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User:Virginia-American/Sandbox/Eisenstein reciprocity

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926: 1065: 1273: 1169: 800: 2405: 1590: 202:
Although Eisenstein's reciprocity law is only a very special case of more general reciprocity laws, it turned out to be an indispensable step for proving these general laws until Furtwängler succeeded in finally giving a proof of the reciprocity law in
949: 1772: 1468: 1177: 1073: 921:{\displaystyle \left({\frac {\alpha }{\beta }}\right)_{m}={\begin{cases}\zeta {\mbox{ where }}\zeta ^{m}=1&{\mbox{ if }}\alpha {\mbox{ and }}\beta {\mbox{ are relatively prime}}\\0&{\mbox{ otherwise}}\\\end{cases}}} 115:
In order to prove higher reciprocity laws, the methods known to Gauss were soon found to be inadequate. The most obvious obstacle, namely the fact that the unique factorization theorem fails to hold for the rings
2234: 2163: 753: 2668: 522: 2756: 1841: 2289: 3273: 2496: 3038: 2294: 1636: 691: 575: 1482: 466: 348: 3409: 239: 3208: 2887: 2847: 2564: 2061: 2021: 2976: 788: 413: 3314: 1337: 1309: 3148: 2924: 2601: 2098: 155: 3079: 629: 1060:{\displaystyle {\mbox{If }}\eta \in {\mathcal {O}}_{m}{\mbox{ and }}\alpha \equiv \eta ^{m}{\pmod {\beta }}{\mbox{ then }}\left({\frac {\alpha }{\beta }}\right)_{m}=1.} 3465: 3340: 2431: 1676: 47:
are a collection of theorems in number theory. The name "reciprocity" (coined by Legendre) refers to the fact that they state conditions under whcich the congruence
3111: 382: 2692: 1704: 1908: 1377: 1364: 1268:{\displaystyle {\mbox{If }}\left({\frac {\alpha }{\beta }}\right)_{m}=1{\mbox{ then }}\alpha {\mbox{ may or may not be an }}m{\mbox{-th power}}{\pmod {\beta }}.} 3429: 3360: 2787: 1961: 1885: 1865: 1696: 1656: 607: 303: 279: 259: 191: 1164:{\displaystyle {\mbox{If }}\left({\frac {\alpha }{\beta }}\right)_{m}\neq 1{\mbox{ then }}\alpha {\mbox{ is not an }}m{\mbox{-th power}}{\pmod {\beta }}.} 1918: 3719: 3695: 2168: 3711: 3687: 241:
without the help of Eisenstein's reciprocity law. It should be also noted that Eisenstein's reciprocity law holds for all primes
2103: 21: 712: 2606: 471: 2697: 2400:{\displaystyle ({\tfrac {\alpha }{r}})_{p}=({\tfrac {r}{\alpha }})_{p}=({\tfrac {r}{{\mathfrak {A}}_{j}}})_{p}^{p}\;\;} 1802: 2239: 3213: 2436: 1585:{\displaystyle \left({\frac {1-\zeta _{m}}{a}}\right)_{m}=\left({\frac {\zeta _{m}}{a}}\right)_{m}^{\frac {m-1}{2}}.} 2981: 1929: 1604: 634: 543: 430: 312: 3365: 1925: 206: 3153: 34: 2852: 2792: 2509: 2026: 1966: 2929: 1933: 1844: 1784: 96: 17: 3475: 762: 387: 76: 3291: 1314: 1286: 3116: 2892: 2569: 2066: 704: 837: 3485: 170: 162: 158: 119: 88: 38: 3043: 612: 582: 3728: 3715: 3691: 3490: 3480: 3434: 3319: 166: 80: 2410: 1661: 3090: 1767:{\displaystyle \left({\frac {\alpha }{a}}\right)_{m}=\left({\frac {a}{\alpha }}\right)_{m}.} 1340: 586: 424: 416: 361: 1463:{\displaystyle \left({\frac {\zeta _{m}}{a}}\right)_{m}=\zeta _{m}^{\frac {a^{m-1}-1}{m}}.} 3741: 2759: 197:
that could be proved within the cyclotomic framework is Eisenstein's reciprocity law. ...
