Lema 22.1.3. Impian Mahasiswa Baru.

Misalkan \(p\) prima dan \(D\) suatu daerah integral berkarakteristik \(p\text{.}\) Maka
\begin{equation*} a^{p^n} + b^{p^n} = (a + b)^{p^n} \end{equation*}
untuk semua bilangan bulat positif \(n\text{.}\)

Bukti.

Kita akan membuktikan lema ini dengan induksi matematika pada \(n\text{.}\) Kita dapat menggunakan rumus binomial (lihat Contoh 2.1.4) untuk memverifikasi kasus \(n = 1\text{;}\) yaitu,
\begin{equation*} (a + b)^p = \sum_{k = 0}^{p} \binom{p}{k} a^k b^{p - k}\text{.} \end{equation*}
Jika \(0 \lt k \lt p\text{,}\) maka
\begin{equation*} \binom{p}{k} = \frac{p!}{k!(p - k)!} \end{equation*}
harus dapat dibagi oleh \(p\text{,}\) karena \(p\) tidak dapat membagi \(k!(p - k)!\text{.}\) Perhatikan bahwa \(D\) merupakan daerah integral berkarakteristik \(p\text{,}\) sehingga semua suku dalam jumlah tersebut, kecuali suku pertama dan terakhir, harus nol. Oleh karena itu, \((a + b)^p = a^p + b^p\text{.}\)
Sekarang andaikan bahwa hasil tersebut berlaku untuk semua \(k\text{,}\) dengan \(1 \leq k \leq n\text{.}\) Berdasarkan hipotesis induksi,
\begin{equation*} (a + b)^{p^{n + 1}} = ((a + b)^p)^{p^{n}} = (a^p + b^p)^{p^{n}} = (a^p)^{p^{n}} + (b^p)^{p^{n}} = a^{p^{n + 1}} + b^{p^{n + 1}}\text{.} \end{equation*}
Oleh karena itu, lema tersebut benar untuk \(n + 1\) dan bukti selesai.
Dalam Konteks