为美好的 p 进数献上祝福

1. 引言

在数学中，P进数（\(p\)-adic numbers）是由德国数学家库尔特·亨泽尔（Kurt Hensel）于19世纪末引入的一类数系，它为有理数域\(\mathbb{Q}\)提供了不同于实数域\(\mathbb{R}\)的完备化方式。实数域通过通常的绝对值（欧几里得度量）完备化得到，而P进数则通过\(p\)进绝对值（一种非阿基米德绝对值）完备化得到。

P进数最初是为了解决数论中的问题而发明的，但如今已成为代数数论、代数几何、表示论乃至理论物理（如弦理论）等领域的核心工具。本文将从P进数的定义出发，逐步介绍其基本性质、运算、重要定理（如Hensel引理），并探讨其应用，最后提供习题与解答提示，帮助读者深入理解这一概念。

2. 预备知识

在正式介绍P进数之前，我们需要回顾一些代数与赋值论的基本概念。

2.1 群、环、域

  • 群：一个集合\(G\)配备一个二元运算\(\cdot\)，满足封闭性、结合律、存在单位元、每个元素存在逆元。若运算还满足交换律，则称为阿贝尔群。
  • 环：一个集合\(R\)配备两个二元运算\(+\)和\(\cdot\)，使得\((R,+)\)是阿贝尔群，\((R,\cdot)\)满足结合律，且乘法对加法满足分配律。若乘法有单位元且交换，则称为交换幺环。
  • 域：一个交换幺环\(F\)，其中所有非零元素在乘法下构成群（即每个非零元素有乘法逆元）。例如，有理数域\(\mathbb{Q}\)、实数域\(\mathbb{R}\)、有限域\(\mathbb{F}_p\)（\(p\)为素数）。

2.2 绝对值与赋值

定义2.1（绝对值）：设\(F\)是域，函数\(|\cdot|: F \to \mathbb{R}_{\geq 0}\)称为\(F\)上的绝对值，若满足：

  1. 正定性：\(|x| = 0\)当且仅当\(x = 0\)；
  2. 乘法性：\(|xy| = |x||y|\)对所有\(x,y \in F\)成立；
  3. 三角不等式：\(|x + y| \leq |x| + |y|\)对所有\(x,y \in F\)成立。

若绝对值还满足强三角不等式（非阿基米德不等式）：

\[|x + y| \leq \max(|x|, |y|), \quad \forall x,y \in F, \]

则称其为非阿基米德绝对值；否则称为阿基米德绝对值（如\(\mathbb{Q}\)上的通常绝对值）。

定义2.2（赋值）：设\(F\)是域，函数\(v: F \to \mathbb{Z} \cup \{+\infty\}\)称为\(F\)上的离散赋值，若满足：

  1. \(v(x) = +\infty\)当且仅当\(x = 0\)；
  2. 乘法性：\(v(xy) = v(x) + v(y)\)对所有\(x,y \in F\)成立；
  3. 三角不等式：\(v(x + y) \geq \min(v(x), v(y))\)对所有\(x,y \in F\)成立。

离散赋值与非阿基米德绝对值密切相关：若\(v\)是离散赋值，取\(c > 1\)为常数，则\(|x| = c^{-v(x)}\)（约定\(c^{-\infty}=0\)）是一个非阿基米德绝对值。反之，若\(|\cdot|\)是离散的非阿基米德绝对值（即值群\(|F^\times|\)是\(\mathbb{R}_{>0}\)的离散子群），则\(v(x) = -\log_c |x|\)是离散赋值。

3. P进数的定义

设\(p\)是一个固定的素数（如\(p=2,3,5,\dots\)），我们首先在有理数域\(\mathbb{Q}\)上定义\(p\)进赋值与\(p\)进绝对值，然后通过完备化得到\(p\)进数域\(\mathbb{Q}_p\)。

3.1 \(p\)进赋值与\(p\)进绝对值

定义3.1（\(p\)进赋值）：对任意非零有理数\(x \in \mathbb{Q}^\times\)，将\(x\)表示为：

\[x = p^k \cdot \frac{a}{b}, \]

其中\(k \in \mathbb{Z}\)，\(a,b \in \mathbb{Z}\)且\(\gcd(a,b)=1\)，\(p \nmid a\)，\(p \nmid b\)。定义\(x\)的\(p\)进赋值为：

\[v_p(x) = k. \]

补充定义\(v_p(0) = +\infty\)。

例3.1：计算\(v_5(25)\)，\(v_5(3/4)\)，\(v_5(125/2)\)：

  • \(25 = 5^2\)，故\(v_5(25) = 2\)；
  • \(3/4\)中\(5\)不整除\(3\)或\(4\)，故\(v_5(3/4) = 0\)；
  • \(125/2 = 5^3 / 2\)，故\(v_5(125/2) = 3\)。

