數數列都收斂到某個極限，將實數定義為某個柯西數列的極限。顯然，對於所有有理數，都能找到一個以它為極限的柯西數列，比如常數數列。如果當兩個柯西數列formula_33和formula_34的差：formula_35收斂於formula_36，就稱這兩個數列等價，這樣就可以在所有的柯西數列中建立等價關係。而康託將所有的等價類的集合定義為實數集formula_3。四則運算、絕對值度量和序關係“formula_38”都可以從有理數域自然誘導到formula_3上。最重要的是，可以證明，所有formula_3中元素構成的柯西數列都收斂到formula_3中。這說明formula_3是一個有序完備數域。實數formula_3作為formula_2的完備化是建立在絕對值度量上的，這種度量與日常現實中的歐幾里德式的“距離”概念吻合，符合直觀經驗。實數也因此成為描述現實世界的有力數學工具。formula_1進數與實數的不同在於，它是將絕對值度量改為另一種非直觀的度量對有理數進行完備化後得到的完備數域:8:50-51。構造.分析方法.在有理數formula_2上引入絕對值度量，與此對應的柯西序列的等價類構成了完備數域formula_3。formula_1進數則是在formula_2上引入不同的度量後進行完備化得到的完備數域。給定素數formula_1。對任意formula_51，將其寫為分數形式formula_52，其中formula_53和formula_54是整數，formula_54不等於0。根據算術基本定理，每個整數都可以唯一分解為素因數的乘積。考察formula_1在formula_53和formula_54的素因數分解中的次數formula_59和formula_60，定義formula_1進賦值:90:1-2：formula_62同時約定formula_63。例如formula_64，formula_65，則formula_66在此基礎上，可以定義度量對映以及其對應誘導的範數:59:2:90：formula_67例如formula_68可以驗證對映formula_69滿足度量所需的一切性質:59。因此，用與構造實數相同的手段，可以構造一個完備有序數域，記作formula_70:90:60-61。由奧斯特洛夫斯基定理，formula_2的所有絕對值賦值或者等價於絕對值，或為平凡賦值，或等價於某素數formula_1的formula_1進賦值。從而formula_2的完備化也只有這些:46:3。代數方法.用代數的方法，首先定義formula_1進整數環formula_76，然後構造其分式域，也可以得到formula_1進數域:92。首先考慮由整數模formula_78的同餘類構成的環：formula_79。formula_79與formula_81之間存在自然的環同態：formula_82考察逆向鏈：formula_83定義formula_76為其逆向極限：formula_85:56。也就是說，每個formula_1進整數formula_87被定義為以下的序列：formula_88其中formula_89。可以證明，這樣定義的formula_1進整數環formula_76與拓撲方法構造的formula_70中透過formula_93定義的formula_1進整數環是同構的:91-92。在以上的定義下，整數formula_95可以自然地嵌入formula_76中，每個整數都可以依照它在formula_79的同餘類，唯一表示為一個formula_1進整數:91。例如在formula_99時，整數3629在formula_100中對應的3進整數可以表示為：formula_101從上面的例子可以看到，對於正整數，formula_102將收斂於formula_53本身，對於負整數情況則複雜一些，例如，formula_104由於環同態formula_105良好地保持了環的結構，所以這種結構自然地延伸到逆向極限formula_76中。直觀上可以理解為，formula_76是formula_79結構的極限。formula_109越大，formula_79和formula_76就越“相似”。formula_1進整數環formula_76中的單位元顯然是formula_114 一個formula_1進整數formula_116是可逆元當且僅當formula_117是formula_118中的可逆元:91。非可逆元的元素都可以表達為：formula_119其中formula_120是formula_76中的可逆元，formula_122稱為formula_1進整數formula_53的等於前面用拓撲方法構造的formula_70:92。展開式與記數法.每個formula_1進數formula_129都有唯一的展開式:57：formula_130其中formula_131就是formula_132的formula_1進賦值formula_134，formula_135，formula_136。這一展開式在度量formula_137下收斂到formula_132:14。代數構造中formula_1進整數的數列表示的第formula_140項，等於其展開式前formula_140項的部分和。設formula_1進整數formula_132的數列表示為formula_144，其展開式為formula_145，則formula_146這說明formula_1進整數數列表示中，隨著項數增大，數列的項在formula_137下收斂到formula_1進整數自身。仿照有理數中formula_1進位制的記數法，可以將formula_1進數formula_132記為：formula_153:92，稱為formula_1進數的formula_1進記法。按formula_137的定義，formula_132的“大小”為formula_158:92。也就是說，一個formula_1進數小數點後位數越多則越大。這個性質與實數正好相反。例子.從代數構造方法中可知，整數formula_95可以自然地嵌入formula_76中，因此非負整數在formula_70中表現為有限位數的formula_1進整數。其formula_1進記法和formula_1進位制記數法雷同。例如當formula_166時，自然數formula_167記為：formula_168。負整數和分母不為formula_1的正整數次冪的分數在formula_1進記法中則表現為向左側延伸的無限迴圈:39。