高斯整环
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高斯整数形成了一个唯一分解整环 ，其可逆元 为
1
,
−
1
,
i
,
−
i
{\displaystyle 1,-1,i,-i}
Z
[
i
]
{\displaystyle \mathbf {Z} [i]}
素元素 又称为高斯素数 高斯整数
a
+
b
i
{\displaystyle a+bi}
当且仅当 ：
a
,
b
{\displaystyle a,b}
4
n
+
3
{\displaystyle 4n+3}
−
(
4
n
+
3
)
{\displaystyle -(4n+3)}
或
a
,
b
{\displaystyle a,b}
a
2
+
b
2
{\displaystyle a^{2}+b^{2}}
高斯素数的分布 以下给出这些条件的证明。
必要条件 的证明为：仅当高斯整数的范数是素数，或素数的平方时，它才是高斯素数。这是因为对于任何高斯整数
g
{\displaystyle g}
g
∣
g
g
¯
=
N
(
g
)
{\displaystyle g\mid g{\overline {g}}=N(g)}
N
(
g
)
{\displaystyle N(g)}
算术基本定理 ，它可以分解为素数
p
1
p
2
⋯
p
n
{\displaystyle p_{1}p_{2}\cdots p_{n}}
g
{\displaystyle g}
p
i
{\displaystyle p_{i}}
i
{\displaystyle i}
g
¯
{\displaystyle {\overline {g}}}
p
i
¯
=
p
i
{\displaystyle {\overline {p_{i}}}=p_{i}}
N
(
g
)
=
g
g
¯
∣
p
i
2
{\displaystyle N(g)=g{\overline {g}}\mid p_{i}^{2}}
g
{\displaystyle g}
如果实际上对于某个素数
p
{\displaystyle p}
N
(
g
)
=
p
2
{\displaystyle N(g)=p^{2}}
g
{\displaystyle g}
g
¯
{\displaystyle {\overline {g}}}
p
2
{\displaystyle p^{2}}
g
=
p
u
{\displaystyle g=pu}
g
¯
=
p
u
¯
{\displaystyle {\overline {g}}=p{\overline {u}}}
u
{\displaystyle u}
a
=
0
{\displaystyle a=0}
b
=
0
{\displaystyle b=0}
g
=
a
+
b
i
{\displaystyle g=a+bi}
然而，不是每一个素数
p
{\displaystyle p}
2
{\displaystyle 2}
2
=
(
1
+
i
)
(
1
−
i
)
{\displaystyle 2=(1+i)(1-i)}
4
n
+
1
{\displaystyle 4n+1}
费马平方和定理 ，它们可以写成
a
2
+
b
2
{\displaystyle a^{2}+b^{2}}
a
{\displaystyle a}
b
{\displaystyle b}
a
2
+
b
2
=
(
a
+
b
i
)
(
a
−
b
i
)
{\displaystyle a^{2}+b^{2}=(a+bi)(a-bi)}
4
n
+
3
{\displaystyle 4n+3}
形为
4
n
+
3
{\displaystyle 4n+3}
g
=
p
+
0
i
{\displaystyle g=p+0i}
p
=
4
n
+
3
{\displaystyle p=4n+3}
g
=
h
k
{\displaystyle g=hk}
p
2
=
N
(
g
)
=
N
(
h
)
N
(
k
)
{\displaystyle p^{2}=N(g)=N(h)N(k)}
N
(
h
)
=
N
(
k
)
=
p
{\displaystyle N(h)=N(k)=p}
4
n
+
3
{\displaystyle 4n+3}
g
{\displaystyle g}
类似地，
i
{\displaystyle i}
4
n
+
3
{\displaystyle 4n+3}
i
{\displaystyle i}
4
n
+
1
{\displaystyle 4n+1}
如果
g
{\displaystyle g}
g
{\displaystyle g}
g
=
h
k
{\displaystyle g=hk}
N
(
g
)
=
N
(
h
)
N
(
k
)
{\displaystyle N(g)=N(h)N(k)}
N
(
g
)
{\displaystyle N(g)}
N
(
h
)
{\displaystyle N(h)}
N
(
k
)
{\displaystyle N(k)}
h
{\displaystyle h}
k
{\displaystyle k}
作为整闭包
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高斯整数环是
Z
{\displaystyle \mathbf {Z} }
高斯有理数 域 中的整闭包 ，由实数部分和虚数部分都是有理数 的复数组成。
作为欧几里德环
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在图中很容易看到，每一个复数 与最近的高斯整数的距离最多为
2
2
{\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
Z
[
i
]
{\displaystyle \mathbf {Z} [i]}
欧几里德环 ，其中
v
(
z
)
=
N
(
z
)
{\displaystyle v(z)=N(z)}
主理想整环 ，其理想皆形如
⟨
a
+
b
i
⟩
{\displaystyle \langle a+bi\rangle }
(
a
,
b
)
=
1
{\displaystyle (a,b)=1}
Z
[
i
]
/
⟨
a
+
b
i
⟩
≅
Z
a
2
+
b
2
=
{
[
0
]
,
[
1
]
,
[
2
]
⋯
,
[
a
2
+
b
2
−
1
]
}
.
{\displaystyle \mathbb {Z} [i]/{\left\langle a+bi\right\rangle }\cong \mathbb {Z} _{a^{2}+b^{2}}\ =\ \{[0],[1],[2]\cdots ,[a^{2}+b^{2}-1]\}.}
[1] 未解决的问题
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高斯圆问题 是中心为原点、半径为给定值的圆内有多少格点 的问题。它本身并不是关于高斯整数的，但等价于确定范数小于某个给定值的高斯整数的数目。
关于高斯整数，还有一些猜想和未解决的问题，例如：
实数轴和虚数轴含有无穷多个高斯素数
3
,
7
,
11
,
19
,
…
{\displaystyle 3,7,11,19,\dots }
1
{\displaystyle 1}
在高斯素数上行走，步伐小于某个给定的值，可以走到无穷远吗？
参考文献
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^ 存档副本 . [2022-01-01 ] . （原始内容存档 于2015-09-23）.
C. F. Gauss, Theoria residuorum biquadraticorum. Commentatio secunda., Comm. Soc. Reg. Sci. Gottingen 7 (1832) 1-34; reprinted in Werke, Georg Olms Verlag, Hildesheim, 1973, pp. 93-148.
从数到环：环论的早期历史 ，由Israel Kleiner所作 (Elem. Math. 53 (1998) 18 – 35)Ribenboim, Paulo, The New Book of Prime Number Records, New York: Springer, 1996, ISBN 0-387-94457-5 
![{\displaystyle \mathbf {Z} [i]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d0a617cf5867f951fefb72f3ab7278e0f6f1eedd)
![{\displaystyle \mathbb {Z} [i]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9ffa94e9e2e6d9e5e5373d5fafb954b902743fde)
![{\displaystyle \mathbb {Z} [\omega ]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ae955a9a0d0f342fc73aaafe28af604d23267f7)
![{\displaystyle \mathbf {Z} [i]=\{a+bi\mid a,b\in \mathbb {Z} \}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab3ea6e4d0d9399bf9d4b39fd2dcad16de15b338)
![{\displaystyle \mathbb {Z} [i]/{\left\langle a+bi\right\rangle }\cong \mathbb {Z} _{a^{2}+b^{2}}\ =\ \{[0],[1],[2]\cdots ,[a^{2}+b^{2}-1]\}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ff91630f30804e75139d3bb3cc1692b9892c03a0)