定义3.2（\(p\)进绝对值）：对任意\(x \in \mathbb{Q}\)，定义\(p\)进绝对值为：

\[|x|_p = \begin{cases} p^{-v_p(x)} & \text{若 } x \neq 0, \\ 0 & \text{若 } x = 0. \end{cases}\]

例3.2：计算例3.1中各数的\(5\)进绝对值：

  • \(|25|_5 = 5^{-2} = 1/25\)；
  • \(|3/4|_5 = 5^{0} = 1\)；
  • \(|125/2|_5 = 5^{-3} = 1/125\)。

命题3.1：\(p\)进绝对值是\(\mathbb{Q}\)上的非阿基米德绝对值，即满足：

  1. 正定性：显然；
  2. 乘法性：\(|xy|_p = p^{-v_p(xy)} = p^{-(v_p(x)+v_p(y))} = |x|_p |y|_p\)；
  3. 强三角不等式：由\(v_p(x+y) \geq \min(v_p(x), v_p(y))\)，得\(|x+y|_p = p^{-v_p(x+y)} \leq p^{-\min(v_p(x), v_p(y))} = \max(|x|_p, |y|_p)\)。

3.2 有理数域的\(p\)进完备化

实数域\(\mathbb{R}\)是\(\mathbb{Q}\)在通常绝对值下的完备化，即所有柯西序列的等价类。类似地，我们可以在\(\mathbb{Q}\)上用\(p\)进绝对值定义柯西序列，然后取等价类得到\(p\)进数域\(\mathbb{Q}_p\)。

定义3.3（\(p\)进柯西序列）：有理数序列\(\{x_n\}_{n \in \mathbb{N}}\)称为\(p\)进柯西序列，若对任意\(\varepsilon > 0\)，存在\(N \in \mathbb{N}\)，使得当\(m,n > N\)时，\(|x_m - x_n|_p < \varepsilon\)。

定义3.4（等价序列）：两个\(p\)进柯西序列\(\{x_n\}\)和\(\{y_n\}\)称为等价的，若\(\lim_{n \to \infty} |x_n - y_n|_p = 0\)。

定义3.5（\(p\)进数域）：所有\(p\)进柯西序列的等价类构成的集合称为\(p\)进数域，记为\(\mathbb{Q}_p\)。\(\mathbb{Q}_p\)中的元素称为\(p\)进数。

我们可以将有理数\(x \in \mathbb{Q}\)嵌入到\(\mathbb{Q}_p\)中，对应常序列\(\{x,x,x,\dots\}\)的等价类，因此\(\mathbb{Q}\)是\(\mathbb{Q}_p\)的子域。

3.3 \(p\)进数的展开式

与实数的十进制展开类似，\(p\)进数也有唯一的“\(p\)进制展开式”，但形式略有不同。

定理3.1（\(p\)进数的展开式）：每个非零\(p\)进数\(x \in \mathbb{Q}_p^\times\)都可以唯一表示为：

\[x = \sum_{k=k_0}^\infty a_k p^k, \]

其中\(k_0 \in \mathbb{Z}\)，\(a_k \in \{0,1,\dots,p-1\}\)，且\(a_{k_0} \neq 0\)。

注：展开式是“从右往左”无限延伸的，与十进制“从左往右”无限延伸不同。例如，\(p=5\)时，\(1/3\)的\(5\)进展开式是\(2 + 4 \cdot 5 + 4 \cdot 5^2 + 4 \cdot 5^3 + \dots\)，我们将在第5节验证这一点。

4. P进数的基本性质

4.1 强三角不等式的推论

非阿基米德绝对值的强三角不等式有许多有趣的推论，这些性质与实数域截然不同。

命题4.1：设\(x,y \in \mathbb{Q}_p\)，若\(|x|_p \neq |y|_p\)，则\(|x + y|_p = \max(|x|_p, |y|_p)\)。

证明：不妨设\(|x|_p > |y|_p\)，则\(\max(|x|_p, |y|_p) = |x|_p\)。由强三角不等式，\(|x + y|_p \leq |x|_p\)。另一方面，\(|x|_p = |(x + y) - y|_p \leq \max(|x + y|_p, |y|_p)\)。若\(|x + y|_p < |x|_p\)，则\(\max(|x + y|_p, |y|_p) < |x|_p\)，矛盾。故\(|x + y|_p = |x|_p\)。

例4.1：在\(\mathbb{Q}_5\)中，\(|25|_5 = 1/25\)，\(|3|_5 = 1\)，则\(|25 + 3|_5 = \max(1/25, 1) = 1\)，而\(|25 - 3|_5 = 1\)，这与实数中“小量加大量等于大量”类似，但更严格。

命题4.2（“所有三角形都是等腰的”）：在\(\mathbb{Q}_p\)中，对任意\(x,y,z \in \mathbb{Q}_p\)，三个距离\(|x - y|_p\)，\(|y - z|_p\)，\(|z - x|_p\)中至少有两个相等。

