Index. Elementary Number Theory [0005]
Index. Elementary Number Theory [0005]
These are my notes on the Göttingen summer 2025 Elementary Number Theory lecture by Prof. Dr. Jörg Bruedern.
Definition 1. Diophantische Gleichung [004H]
Definition 1. Diophantische Gleichung [004H]
Gleichungen die ueber der Menge der ganzen Zahlen zu loesen sind nennen wir diophantische Gleichungen.
Index 2. Pythagorean Triples [004U]
Index 2. Pythagorean Triples [004U]
Definition 2.1. Pythagorean Triple [004V]
Definition 2.1. Pythagorean Triple [004V]
Solutions of the diophantine equation are called pythagorean triples.
Theorem 2.2. Solutions of Pythagorean Triples as circle sections [004W]
Theorem 2.2. Solutions of Pythagorean Triples as circle sections [004W]
This concept generalizes to other conic sections.
Index 3. Divisibility [002S]
Index 3. Divisibility [002S]
Definition 3.1. Divisor [001V]
Definition 3.1. Divisor [001V]
Let be an integer. A natural number is called a divisor of if there exists such that We write , say divides . We denote the set of all divisors by We write for the number of divisors of .
Definition 3.2. Prime Number [0034]
Definition 3.2. Prime Number [0034]
A natural number is called pime if it has exactly two divisors. Hence .
Theorem 3.4. Division with Remainder [004Y]
Theorem 3.4. Division with Remainder [004Y]
For every where there exists a unique pair of numbers and such that and .
Proof. The set is not empty, thus contains a minimal element . This gives us existence. Now to uniqueness: Let there be two pairs that fullfill our requirements. We now have . This gives us , but , which is only possible with . This forces as well.
Theorem 3.5. Euclidean Algorithm [000Y]
Theorem 3.5. Euclidean Algorithm [000Y]
The euclidean algorithm starts with two integers and and performs successive division with remainder until it is zero, like follows.
The algorithm computes the the greatest common divisor of and . For a proof see the Euclid's Theorem.
Definition 3.6. Coprime [001N]
Definition 3.6. Coprime [001N]
Two natural numbers are called coprime if their greatest common divisor is 1.
Theorem 3.7. Euclid [004Z]
Theorem 3.7. Euclid [004Z]
The euclidean algorithm computes the greatest common divisor.
Proof. TODO
Lemma 3.8. Bezout [0038]
Lemma 3.8. Bezout [0038]
For any natural numbers . There exist integers such that the gcd of can we written as .
Proof. Do the Euclidean Algorithm in reverse.
Corollary 3.9. [0039]
Corollary 3.9. [0039]
Let with the gcd of and equal to 1, and . Then .
Proof. From Bezout's Lemma there exists integers with . Multiply by to get . Since and by hypothesis, it follows that .
Index 4. Prime Numbers [002T]
Index 4. Prime Numbers [002T]
Definition 4.1. Prime Number [0034]
Definition 4.1. Prime Number [0034]
A natural number is called pime if it has exactly two divisors. Hence .
Lemma 4.2. Euclid's Lemma [0050]
Lemma 4.2. Euclid's Lemma [0050]
Let and prime with then or .
Proof. We only need to show the case where . Because is prime, it has exactly the divisors . does not divide so their only common divisor is . Thus . We are done by applying this corollary.
Theorem 4.3. Fundamental Theorem of Arithmetic [0052]
Theorem 4.3. Fundamental Theorem of Arithmetic [0052]
For any natural number there exists a unique finite series of primes such that .
Proof. To show existence we perform induction over . If there is nothing to show. Thus let . If is prime there is nothing to show, so let be not prime. In that case ther exist with By induction hypothesis and are themselves products of primes, and by extension as well.
To show uniqueness we assume two factorizations and . Without loss of generality we assume that . By Euclid's Lemma there exists such that thus . We now perform induction over . if then must also be 1, since dividing by shows that is contradictory otherwise. For we can divide both sides by (since ) and apply the induction hypothesis.
