Discriminant of a number field
Discriminant of an algebraic integer
Let
where
Proof
Let
, ๐น ( ๐ผ ) : = ( โ 1 ) ( ๐ 2 ) N ๐พ : โ โก ( ๐ โฒ ( ๐ผ ) ) be the ๐ ๐ : ๐พ โช โ distinct embeddings of ๐ in ๐พ , and thus โ be the ๐ผ ๐ = ๐ ๐ ( ๐ผ ) conjugates of ๐ . Expanding the definition of the field norm, ๐ผ ๐น ( ๐ผ ) = ( โ 1 ) ( ๐ 2 ) ๐ โ ๐ = 1 ๐ ๐ ( ๐ โฒ ( ๐ผ ) ) = ( โ 1 ) ( ๐ 2 ) ๐ โ ๐ = 1 ๐ โฒ ( ๐ผ ๐ ) , where since
๐ ( ๐ฅ ) = ๐ โ ๐ = 1 ( ๐ฅ โ ๐ผ ๐ ) , it follows
๐ โฒ ( ๐ผ ๐ ) = ( โ 1 โค ๐ < ๐ ( ๐ผ ๐ โ ๐ผ ๐ ) ) ( โ ๐ < ๐ โค ๐ ( ๐ผ ๐ โ ๐ผ ๐ ) ) , and thus
๐ โ ๐ = 1 ๐ โฒ ( ๐ผ ๐ ) = ( โ 1 โค ๐ < ๐ โค ๐ ( ๐ผ ๐ โ ๐ผ ๐ ) ) ( โ 1 โค ๐ < ๐ โค ๐ ( ๐ผ ๐ โ ๐ผ ๐ ) ) = ( โ 1 โค ๐ < ๐ โค ๐ ( ๐ผ ๐ โ ๐ผ ๐ ) ) 2 ( โ 1 ) ( ๐ 2 ) . Now the term being squared is precisely the determinant of the Vandermonde matrix
๐ ( ๐ผ ) = โก โข โข โข โฃ 1 ๐ผ 1 โฏ ๐ผ ๐ โ 1 1 โฎ โฎ โฑ โฎ 1 ๐ผ ๐ โฏ ๐ผ ๐ โ 1 ๐ โค โฅ โฅ โฅ โฆ therefore
. ๐น ( ๐ผ ) = d e t ๐ ( ๐ผ ) 2 = ฮ ( ๐ผ )
In particular, if the minimal polynomial is of the form
then we have
Proof
Let
. Since ๐ฝ = ๐ โฒ ( ๐ผ ) = ๐ ๐ผ ๐ โ 1 + ๐ โ O ๐พ annihilates ๐ , we have ๐ผ ๐ฝ = โ ( ๐ โ 1 ) ๐ โ ๐ ๐ ๐ผ โ 1 , ๐ผ = โ ๐ ๐ ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ; whence
and ๐พ = โ ( ๐ผ ) = โ ( ๐ผ โ 1 ) = โ ( ๐ฝ ) . Now since d e g โ โก ๐ฝ = ๐ 0 = ๐ ( ๐ผ ) = ๐ ( โ ๐ ๐ ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) = ( โ ๐ ๐ ) ๐ ( ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) โ ๐ โ ๐ ๐ ๐ ( ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) โ 1 + ๐ , we can multiply by
to get ( ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) ๐ 0 = ( โ ๐ ๐ ) ๐ โ ๐ ๐ ๐ ( ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) ๐ โ 1 + ๐ ( ๐ฝ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) ๐ , whence
๐ ( ๐ฅ ) = ( ๐ฅ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) ๐ โ ๐ ๐ ( ๐ฅ + ( ๐ โ 1 ) ๐ ) ๐ โ 1 + ( โ ๐ ) ๐ ๐ ๐ โ 1 โ โค [ ๐ฅ ] is a monic annihilating polynomial for
, which must be minimal since ๐ฝ . Again invoking the fact d e g ๐ฅ โก ๐ ( ๐ฅ ) = ๐ = d e g โ โก ๐ฝ , we have ๐พ = โ ( ๐ฝ ) ( โ 1 ) ๐ N ๐พ : โ โก ( ๐ฝ ) = ๐ ( 0 ) = ( ๐ โ 1 ) ๐ ๐ ๐ โ ( ๐ โ 1 ) ๐ โ 1 ๐ ๐ ๐ + ( โ ๐ ) ๐ ๐ ๐ โ 1 = โ ( ๐ โ 1 ) ๐ โ 1 ๐ ๐ + ( โ ๐ ) ๐ ๐ ๐ โ 1 , whence
. ฮ ( ๐ผ ) = ( โ 1 ) ๐ ( ๐ โ 1 ) 2 ( ( โ 1 ) ๐ โ 1 ( ๐ โ 1 ) ๐ โ 1 ๐ ๐ + ๐ ๐ ๐ ๐ โ 1 )