证明：不妨设\(|x - y|_p \geq |y - z|_p\)，则\(|z - x|_p = |(z - y) + (y - x)|_p \leq \max(|z - y|_p, |y - x|_p) = |x - y|_p\)。另一方面，\(|x - y|_p = |(x - z) + (z - y)|_p \leq \max(|x - z|_p, |z - y|_p)\)。若\(|x - z|_p < |x - y|_p\)，则\(\max(|x - z|_p, |z - y|_p) < |x - y|_p\)，矛盾。故\(|x - z|_p = |x - y|_p\)，即至少两个距离相等。

4.2 拓扑性质

\(\mathbb{Q}_p\)上的拓扑由\(p\)进绝对值诱导，即开球\(B_r(x) = \{y \in \mathbb{Q}_p \mid |y - x|_p < r\}\)构成拓扑基。

命题4.3：\(\mathbb{Q}_p\)中的开球同时也是闭球，即\(B_r(x) = \overline{B_r(x)}\)（闭包），且\(B_r(x) = B_{r'}(x)\)对任意\(r' \in (|x|_p, r)\)（若\(r > |x|_p\)）。

证明：设\(y \in B_r(x)\)，则对任意\(z \in B_r(y)\)，有\(|z - x|_p \leq \max(|z - y|_p, |y - x|_p) < r\)，故\(B_r(y) \subseteq B_r(x)\)，即开球是开集。又若\(z\)是\(B_r(x)\)的极限点，则存在\(y \in B_r(x)\)使得\(|z - y|_p < r\)，故\(|z - x|_p \leq \max(|z - y|_p, |y - x|_p) < r\)，即\(z \in B_r(x)\)，故开球是闭集。

这表明\(\mathbb{Q}_p\)的拓扑是完全不连通的，即每个连通分支都是单点集。

5. P进数的运算与\(p\)进整数

5.1 \(p\)进数的运算

由于\(\mathbb{Q}_p\)是域，我们可以进行加法、减法、乘法、除法运算。利用\(p\)进展开式可以直观地进行运算，类似于十进制的竖式计算，但需注意进位方向。

例5.1（\(p=5\)时的加法）：计算\(x = 2 + 3 \cdot 5 + 1 \cdot 5^2\)和\(y = 4 + 2 \cdot 5 + 3 \cdot 5^2\)的和：

  • 个位（\(5^0\)位）：\(2 + 4 = 6 = 1 + 1 \cdot 5\)，故个位为\(1\)，进位\(1\)；
  • 十位（\(5^1\)位）：\(3 + 2 + 1 = 6 = 1 + 1 \cdot 5\)，故十位为\(1\)，进位\(1\)；
  • 百位（\(5^2\)位）：\(1 + 3 + 1 = 5 = 0 + 1 \cdot 5\)，故百位为\(0\)，进位\(1\)；
  • 千位（\(5^3\)位）：进位\(1\)，故千位为\(1\)；
  • 更高位：均为\(0\)。

因此，\(x + y = 1 + 1 \cdot 5 + 0 \cdot 5^2 + 1 \cdot 5^3\)。

5.2 \(p\)进整数环

定义5.1（\(p\)进整数）：\(p\)进数\(x \in \mathbb{Q}_p\)称为\(p\)进整数，若\(|x|_p \leq 1\)（即\(v_p(x) \geq 0\)）。所有\(p\)进整数构成的集合称为\(p\)进整数环，记为\(\mathbb{Z}_p\)。

命题5.1：\(\mathbb{Z}_p\)是\(\mathbb{Q}_p\)的子环，且是局部环（即只有一个极大理想）。

证明：若\(x,y \in \mathbb{Z}_p\)，则\(|x+y|_p \leq \max(|x|_p, |y|_p) \leq 1\)，\(|xy|_p = |x|_p |y|_p \leq 1\)，故\(\mathbb{Z}_p\)是子环。

考虑理想\(\mathfrak{m} = p\mathbb{Z}_p = \{x \in \mathbb{Z}_p \mid |x|_p < 1\}\)（即\(v_p(x) \geq 1\)）。若\(I\)是\(\mathbb{Z}_p\)的理想且\(I \nsubseteq \mathfrak{m}\)，则存在\(x \in I\) with \(|x|_p = 1\)，即\(v_p(x)=0\)，故\(x\)的展开式为\(a_0 + a_1 p + \dots\)，\(a_0 \neq 0\)，因此\(x\)在\(\mathbb{Z}_p\)中可逆（因为\(a_0\)在\(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\)中可逆，由Hensel引理可提升到\(\mathbb{Z}_p\)中可逆），故\(I = \mathbb{Z}_p\)。因此\(\mathfrak{m}\)是唯一的极大理想，\(\mathbb{Z}_p\)是局部环。

命题5.2：\(\mathbb{Z}_p / p\mathbb{Z}_p \cong \mathbb{F}_p\)，其中\(\mathbb{F}_p\)是\(p\)元有限域。