Theorem 4.4. Infinity of Primes [004X]
Theorem 4.4. Infinity of Primes [004X]
There are infinitely many primes.
Proof. Suppose are the only primes. Since has a prime factorization there exists with . But so must also divide . That is a contradiction.
Index 5. Restklassenringe [002U]
Index 5. Restklassenringe [002U]
TODO
Index 6. Polynome und Kongruenzen [002V]
Index 6. Polynome und Kongruenzen [002V]
Index 7. Primitivwurzeln und Potenzreste [002W]
Index 7. Primitivwurzeln und Potenzreste [002W]
TODO
Index 8. Quadratische Reste [0006]
Index 8. Quadratische Reste [0006]
Index 9. Ternaere Quadratische Reste [002X]
Index 9. Ternaere Quadratische Reste [002X]
Index 10. Pell's Equation [0013]
Index 10. Pell's Equation [0013]
Definition 10.1. Pell's Equation [0030]
Definition 10.1. Pell's Equation [0030]
For an integer we call a diophantine equation of the form Pell's equation.
Remark 10.2. Trivial cases of the Pell equation [004N]
Remark 10.2. Trivial cases of the Pell equation [004N]
- If , or , then is the only solution.
- If all solutions are and an aritrary .
- If all solutions are .
Proof.
- In the first case we can write the equation as , then . If , write . This forces and thus . If is of the form , then we have , forcing and .
- This is clear.
- We have . Our only options are and
The only case left to discuss is the case where is positive and not a square.
Definition 10.3. [004J]
Definition 10.3. [004J]
Let be a natural number and not a square. We denote the set by , read as adjoint with .
Definition 10.4. Conjugate element [004K]
Definition 10.4. Conjugate element [004K]
For an element of we define its conjugate by .
Observation 10.5. Solutions of the Pell equation as units [004L]
Observation 10.5. Solutions of the Pell equation as units [004L]
We can identify a solution of the Pell equation with the pair . In this case is the inverse of , since . From this point of iew, the solutions of the Pell equation are precisely the units of .
Observation 10.6. Products of Solutions of the Pell Equation [004M]
Observation 10.6. Products of Solutions of the Pell Equation [004M]
We obtain new solutions by multiplying solutions we have already found.
Proof. Let and in be invertible; then is also invertible since . Therfore, also corresponds to a solution.
Theorem 10.7. Fundamental Solution of the Pell Equation [004O]
Theorem 10.7. Fundamental Solution of the Pell Equation [004O]
The minimum element of the set is well-defined. We call this element the fundamental solution of the Pell equation and denote it by .
Proof. TODO
Theorem 10.8. Loesungen der pellschen Gleichung [004P]
Theorem 10.8. Loesungen der pellschen Gleichung [004P]
Sei be non-square. Then the solutions of the Pell equation are exactly . where is the fundamental Solution.
Proof. TODO
Index 11. Arithmetische Funktionen [0026]
Index 11. Arithmetische Funktionen [0026]
Definition 11.1. Arithmetische Funktion [0014]
Definition 11.1. Arithmetische Funktion [0014]
heisst artihmetische Funktion. Arithmetische Funktionen sind also komplexe Folgen.
Definition 11.2. multiplikative arithmetische Funktion [0015]
Definition 11.2. multiplikative arithmetische Funktion [0015]
Eine arithmetische Funktion heisst multiplikativ, wenn
Ist , dann heisst vollstaendig multiplikativ.
Definition 11.3. Dirichlet-Faltung [0016]
Definition 11.3. Dirichlet-Faltung [0016]
Seien arithmetische Funktionen. Wir nennen
die Dirichlet-Faltung von und .
Definition 11.4. Moebius-Funktion [001O]
Definition 11.4. Moebius-Funktion [001O]
Die Moebius-Funktion ist die arithmetische Funktion gegeben durch
Index 12. Dirichlet Reihen [002Y]
Index 12. Dirichlet Reihen [002Y]
Index 13. Mittelwerte Arithmetischer Funktionen [002Z]
Index 13. Mittelwerte Arithmetischer Funktionen [002Z]
Die Werteverteilungen arithmetischer Funktionen sind interessant, da sie Einblicke in Primfaktorzerlegung und Primzahlverteilung gewaeren.