194: 84: 44: 2676: 1890: 1346: 3414: 3345: 2772: 1946: 1870: 1850: 1681: 1641: 592: 288: 264: 244: 176: 940: 525: 282: 92: 1796: 306: 104: 100: 83:
reciprocity. It lies midway between these special cases and the more general
173:
reciprocity, however, did not yield the general reciprocity theorem for
75:
The Eisenstein reciprocity law generalizes some of our previous work on
2100:
Use the unique factorization theorrem for prime ideals to deduce that
2291:
is semi-primary. Now use Eisenstein's reciprocity law to deduce that
3684:
A Classical Introduction to Modern Number Theory (Second edition)
2229:{\displaystyle {\mathfrak {A}}_{i},\;\;i=0,1,\dots ,p-1.\;\;} 1617: 969: 769: 731: 556: 394: 914: 2762:. The only Wieferich primes below 4×10 are 1093 and 3511. 2158:{\displaystyle (x+y\zeta ^{i})={\mathfrak {A}}_{i}^{p}\;} 111:
Lemmermeyer begins the chapter on Eisenstein reciprocity
1936:'s theorems. These four exercises are from Lemmermeyer: 2358: 2330: 2302: 1240: 1230: 1220: 1182: 1136: 1126: 1116: 1078: 1020: 981: 954: 905: 889: 879: 869: 844: 3437: 3417: 3368: 3348: 3322: 3294: 3216: 3156: 3119: 3093: 3046: 2984: 2932: 2895: 2855: 2795: 2775: 2700: 2679: 2609: 2572: 2512: 2439: 2413: 2297: 2242: 2171: 2106: 2069: 2029: 1969: 1949: 1893: 1873: 1853: 1805: 1707: 1684: 1664: 1644: 1638:
be primary (and therefore relatively prime to  
1607: 1485: 1380: 1349: 1317: 1289: 1180: 1076: 952: 803: 765: 748:{\displaystyle \alpha ,\beta \in {\mathcal {O}}_{m},} 715: 637: 615: 595: 546: 474: 433: 390: 364: 315: 291: 267: 247: 209: 179: 165:
numbers. The direct generalization of the proofs for
122: 2663:{\displaystyle 2^{p-1}\equiv 1{\pmod {p^{2}}}.\;\;} 517:{\displaystyle \zeta _{m}=e^{2\pi i{\frac {1}{m}}}} 3459: 3423: 3403: 3354: 3334: 3308: 3267: 3202: 3142: 3105: 3073: 3032: 2970: 2918: 2881: 2841: 2781: 2751:{\displaystyle 2^{p-1}\equiv 1{\pmod {p^{2}}}\;\;} 2750: 2686: 2662: 2595: 2558: 2490: 2425: 2399: 2283: 2228: 2157: 2092: 2055: 2015: 1955: 1902: 1879: 1859: 1835: 1766: 1690: 1670: 1650: 1630: 1584: 1462: 1358: 1331: 1303: 1267: 1163: 1059: 920: 782: 747: 685: 623: 601: 569: 516: 460: 407: 376: 342: 297: 273: 253: 233: 185: 149: 1924:Eisenstein reciprocity is used in some proofs of 1836:{\displaystyle K\supset \mathbb {Q} (\zeta _{l})} 59:) has a solution in terms of the solvability of 2284:{\displaystyle \alpha =\zeta ^{y}x+\zeta ^{-x}y} 3268:{\displaystyle 3^{p-1}\equiv 1{\pmod {p^{2}}}.} 2491:{\displaystyle r^{p-1}\equiv 1{\pmod {p^{2}}}.} 935:-th power version of the classical (quadratic, 3033:{\displaystyle r^{p-1}\equiv 1{\pmod {p^{2}}}} 3411:is solvable for all but finitely many primes 1631:{\displaystyle \alpha \in {\mathcal {O}}_{m}} 686:{\displaystyle {\pmod {(1-\zeta _{m})^{2}}}.