证明：定义同态\(\phi: \mathbb{Z}_p \to \mathbb{F}_p\)，将\(x = \sum_{k=0}^\infty a_k p^k \in \mathbb{Z}_p\)映射到\(a_0 \mod p\)。显然\(\phi\)是满同态，核为\(\ker\phi = \{x \in \mathbb{Z}_p \mid a_0=0\} = p\mathbb{Z}_p\)。由环同态基本定理，\(\mathbb{Z}_p / p\mathbb{Z}_p \cong \mathbb{F}_p\)。

6. 应用：Hensel引理与数论

Hensel引理是\(p\)进数中最重要的定理之一，它允许我们将模\(p\)的解“提升”到模\(p^n\)的解，最终提升到\(\mathbb{Z}_p\)中的解。这在数论中用于证明方程的存在性，或求解同余方程。

6.1 Hensel引理的陈述

定理6.1（Hensel引理，简单版本）：设\(f(x) \in \mathbb{Z}_p[x]\)是系数为\(p\)进整数的多项式，\(a \in \mathbb{Z}_p\)满足：

  1. \(f(a) \equiv 0 \pmod{p}\)（即\(|f(a)|_p < 1\)）；
  2. \(f'(a) \not\equiv 0 \pmod{p}\)（即\(|f'(a)|_p = 1\)，\(f'\)是\(f\)的导数）。

则存在唯一的\(b \in \mathbb{Z}_p\)，使得\(f(b) = 0\)且\(b \equiv a \pmod{p}\)（即\(|b - a|_p < 1\)）。

注：条件2称为“非退化条件”，若\(f'(a) \equiv 0 \pmod{p}\)，则可能有多个提升或没有提升，此时需要更一般的Hensel引理版本。

6.2 Hensel引理的证明思路

我们通过迭代构造序列\(\{a_n\}_{n \in \mathbb{N}}\)，使得\(a_n \equiv a \pmod{p}\)，\(f(a_n) \equiv 0 \pmod{p^{n+1}}\)，且\(a_{n+1} \equiv a_n \pmod{p^{n+1}}\)。然后证明\(\{a_n\}\)是\(p\)进柯西序列，其极限\(b\)即为所求。

构造过程：

  • 令\(a_0 = a\)，则\(f(a_0) \equiv 0 \pmod{p}\)。
  • 假设已构造\(a_n\)，满足\(f(a_n) \equiv 0 \pmod{p^{n+1}}\)，令\(a_{n+1} = a_n + c p^{n+1}\)，其中\(c \in \{0,1,\dots,p-1\}\)待定。
  • 由泰勒展开（多项式的泰勒展开是精确的）：

    \[f(a_{n+1}) = f(a_n) + f'(a_n) c p^{n+1} + \text{高次项（含 } p^{2n+2} \text{）}. \]

  • 由于\(f(a_n) \equiv 0 \pmod{p^{n+1}}\)，设\(f(a_n) = d p^{n+1}\)，\(d \in \mathbb{Z}_p\)。我们需要：

    \[d p^{n+1} + f'(a_n) c p^{n+1} \equiv 0 \pmod{p^{n+2}}, \]

    即\(d + f'(a_n) c \equiv 0 \pmod{p}\)。
  • 由于\(f'(a_n) \equiv f'(a) \pmod{p}\)（因为\(a_n \equiv a \pmod{p}\)），且\(f'(a) \not\equiv 0 \pmod{p}\)，故\(f'(a_n)\)在\(\mathbb{Z}/p\mathbb{Z}\)中可逆，因此存在唯一的\(c \in \{0,\dots,p-1\}\)满足上式。

这样构造的\(\{a_n\}\)是柯西序列，因为\(|a_{n+1} - a_n|_p = |c p^{n+1}|_p \leq p^{-(n+1)} \to 0\)。令\(b = \lim_{n \to \infty} a_n\)，则\(f(b) = \lim_{n \to \infty} f(a_n) = 0\)，且\(b \equiv a \pmod{p}\)。唯一性由构造中的\(c\)唯一保证。

6.3 Hensel引理的应用示例

例6.1：证明方程\(x^2 = 2\)在\(\mathbb{Q}_7\)中有解，并求其在\(\mathbb{Z}_7\)中的展开式（至少到\(7^2\)项）。

解：考虑多项式\(f(x) = x^2 - 2\)，我们首先找模\(7\)的解：

  • 计算模\(7\)的平方：\(0^2=0, 1^2=1, 2^2=4, 3^2=9≡2, 4^2=16≡2, 5^2=25≡4, 6^2=36≡1\)。
  • 故\(a=3\)是模\(7\)的解，即\(f(3)=9-2=7≡0 \pmod{7}\)。
  • 导数\(f'(x)=2x\)，故\(f'(3)=6≢0 \pmod{7}\)，满足Hensel引理的条件。

