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수학

증명 하나.

 문제 원본은 여기 있습니다.
 이 글에서는 다음을 보일 것입니다:

 Theorem 1. 다음이 성립한다.

 \[\mathbb{Z}[[t]]/(t-p)\cong \mathbb{Z}_p\]


 우선, 함수를 하나 정의할 것입니다.

 Definition 1.\(E_p : \mathbb{Z}[[t]] \to \mathbb{Z}_p\)를

 $$ E_p (f) = f(p) $$

 로 정의한다.


 여기서, \(E_p\)는 함수 \(f\)에다 \(p\)를 대입한단 의미를 갖고 있습니다. 여기서 \(E_p\)는 잘 정의되는데, 왜냐하면

\[f(t)=f_0 + f_1 t+ f_2 t^2+\cdots\]

일 때

\[\lim_{n\to\infty} |f_n p^n|_p = 0\]

이고, 따라서

\[f_0 +f_1 p + f_2p^2+\cdots\]

는 수렴하기 떄문입니다.


우선, 보조정리를 하나 증명합시다.


 Lemma 1. \(E_p(f)=0\)일 필요충분조건은 어떤 \(g\in \mathbb{Z}[[t]]\)이 있어 \(f(t)=(t-p)g(t)\)인 것이다.


 역방향의 명제는 자명하므로, 여기선 정방향의 명제만 증명하기로 합시다.


 Proof of Lemma 1. \(f(t)=f_0 + f_1 t +f_2 t^2+\cdots \)가 \(E_p(f)=0\)를 만족할 때, 다음을 만족하는 \(g(t)=g_0 +g_1 t+g_2 t^2 +\cdots\)를 구성할 것입니다.

\[f(t)=(t-p)g(t)\]

 저러한 \(g(t)\)가 있다면 다음이 성립해야 함은 쉽게 알 수 있습니다. 또한 계수가 밑과 같이 정의된 \(g\)는 위의 식을 만족할 것입니다.

\[f_0 = -pg_0, \quad f_1 = g_0 -pg_1, \quad f_2 = g_1-pg_2 , \quad \cdots\]


 우선, \(f_0 = -pg_0\)인 \(g_0\)를 구해 봅시다. \(\mathbb{Z}_p\)에서 \(f(p)=0\)이므로 \[f(p)\equiv 0 \pmod p\]입니다. 따라서

 \[f_0 \equiv 0 \pmod p\]

 입니다. 따라서 어떤 정수 \(g_0\)가 있어 \(f_0=-pg_0\)를 만족합니다.


 이제 \(g_0,\>g_1,\cdots,g_{n-1}\)이 위와 같이 정의되었다고 합시다. \(\mathbb{Z}_p\)에서 \(f(p)=0\)이므로 \[f(p)\equiv 0 \pmod {p^{n+1}}\]입니다. 따라서

\[f_0 + f_1 p +\cdots + f_n p^n \equiv 0 \pmod {p^{n+1}}\]

 여기서 \(f_0=-pg_0,\> f_1=g_0-pg_1,\> f_2 = g_1-pg_2,\>\cdots, f_{n-1}=g_{n-2}-pg_{n-1}\)을 대입하면

\[-p^{n-1} g_{n-1} + p^{n} f_n \equiv 0 \pmod {p^{n+1}}\]

 따라서

\[-g_{n-1} + f_n \equiv 0 \pmod p\]

 이다. 위와 같은 이유로, 우리들은 \(f_n = g_{n-1}-g_n p\)인 \(g_n\)을 찾을 수 있습니다.


 이로써 우리들은 \(f(t)=(t-p)g(t)\)를 만족하는 \(g(t)\)를 구했습니다. 따라서 보조정리의 증명이 끝납니다.


 Corollary 1. \(\ker E_p = (t-p)\mathbb{Z}[[t]]\)


 이제, 주어진 명제를 증명하겠습니다.

 Proof of Theorem. 우선, 명백히 \(E_p\)는 전사입니다. Projection \(\pi: \mathbb{Z}[[t]] \twoheadrightarrow \mathbb{Z}[[t]]/(t-p) \)이 주어졌다고 합시다. 이 때 \(\ker \pi =\ker E_p\)이고 \(E_p\) 또한 전사이므로, 동형사상 \(\phi: \mathbb{Z}[[t]]/(t-p) \cong \mathbb{Z}_p\)가 존재합니다.



 Conjecture.

 \[\mathbb{Z}((t))/(t-p)\cong \mathbb{Q}_p\]


 \(\mathbb{Z}((t))/(t-p)\)가 \(\mathbb{Z}[[t]]/(t-p)\)의 Fraction field임을 보이면 증명이 끝날 듯 한데, 나중에 시간이 나면 한 번 해 보도록 하겠습니다.