} 570:{\displaystyle \alpha \in {\mathcal {O}}_{m}} 8: 3708:Reciprocity Laws: from Euler to Eisenstein 3199: 3139: 3138: 2915: 2914: 2838: 2747: 2746: 2683: 2659: 2658: 2592: 2591: 2555: 2396: 2395: 2225: 2224: 2190: 2189: 2154: 2089: 2088: 2012: 609:, and is congruent to a rational (i.e. in 3682:Ireland, Kenneth; Rosen, Michael (1990), 3448: 3436: 3416: 3385: 3373: 3367: 3347: 3321: 3302: 3301: 3293: 3252: 3239: 3221: 3215: 3187: 3174: 3161: 3155: 3118: 3092: 3045: 3020: 3007: 2989: 2983: 2959: 2946: 2931: 2894: 2875: 2874: 2854: 2826: 2813: 2800: 2794: 2774: 2736: 2723: 2705: 2699: 2678: 2645: 2632: 2614: 2608: 2571: 2543: 2530: 2517: 2511: 2475: 2462: 2444: 2438: 2412: 2389: 2384: 2371: 2365: 2364: 2357: 2345: 2329: 2317: 2301: 2296: 2269: 2253: 2241: 2180: 2174: 2173: 2170: 2148: 2143: 2137: 2136: 2123: 2105: 2068: 2049: 2048: 2028: 2000: 1987: 1974: 1968: 1948: 1892: 1872: 1852: 1824: 1813: 1812: 1804: 1755: 1741: 1727: 1713: 1706: 1683: 1678:  is also relatively prime to   1663: 1643: 1622: 1616: 1615: 1606: 1560: 1555: 1540: 1534: 1520: 1504: 1491: 1484: 1432: 1425: 1420: 1407: 1392: 1386: 1379: 1348: 1325: 1324: 1316: 1297: 1296: 1288: 1246: 1239: 1229: 1219: 1207: 1193: 1181: 1179: 1142: 1135: 1125: 1115: 1103: 1089: 1077: 1075: 1045: 1031: 1019: 1003: 997: 980: 974: 968: 967: 953: 951: 904: 888: 878: 868: 854: 843: 832: 823: 809: 802: 774: 768: 767: 764: 736: 730: 729: 714: 670: 660: 638: 636: 617: 616: 614: 594: 561: 555: 554: 545: 502: 492: 479: 473: 461:{\displaystyle \mathbb {Q} (\zeta _{m}),} 446: 435: 434: 432: 399: 393: 392: 389: 363: 343:{\displaystyle \mathbb {Q} (\zeta _{l}).} 328: 317: 316: 314: 290: 266: 246: 222: 211: 210: 208: 178: 135: 124: 123: 121: 3404:{\displaystyle x^{l}\equiv a{\pmod {p}}} 2849:for pairwise relatively prime integers 2023:for pairwise relatively prime integers 234:{\displaystyle \mathbb {Q} (\zeta _{l})} 3502: 3737: 3726: 3282:Eisenstein's law can be used to prove 3203:{\displaystyle x^{p}+y^{p}+z^{p}=0.\;} 3665:Ireland & Rosen, ch. 14.6, thm. 4 2882:{\displaystyle x,y,z\in \mathbb {Z} } 2842:{\displaystyle x^{p}+y^{p}+z^{p}=0\;} 2559:{\displaystyle x^{p}+y^{p}+z^{p}=0\;} 2056:{\displaystyle x,y,z\in \mathbb {Z} } 2016:{\displaystyle x^{p}+y^{p}+z^{p}=0\;} 193:-th powers; indeed, the most general 7: 2971:{\displaystyle p\nmid (x^{2}-y^{2})} 1783:The theorem is a consequence of the 261:, whereas Kummer had to assume that 3393: 3247: 3015: 2731: 2670:(Hint: Use the preceding exercise) 2640: 2470: 2366: 2175: 2138: 1919:First case of Fermat's last theorem 1254: 1150: 1011: 646: 3575:Ireland & Rosen, ch. 14 thm. 1 2789:be an odd prime, and assume that 1963:be an odd prime, and assume that 1311:  be an odd prime and   783:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{m}} 408:{\displaystyle {\mathcal {O}}_{m}} 28: 3309:{\displaystyle a\in \mathbb {Z} } 1887:, then Eisenstein's law holds in 1332:{\displaystyle a\in \mathbb {Z} } 1304:{\displaystyle m\in \mathbb {Z} } 3286:Theorem (Trost, Ankeny, Rogers). 1232: may or may not be an  3712:Springer Science+Business Media 3688:Springer Science+Business Media 3518:Ireland and Rosen, ch.14, intro 3386: 3240: 3143:{\displaystyle p\nmid xyz,\;\;} 3008: 2919:{\displaystyle p\nmid xyz.\;\;} 2724: 2633: 2596:{\displaystyle p\nmid xyz;\;\;} 2463: 2093:{\displaystyle p\nmid xyz.