现在提升解到模\(7^2=49\)：

  • 令\(a_1 = 3 + c \cdot 7\)，\(c \in \{0,\dots,6\}\)，代入\(f(a_1)=0\)：

    \[(3 + 7c)^2 - 2 = 9 + 42c + 49c^2 - 2 = 7 + 42c + 49c^2 = 0. \]

  • 模\(49\)得：\(7 + 42c ≡ 0 \pmod{49}\)，两边除以\(7\)：\(1 + 6c ≡ 0 \pmod{7}\)，即\(6c ≡ -1 ≡ 6 \pmod{7}\)，故\(c ≡ 1 \pmod{7}\)，即\(c=1\)。
  • 因此，\(a_1 = 3 + 1 \cdot 7 = 10\)，验证：\(10^2 - 2 = 100 - 2 = 98 = 2 \cdot 49 ≡ 0 \pmod{49}\)，正确。

接下来提升到模\(7^3=343\)：

  • 令\(a_2 = 10 + c \cdot 49\)，代入\(f(a_2)=0\)：

    \[(10 + 49c)^2 - 2 = 100 + 980c + 49^2 c^2 - 2 = 98 + 980c + \dots = 0. \]

  • 先计算\(f(10)=98=2 \cdot 49\)，\(f'(10)=20\)，由泰勒展开：

    \[f(a_2) = f(10) + f'(10) \cdot c \cdot 49 + \text{高次项} = 98 + 20 \cdot 49c + \dots = 0. \]

  • 模\(343\)（即\(7^3\)），高次项含\(7^4\)，可忽略，故：

    \[98 + 980c ≡ 0 \pmod{343}. \]

  • 计算\(98 = 2 \cdot 49 = 2 \cdot 7^2\)，\(980 = 20 \cdot 49 = 20 \cdot 7^2\)，\(343 = 7^3\)，两边除以\(7^2=49\)：

    \[2 + 20c ≡ 0 \pmod{7}. \]

  • 化简\(20 ≡ 6 \pmod{7}\)，故\(2 + 6c ≡ 0 \pmod{7} \implies 6c ≡ -2 ≡ 5 \pmod{7}\)。
  • 两边乘以\(6\)的逆元，\(6 \cdot 6 = 36 ≡ 1 \pmod{7}\)，故逆元是\(6\)，因此\(c ≡ 5 \cdot 6 = 30 ≡ 2 \pmod{7}\)，即\(c=2\)。
  • 因此，\(a_2 = 10 + 2 \cdot 49 = 10 + 98 = 108\)，验证：\(108^2 - 2 = 11664 - 2 = 11662\)，\(11662 \div 343 = 34\)（因为\(343 \times 34 = 11662\)），故\(11662 = 34 \cdot 343 ≡ 0 \pmod{343}\)，正确。

因此，\(x^2=2\)在\(\mathbb{Q}_7\)中的一个解是\(3 + 1 \cdot 7 + 2 \cdot 7^2 + \dots\)，另一个解是\(-3 -1 \cdot7 -2 \cdot7^2 -…\)（因为若\(b\)是解，则\(-b\)也是解）。

例6.2：证明方程\(x^3 + x + 1 = 0\)在\(\mathbb{Q}_5\)中有解。

解：考虑\(f(x)=x^3 - 2\)，模\(5\)计算：

  • \(0^3=0, 1^3=1, 2^3=8≡3, 3^3=27≡2, 4^3=64≡4\)，故\(a=3\)是解，\(f(3)=27-2=25≡0 mod5\)，\(f’(x)=3x²\)，\(f’(3)=27≡2 mod5≠0\)，故由Hensel引理，解可提升到\(\mathbb{Z}_5\)，因此\(x³=2\)在\(\mathbb{Q}_5\)中有解。

7. 进一步的应用概述

P进数的应用远不止Hensel引理，以下是一些重要领域的简要介绍：

7.1 代数数论：局部-全局原理

在代数数论中，局部域（如\(\mathbb{Q}_p\)和\(\mathbb{R}\)）与整体域（如\(\mathbb{Q}\)）之间的关系是核心主题。Hasse-Minkowski定理是局部-全局原理的典型例子：一个二次型在\(\mathbb{Q}\)中有非零解当且仅当它在\(\mathbb{R}\)和所有\(\mathbb{Q}_p\)（\(p\)为素数）中有非零解。这一定理将整体问题分解为局部问题，利用P进数的工具进行研究。

7.2 代数几何：刚性解析空间

在代数几何中，P进数域上的代数几何需要新的工具，因为\(\mathbb{Q}_p\)的拓扑是完全不连通的，传统的复解析几何方法不适用。刚性解析空间（Rigid Analytic Spaces）由John Tate引入，为P进数域上的解析几何提供了框架，如今是算术代数几何的重要组成部分。