例如formula_171的formula_1進記法為：formula_173。計算方法如下：formula_174formula_175formula_176。如果有理數formula_132的分子或分母裡含有formula_1的冪次，則可以仿照formula_1進位制記數法的做法，先將其提出作為因數，寫成formula_180的形式，將formula_181表達為formula_1進記法，然後移動小數點得到formula_132的formula_1進記法。例如要求formula_185的formula_1進記法，可以先將formula_185表示為formula_188，寫出formula_189的formula_1進記法後，將小數點向左移動兩位得到：formula_191因此，分母為formula_1的正整數次冪的分數在formula_1進數中表現為有限小數。基本性質.formula_70具有許多與formula_3不同的特性，其中某些可能違反直觀直覺。舉例來說，formula_196中不存在平方等於7的數。一般來說，-1在formula_70中有平方根，當且僅當formula_1除以4餘1。對不相同的質數formula_1、formula_202，formula_70與formula_204不同構，並且它們的交集只有formula_2。每一個formula_70中的元素個數都是不可數的。拓撲性質.formula_70上的範數formula_208是一個超度量的範數。它不僅滿足三角不等式，而且滿足更強的關係：formula_209這說明，如果將formula_70想象成一個幾何空間，那麼其中的三角形的一邊長度總小於等於另外兩邊中較長者，也就是說所有的三角形都是銳角等腰三角形。這與實際中的歐式幾何空間完全不同。由此formula_70與formula_3具有截然不同的拓撲性質:90。formula_1進整數formula_76定義為所有範數不大於1的formula_1進數：formula_93。這說明formula_76就是formula_70的單位球:61:60。其“球面”為所有範數等於1的formula_1進整數集合：formula_243，亦即formula_76中所有可逆元的集合:61。formula_76是緊緻的:93:64。所有的整數都是formula_1進整數，整數集合formula_95在formula_76中稠密:61:60。代數性質.代數上，formula_70是formula_76的分式域。更準確地說，formula_257。也即是說，對每一個formula_129，都存在整數formula_131，使得formula_260:62:92:36。formula_76是特徵為0的主理想整環。formula_76的非零理想只有主理想formula_263，其中formula_131是任意自然數:61:6。它唯一的極大理想是formula_265:60。根據同構基本定理，formula_76對formula_265的商同構於有限域formula_268。類似地，formula_269同構於formula_79:34。實數域formula_3只有一個真代數擴張，就是複數域formula_272。formula_4不僅是代數閉域，而且是完備的。域擴張formula_274的次數為2。與此不同的是，formula_70的任何有限擴張都不是代數封閉的，formula_70的代數閉包是formula_70上的無限擴張，一般記作formula_278。將formula_70上的拓撲拓延到formula_278後會發現，formula_278並不是完備的空間。使用標準方法將其完備化後，得到的空間稱為formula_1進複數，記作formula_283。formula_283和複數域formula_4是代數同構的，可以視為裝備了另一種拓撲結構的複數域:94。如果formula_1是奇數，那麼formula_109次單位根屬於formula_70當且僅當formula_109整除formula_1-1。換句話說，formula_70中由單位根構成的群只有formula_292及其子群。formula_293時，單位根只有1和-1:110。應用.數論.formula_1進數對於同餘資訊有一種獨特的編碼方法，這在數論裡作用很大。例如，困擾數學家長達三百多年的費馬最後定理，終於在1994年由安德魯·懷爾斯使用formula_1進數理論證明，這是數學上的重大突破。懷爾斯因此獲得2005年度邵逸夫獎。量子物理.formula_1進數剛出現時，學者們最初認為這理論屬於純數學領域，毫無任何實用價值。但1968年，兩位純數學研究者A. Monna和F. van der Blij首先提出將formula_1進數應用到物理學中。1972年，E. Beltrametti和G. Cassinelli探討了一種取值為formula_1進數的狀態模型。進入二十世紀八十年代後，formula_1進數在量子物理學中的應用愈為廣泛。首先湧現的是formula_1進弦和formula_1進超弦模型。量子物理學家在這些模型中使用與實數拓撲性質不同的formula_1進數，以構建出不同的時空結構，描述在普朗克尺度下與大尺度完全不同的物理現象和行為。在普朗克尺度下，基於實數的模型無法很好的描繪出某些量子特性，而formula_1進數域的某些性質，比如說無序性，和普朗克尺度下的物理特質相近。formula_1進數量子物理學中的應用也帶動了數學中對formula_1進數的研究。例如formula_1進弦論的研究促使數學家展開了對formula_1進數上的分佈理論、微分方程及偽微分方程中的運算元譜理論等多方面的研究。資訊編碼.formula_1進數的數列展開表示可以被用於資訊的編碼。因此formula_1進數可以被用來描述很多資訊處理的過程，在認知科學、心理學和社會學研究中出現。𝑝進動力系統理論.算術動力系統是二十世紀九十年代提出的數學理論，整合了動力系統及數論。傳統的離散動力系統會探討迭代函式在複平面或是實數中的性質。算術動力系統則探討多項式或解析函式在整數、有理數、formula_1進數及幾何點中的迭代特性。formula_1進數動力系統在計算機科學領域中的直線式程式問題、數值分析與模擬中的偽隨機數問題、密碼學中的流加密問題上都有重要作用。在計算機科學和自動機理論中，formula_1進遍歷理論可以幫助快速製造大拉丁方。後者在實驗設計、軟體測試和通訊理論中都有良多應用。