\;\;} 1867:-th roots of unity for a prime 1247: 1143: 1004: 639: 99:and then in full generality by 3397: 3387: 3258: 3241: 3065: 3053: 3026: 3009: 2965: 2939: 2742: 2725: 2651: 2634: 2481: 2464: 2381: 2354: 2342: 2326: 2314: 2298: 2129: 2107: 1830: 1817: 1258: 1248: 1154: 1144: 1015: 1005: 676: 667: 647: 640: 452: 439: 384:be an integer, and let   334: 321: 228: 215: 141: 128: 1: 3620:Ireland & Rosen, ch. 14.6 3593:Ireland & Rosen, ch. 14.5 3536:Ireland & Rosen, ch. 14.2 759:-th power residue symbol for 161:through the invention of his 150:{\displaystyle \mathbb {Z} ,} 3074:{\displaystyle r\mid (x-y).} 1917: 624:{\displaystyle \mathbb {Z} } 31:Eisenstein's reciprocity law 3706:Lemmermeyer, Franz (2000), 3763: 3545:Lemmermeyer uses the term 3527:Lemmermeyer, ch. 11, intro 3509:Lemmermeyer, ch. 11, notes 891: are relatively prime 702: 3611:Lemmermeyer, ch. 11 notes 1658:), and assume that   71:). Ireland and Rosen say 3460:{\displaystyle a=b^{l}.} 3335:{\displaystyle l\nmid a} 1279:Statement of the theorem 699:-th power residue symbol 2767:III. (Furtwängler 1912) 2426:{\displaystyle r\mid x} 1843:  is an arbitrary 1671:{\displaystyle \alpha } 354:Background and notation 35:algebraic number theory 3656:Lemmermeyer, ex. 11.37 3647:Lemmermeyer, ex. 11.36 3638:Lemmermeyer, ex. 11.33 3629:Lemmermeyer, ex. 11.32 3584:Lemmermeyer, thm. 11.9 3566:Lemmermeyer, thm. 11.9 3557:Lemmermeyer, thm. 11.9 3461: 3425: 3405: 3356: 3336: 3310: 3278:Powers mod most primes 3269: 3204: 3144: 3107: 3106:{\displaystyle p>3} 3075: 3034: 2972: 2920: 2883: 2843: 2783: 2752: 2688: 2664: 2597: 2560: 2492: 2427: 2401: 2285: 2230: 2159: 2094: 2057: 2017: 1957: 1904: 1881: 1861: 1845:algebraic number field 1837: 1785:Stickelberger relation 1768: 1692: 1672: 1652: 1632: 1597:Eisenstein reciprocity 1586: 1464: 1360: 1333: 1305: 1269: 1165: 1061: 922: 784: 749: 687: 625: 603: 571: 518: 462: 409: 378: 377:{\displaystyle m>1} 351: 344: 299: 275: 255: 235: 199: 187: 151: 109: 18:User:Virginia-American 3602:Lemmermeyer, ch. 11.2 3476:Quadratic reciprocity 3462: 3426: 3406: 3362:is an odd prime. If 3357: 3337: 3311: 3270: 3205: 3145: 3108: 3085:IV. (Mirimanoff 1911) 3076: 3035: 2973: 2926:Assume moreover that 2921: 2884: 2844: 2784: 2753: 2689: 2665: 2598: 2561: 2493: 2428: 2402: 2286: 2231: 2160: 2095: 2058: 2018: 1958: 1941:I. (Furtwängler 1912) 1905: 1882: 1862: 1838: 1769: 1693: 1673: 1653: 1633: 1587: 1465: 1361: 1334: 1306: 1270: 1166: 1128: is not an  1062: 923: 790:is either zero or an 785: 750: 688: 626: 604: 572: 519: 463: 410: 379: 345: 300: 276: 256: 236: 200: 188: 152: 113: 73: 3435: 3415: 3366: 3346: 3320: 3292: 3214: 3154: 3117: 3091: 3044: 2982: 2930: 2893: 2853: 2793: 2773: 2698: 2677: 2607: 2570: 2510: 2504:II. 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Index

User:Virginia-American
Sandbox
algebraic number theory
Gotthold Eisenstein
Reciprocity laws
quadratic
cubic
reciprocity laws
Kummer
Hilbert
Furtwängler
Artin
Hasse
Kummer
ideal
cubic
quartic
reciprocity law
regular
class number
ring of integers
cyclotomic field
primitive m-th root of unity
unit
relatively prime
Power residue symbol
Jacobi symbol
relatively prime
Stickelberger relation
Takagi

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