7.3 表示论：局部朗兰兹纲领

朗兰兹纲领是数学中一个宏大的猜想网络，连接数论、代数几何与表示论。局部朗兰兹纲领研究局部域（如\(\mathbb{Q}_p\)）的伽罗瓦表示与约化群的表示之间的对应，P进数的结构在其中起着关键作用。

7.4 理论物理：P进弦理论

近年来，P进数也被应用于理论物理，特别是弦理论。P进弦理论尝试用P进数代替实数或复数来描述时空，探索非阿基米德几何在物理中的可能应用，尽管这一方向仍处于早期阶段，但展现了P进数的跨学科魅力。

8. 习题

基础题

  1. 计算下列有理数的\(3\)进绝对值：
    (a) \(27\)；
    (b) \(4/9\)；
    (c) \(18/5\)；
    (d) \(0\)。

  2. 证明：对任意\(x \in \mathbb{Q}_p^\times\)，\(|x|_p = p^{-v_p(x)}\)，且\(v_p\)是离散赋值（验证定义2.2的三个条件）。

  3. 求\(1/2\)的\(5\)进展开式（至少到\(5^2\)项）。

  4. 设\(p=7\)，计算\(x = 3 + 2 \cdot 7 + 4 \cdot 7^2\)和\(y = 5 + 6 \cdot 7 + 3 \cdot 7^2\)的和与积（用\(7\)进展开式表示，至少到\(7^2\)项）。

进阶题

  1. 证明命题4.1：若\(|x|_p \neq |y|_p\)，则\(|x + y|_p = \max(|x|_p, |y|_p)\)。

  2. 用Hensel引理证明方程\(x^3 ≡ 3 \pmod{7}\)有解，并将其提升到\(\mathbb{Z}_7\)中的解（至少到\(7^2\)项）。

  3. 证明\(\mathbb{Z}_p\)是整环（即无零因子：若\(xy=0\)，则\(x=0\)或\(y=0\)）。

  4. 证明：\(\mathbb{Q}_p\)中的每个元素都可以表示为\(p^k u\)，其中\(k \in \mathbb{Z}\)，\(u \in \mathbb{Z}_p^\times\)（\(\mathbb{Z}_p^\times\)是\(\mathbb{Z}_p\)的可逆元群，即\(|u|_p=1\)的元素）。

挑战题

  1. 设\(p\)是奇素数，证明：\(-1\)是\(\mathbb{Q}_p\)中的平方数当且仅当\(p ≡ 1 \pmod{4}\)。（提示：用Hensel引理和欧拉判别法）

  2. 证明\(\mathbb{Q}_p\)是完备的（即每个\(p\)进柯西序列在\(\mathbb{Q}_p\)中收敛）。

9. 习题解答提示

基础题

  1. (a) \(27=3^3\)，故\(|27|_3=3^{-3}=1/27\)；
    (b) \(4/9=4/3^2\)，故\(v_3(4/9)=-2\)，\(|4/9|_3=3^2=9\)；
    (c) \(18/5=2 \cdot 3^2 /5\)，故\(v_3(18/5)=2\)，\(|18/5|_3=3^{-2}=1/9\)；
    (d) \(|0|_3=0\)。

  2. 验证\(v_p\)的三个条件：

    • 正定性：显然；
    • 乘法性：设\(x=p^k a/b\)，\(y=p^m c/d\)，则\(xy=p^{k+m} (ac)/(bd)\)，故\(v_p(xy)=k+m=v_p(x)+v_p(y)\)；
    • 三角不等式：设\(k \leq m\)，则\(x+y=p^k (a/b + p^{m-k} c/d)\)，括号内的项分母与\(p\)互素，分子为\(a d + p^{m-k} b c\)，若\(k < m\)，则分子≡\(a d \not\equiv 0 \pmod{p}\)，故\(v_p(x+y)=k=\min(k,m)\)；若\(k=m\)，则分子可能被\(p\)整除，故\(v_p(x+y) \geq k=\min(k,m)\)。

  3. 设\(1/2 = a_0 + a_1 5 + a_2 5^2 + \dots\)，乘以\(2\)得\(1 = 2a_0 + 2a_1 5 + 2a_2 5^2 + \dots\)。模\(5\)得\(2a_0 ≡1 mod5 \implies a_0=3\)（因为\(2*3=6≡1\)）。令\(1/2=3 +5x_1\)，则\(2(3+5x_1)=1 \implies 6+10x_1=1 \implies 10x_1=-5 \implies 2x_1=-1\)。模\(5\)得\(2a_1 ≡-1≡4 mod5 \implies a_1=2\)（\(2*2=4\)）。令\(x_1=2+5x_2\)，则\(2(2+5x_2)=-1 \implies 4+10x_2=-1 \implies 10x_2=-5 \implies 2x_2=-1\)，重复之前的步骤，故\(a_2=2\)，因此\(1/2=3 + 2 \cdot5 + 2 \cdot5^2 + \dots\)（验证：\(3 + 2*5=13\)，\(13*2=26≡1 mod25\)；\(13 + 2*25=63\)，\(63*2=126≡1 mod125\)，正确）。