Arithmetische Funktionen verhalten sich allerdings teils chaotisch. So nimmt z.B. die Teileranzahl fuer Primzahlen stehts , und fuer andere Zahlen sehr grosse Werte an. Die Funktion ist also nicht beschraenkt.
Untersuchungen auf einen Grenzwert sind dann hoffnungslos. Wir definieren deshalb das arithmetische Mittel.
Definition 13.1. Arithmetisches Mittel [003B]
Definition 13.1. Arithmetisches Mittel [003B]
Sei arithmetisch. Die durch
gegebene Funktion heisst das arithmetische Mittel von .
Sei beispielsweise , dann konvergiert gegen , auch wenn keinen Grenzwert hat.
Wir koennen also unter Umstaenden nach einem Grenzwert von fragen, auch wenn nicht konvergiert. Konvergiert bereits, dann sind die Grenzwerte die selben.
Proof. TODO
Definition 13.2.
[003C]
Definition 13.2. [003C]
Definition 13.3. Landau O-Notation [003D]
Definition 13.3. Landau O-Notation [003D]
Seien zwei beliebige Funktionen. Wenn eine Konstante existiert, sodass
dann schreiben wir .
Index 14. Binaere quadratische Formen [003F]
Index 14. Binaere quadratische Formen [003F]
Definition 14.2. Diskriminante [003H]
Definition 14.2. Diskriminante [003H]
Zu einer binaere quadratische Formen definieren wir die Diskrimante als
Ist die Diskriminante ein Quadrat, koennen wir mit der Methodik aus XX bereits alle ganzen Loesungen von bestimmen. Sei also im folgenden kein Quadrat.
Definition 14.3. Modulgruppe [003J]
Definition 14.3. Modulgruppe [003J]
Die Modulgruppe bildet unter Matrixmultiplikation eine Gruppe.
Definition 14.4. Ganzzahlig aequivalent [003M]
Definition 14.4. Ganzzahlig aequivalent [003M]
Zwei binaere quadratische Formen heissen ganzzahlig aequivalent, wenn es eine Koordinatentransformation in der Modulgruppe gibt, sodass
Fassen wir als Koordinatentransformation auf erhalten wir fuer
dass
Also ist mit
Definition 14.5. Primitiv [003L]
Definition 14.5. Primitiv [003L]
Binaere quadratische Formen der Form heissen primitiv, wenn
Theorem 14.6. [003N]
Theorem 14.6. [003N]
Zwei ganzzahlig aequivalente binaere quadratische Formen und haben die selbe Diskriminante und .
Proof. TODO
Definition 14.8. Klassenzahl [003P]
Definition 14.8. Klassenzahl [003P]
Wir notieren die Anzahl der primitiven Aequivalenzklassen von Formen mit Diskriminante mit . Wir nennen die Klassenzahl von .
Index 15. Automorphismen [003Q]
Index 15. Automorphismen [003Q]
Wir moechten im folgenden die Loesungen einer binaeren quadratischen Form in Beziehung zu den Loesungen einer Pellschen Gleichung setzen.
Dafuer untersuchen wir Koordinatentransformationen , die fuer eine gegebene binaere quadratische Form
erfuellen.
Definition 15.1. Automorphismengruppe [003R]
Definition 15.1. Automorphismengruppe [003R]
Fuer eine gegebene quadratischen Form ist die Menge der Automorphismen in der Modulgruppe gegeben durch
Wir nennen diese Gruppe Automorphismengruppe.
Lemma 15.2. [003S]
Lemma 15.2. [003S]
Die Automorphismengruppe ist eine Untergruppe der Modulgruppe.
Theorem 15.3. [003W]
Theorem 15.3. [003W]
Sei eine Diskriminante und kein Quadrat, nach Definition und nach Definition.
Wir definieren
Das Bild von ist eine Gruppe unter der Multiplikation in .
Proof. TODO
(Inversenbildung) Sei . Dann ist auch .
(Multiplikation)