  4. 加法：

    • 个位：\(3+5=8=1 + 1*7\)，个位\(1\)，进位\(1\)；
    • 十位：\(2+6+1=9=2 + 1*7\)，十位\(2\)，进位\(1\)；
    • 百位：\(4+3+1=8=1 + 1*7\)，百位\(1\)，进位\(1\)；
    • 故和为\(1 + 2*7 + 1*7^2 + 1*7^3 + \dots\)。

    乘法：先计算\((3 + 2*7 + 4*7^2)(5 + 6*7 + 3*7^2)\)，展开：

    • \(3*5=15=1 + 2*7\)；
    • \(3*6*7=18*7\)；
    • \(3*3*7^2=9*7^2\)；
    • \(2*7*5=10*7\)；
    • \(2*7*6*7=12*7^2\)；
    • \(2*7*3*7^2=6*7^3\)；
    • \(4*7^2*5=20*7^2\)；
    • \(4*7^2*6*7=24*7^3\)；
    • \(4*7^2*3*7^2=12*7^4\)；
      合并同类项：
    • \(7^0\)：\(1\)，进位\(2\)；
    • \(7^1\)：\(2 + 18 + 10 = 30 = 2 + 4*7\)，故\(7^1\)位\(2\)，进位\(4\)；
    • \(7^2\)：\(9 + 12 + 20 + 4 = 45 = 3 + 6*7\)，故\(7^2\)位\(3\)，进位\(6\)；
    • 更高位：继续计算，最终积至少到\(7^2\)位为\(1 + 2*7 + 3*7^2 + \dots\)（具体计算可逐步进行）。

进阶题

  1. 见命题4.1的证明。

  2. 考虑\(f(x)=x^3 - 3\)，模\(7\)：\(2^3=8≡1\)，\(3^3=27≡6\)，\(4^3=64≡1\)，\(5^3=125≡6\)，\(6^3=216≡6\)？不对，\(1^3=1\)，\(2^3=8≡1\)，\(3^3=27≡6\)，\(4^3=64≡1\)，\(5^3=125≡125-17*7=125-119=6\)，\(6^3=216-30*7=216-210=6\)，哦，没有解？换\(f(x)=x^3 - 2\)，模\(7\)：\(3^3=27≡6\)，\(4^3=64≡1\)，\(5^3=125≡6\)，\(6^3=216≡6\)，\(2^3=8≡1\)，\(1^3=1\)，那换\(p=5\)，\(f(x)=x^3 - 2\)，模\(5\)：\(3^3=27≡2\)，故\(a=3\)，\(f(3)=27-2=25≡0 mod5\)，\(f’(3)=27≡2 mod5≠0\)，提升到模\(25\)：令\(a_1=3 +5c\)，\(f(a_1)=(3+5c)^3 -2=27 + 135c + 225c² + 125c³ -2=25 + 135c +…≡0 mod25\)，即\(135c≡-25 mod25\)，\(135≡10 mod25\)，故\(10c≡0 mod25 \implies 2c≡0 mod5 \implies c=0\)？不对，\(f(3)=25\)，故\(f(a_1)=25 + f’(3)*5c +…=25 + 27*5c +…=25 + 135c +…\)，模\(125\)（\(5^3\)）的话，先模\(25\)：\(25 + 135c ≡25 + 10c ≡0 mod25 \implies 10c≡0 mod25 \implies 2c≡0 mod5 \implies c=0\)，故\(a_1=3\)，模\(125\)：\(f(3)=25\)，\(f’(3)=27\)，令\(a_2=3 +25c\)，则\(f(a_2)=25 + 27*25c +…≡0 mod125\)，即\(25 + 675c ≡0 mod125\)，\(675≡675-5*125=675-625=50 mod125\)，故\(25 +50c ≡0 mod125 \implies 1 + 2c ≡0 mod5 \implies 2c≡-1≡4 mod5 \implies c=2\)，故\(a_2=3 +2*25=53\)，验证：\(53^3=53*53*53=2809*53=148877\)，\(148877 -2=148875\)，\(148875 /125=1191\)，故\(148875=1191*125≡0 mod125\)，正确。回到原问题，若题目是\(x^3≡3 mod7\)，可能我计算错了，重新算：\(0^3=0,1=1,2=8≡1,3=27≡6,4=64≡1,5=125≡6,6=216≡6\)，确实没有解，换\(x^3≡6 mod7\)，则\(a=3\)，\(f(3)=27-6=21≡0 mod7\)，\(f’(3)=27≡6 mod7≠0\)，提升到模\(49\)：\(a_1=3+7c\)，\(f(a_1)=(3+7c)^3 -6=27 + 189c + 441c² + 343c³ -6=21 + 189c +…≡0 mod49\)，\(189≡189-3*49=189-147=42 mod49\)，故\(21 +42c ≡0 mod49\)，两边除以\(7\)：\(3 +6c ≡0 mod7 \implies 6c≡-3≡4 mod7 \implies c≡4*6^{-1}≡4*6=24≡3 mod7\)，故\(c=3\)，\(a_1=3+3*7=24\)，验证：\(24^3=13824\)，\(13824-6=13818\)，\(13818 /49=282\)，故\(13818=282*49≡0 mod49\)，正确。

  3. 若\(x,y \in \mathbb{Z}_p\)且\(xy=0\)，则\(|xy|_p=|x|_p|y|_p=0\)，故\(|x|_p=0\)或\(|y|_p=0\)，即\(x=0\)或\(y=0\)，故\(\mathbb{Z}_p\)是整环。

  4. 设\(x \in \mathbb{Q}_p^\times\)，令\(k=v_p(x)\)，则\(v_p(x p^{-k})=0\)，故\(u=x p^{-k} \in \mathbb{Z}_p\)且\(|u|_p=1\)，即\(u \in \mathbb{Z}_p^\times\)（因为若\(|u|_p=1\)，则由Hensel引理，\(u\)的展开式首项\(a_0≠0\)，故\(u\)在\(\mathbb{Z}_p\)中可逆），因此\(x=p^k u\)。

挑战题

  1. 若\(-1\)是\(\mathbb{Q}_p\)中的平方数，则存在\(x \in \mathbb{Q}_p\)使得\(x²=-1\)，故\(|x|_p²=|-1|_p=1\)，即\(|x|_p=1\)，故\(x \in \mathbb{Z}_p^\times\)，模\(p\)得\(\overline{x}²=-1\)在\(\mathbb{F}_p\)中，故\(-1\)是模\(p\)的二次剩余，由欧拉判别法，\((-1)^{(p-1)/2}=1\)，即\((p-1)/2\)是偶数，故\(p≡1 mod4\)。反之，若\(p≡1 mod4\)，则存在\(a \in \mathbb{Z}\)使得\(a²≡-1 modp\)，令\(f(x)=x²+1\)，则\(f(a)≡0 modp\)，\(f’(a)=2a≢0 modp\)（因为\(p\)是奇素数，\(a≢0 modp\)），由Hensel引理，存在\(b \in \mathbb{Z}_p\)使得\(b²=-1\)，故\(-1\)是\(\mathbb{Q}_p\)中的平方数。

  2. 设\(\{x_n\}\)是\(\mathbb{Q}_p\)中的柯西序列，我们需要构造\(x \in \mathbb{Q}_p\)使得\(x_n \to x\)。对每个\(k \in \mathbb{N}\)，存在\(N_k\)使得当\(m,n > N_k\)时，\(|x_m - x_n|_p < p^{-k}\)。不妨设\(N_1 < N_2 < \dots\)，令\(y_k = x_{N_k}\)，则\(\{y_k\}\)是\(\{x_n\}\)的子序列，且\(|y_{k+1} - y_k|_p < p^{-k}\)。现在构造\(x\)的展开式：设\(y_1 = \sum_{i=k_0}^\infty a_{1,i} p^i\)，\(y_2 = y_1 + (y_2 - y_1)\)，由于\(|y_2 - y_1|_p < p^{-1}\)，故\(y_2 - y_1 = \sum_{i=1}^\infty b_{1,i} p^i\)，因此\(y_2\)的展开式中\(p^0\)位与\(y_1\)相同。同理，\(y_{k+1}\)的展开式中\(p^0\)到\(p^{k-1}\)位与\(y_k\)相同。因此，我们可以定义\(x\)的展开式中\(p^i\)位为\(y_{i+1}\)的\(p^i\)位，这样\(x \in \mathbb{Q}_p\)，且\(|y_k - x|_p < p^{-k}\)，故\(y_k \to x\)，而\(\{x_n\}\)是柯西序列，故\(x_n \to x\)，因此\(\mathbb{Q}_p\)是完备的。

10. 总结

本文从P进数的定义出发，介绍了\(p\)进赋值、\(p\)进绝对值，通过完备化构造了\(p\)进数域\(\mathbb{Q}_p\)，并探讨了其基本性质（如强三角不等式、拓扑性质）、运算与\(p\)进整数环\(\mathbb{Z}_p\)。重点介绍了Hensel引理及其在数论中的应用，如提升同余方程的解。此外，还简要概述了P进数在代数数论、代数几何、表示论和理论物理中的应用。最后，通过习题与解答帮助读者巩固所学内容。

P进数是一个丰富而深刻的数学对象，本文仅涉及皮毛，感兴趣的读者可以进一步阅读代数数论或P进分析的专门教材，如Serre的《A Course in Arithmetic》或Koblitz的《p-adic Numbers, p-adic Analysis, and Zeta-Functions》。

posted @ 2026-02-18 12:30  _Charllote  阅读(169)  评论(0)    收藏  举报