ディリクレの単数定理

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数学では、ディリクレの単数定理(Dirichlet's unit theorem)は、ペーター・グスタフ・ディリクレ(Peter Gustav Dirichlet)による代数的整数論の基本的結果である。[1]ディリクレの単数定理は、代数体 K の代数的整数 OK単数群(group of units)のランク英語版(rank)を決定する。レギュレータ(regulator)(もしくは、単数基準ともいう)は、どれくらい単数の「密度」があるかを決める正の実数である。

ディリクレの単数定理[編集]

ディリクレの単数定理は、単数の群が有限生成であり、ランク英語版(rank)(乗法的に独立な元の最大数)が

r = r1 + r2 − 1

に等しいことを言っている。ここに r1 は、K の実埋め込みの数で、r2 は複素埋め込みの共役ペアの数である。この r1 と r2 の特徴付けは、複素数体への K の埋め込みが幾通りあるかという次数 n = [K : Q] の考え方を基礎としている。これらの埋め込みは、実数への埋め込みか、または、複素共役のペアとなる埋め込みのいづれかであるので、

n = r1 + 2r2

となる。

K が Q 上のガロア拡大であれば、r1 が 0 でないか、あるいは、r2 が 0 でないか、あるいは双方とも 0 でないかであることに注意する。

r1 と r2 を決定する他の方法は、

  • 原始元(primitive element)の定理を使い K = Q(α) と書くと、r1 は実数の α の共役数の数であり、2r2 は複素数の共役数の数である。
  • 体の積として体のテンソル積英語版(tensor product of fields) K ⊗QR と書く。これは、R の r1 個のコピーと r2 個の C のコピーである。

例として、K を二次体とすると、実二次体ではランクは 1 であり、虚二次体ではランクは 0 である。実二次体の理論は本質的には、ペル方程式の理論である。

全ての数体に対し、ランクが 0 である Q と虚二次体を除き、ランクは > 0 である。単数の「サイズ」は一般にレギュレータ(単数基準)と呼ばれる行列式により測られる。原理的には、単数の基底は有効に計算することができて、実践的では、n 大きなときには計算は非常に複雑である。

単数群の捩れ(torsion)は、K の単数のすべての根の集合で、有限巡回群となる。少なくとも 1つの実埋め込みを持つ数体では、捩れは {1,−1} となるはずである。虚二次体のように、単数群の捩れが {1,−1} であるような実埋め込みを持たない数体もある。

総実体は単数の観点からは特別である。L/K を次数が 1 より大きな有限次拡大として、L の単数群と K の単数群が同じランクとすると、K は総実で、L は総虚な二次拡大となる。逆もまた正しい。(例として、K が有理数体、L が虚二次体の場合、双方ともランク 0 である。)

ヘルムート・ハッセ(Helmut Hasse)により(後日、クロード・シュヴァレー(Claude Chevalley)により)、単数定理は一般化され、整数環の局所化(localizations)での単数群のランクを決定するS-単数英語版(S-unit)の群の構造が記述された。また、ガロア加群英語版(Galois module)構造 \mathbf{Q} \oplus O_{K,S} \otimes_\mathbf{Z} \mathbf{Q} が決定された。[2]

レギュレータ(単数基準)[編集]

u1, ..., ur をべき根をmoduloとした単数群の生成元の集合とする。u が代数的数であれば、u1, ..., ur+1RC への埋め込みとして、Nj をそれぞれ実埋め込み複素埋め込みに対応して 1, 2 とすると、各要素が N_j\log|u_i^j| である r × (r + 1) の行列は、どの行の和も 0 であるという性質をもつ(何故ならば、全ての単数はノルムが 1 であり、ノルムの log は、行の要素の和とであるからである)。このことは一つ列を削除することにより作られる部分行列の行列式の絶対値 R が列に依存しないことを意味する。数値 R は代数体のレギュレータ(regulator)(あるいは、単数基準)と呼ばれる(この値は ui の選択には依存しない)。この値は、単数の「密度」を測り、レギュレータが小さいことは単数が多くあることを意味する。

レギュレータは次のような幾何学的な解釈を持つ。単数 u を行列の要素 N_j\log|u^j| へ写す写像は、Rr+1 の r 次元部分空間の中に像を持ち、要素の和が 0 となる全てのベクトルからなり、ディリクレの単数定理により像はこの空間の中の格子となる。この格子の基本領域の体積は、R√(r+1) である。

次数が 2 以上の代数体のレギュレータは、現在は多くの場合に計算機代数のパッケージがあるが、普通、計算することが非常に難しい。普通は類数公式を使い類数 h にレギュレータをかけた積 hR を計算することは簡単であり、代数体の類数の計算の主な困難はレギュレータを計算することにある。

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Q へ f(x) = x3 + x2 − 2x − 1 の根を添加することで得られる三次の円分体の単数群の対数的な空間の基本領域。α は f(x) の根を表すと、基本単数の集合は {ε1, ε2} である。ここに ε1 = α2 + α − 1 で ε2 = 2 − α2 である。基本領域の面積はおよそ 0.910114 であるので、K のレギュレータはおよそ 0.525455 である。
  • 虚二次体のレギュレータ、あるいは有理整数体のレギュレータは 1 である。(0×0 行列の行列式は 1 であるとして)
  • 実二次体のレギュレータは、基本単数の log である。例えば、Q(√5) のレギュレータは log((√5 + 1)/2) である。このことは次のようにして分かる。基本単数は (√5 + 1)/2 であり、R への 2つの埋め込みの像は (√5 + 1)/2 と (−√5 + 1)/2 であるので、r × r + 1 の行列は、
\left[1\times\log\left|{\sqrt{5} + 1 \over 2}\right|, \quad 1\times \log\left|{-\sqrt{5} + 1 \over 2}\right|\ \right]
である。
  • α を x3 + x2 − 2x − 1 の根とすると、巡回三次体英語版(cyclic cubic field) Q(α) のレギュレータは、およそ 0.5255 となる。べき根を modulo とした単数群の基底は、{ε1, ε2} である。ここに ε1 = α2 + α − 1 であり、ε2 = 2 − α2 である。[3]

高次レギュレータ[編集]

高次レギュレータは、n > 1 に対して、古典的な単数基準が単数群でなした役割をもつ代数的K-群英語版(algebraic K-group)上の函数を構成することである。これは群 K1 である。そのようなレギュレータの理論は、発達してきていて、アルマンド・ボレル(Armand Borel)や他の人たちが研究している。そのようなレギュレータは、例えばベイリンソン予想(Beilinson conjectures)で活躍し、議論の中で整数でのあるL-函数の評価していくことが期待されている。[4]

スタークレギュレータ[編集]

スターク予想の定式化により、ハロルド・スターク(Harold Stark)は、現在はスタークレギュレータ(Stark regulator)と呼ばれているものを提唱した。彼は、古典的なレギュレータの類似物として、任意のアルティン表現英語版(Artin representation)に対応する単数の log の行列式として、スタークレギュレータを提唱した。[5][6]

p-進レギュレータ[編集]

K を数体とし、K の各々の固定された有理素点上の素点(prime) P とし、UP で P での局所単数を表すとし、U1,P で UP の中での主単数の部分群を表すとする。さらに、

 U_1 = \prod_{P|p} U_{1,P}

と置き、E1 で大域的単数 in E の対角埋め込みを通して U1 へ写す大域的単数 ε の集合を表すとする。

E_1 は大域的単数の有限指数英語版(index)であるので、大域的単数群はランク r_1 + r_2 - 1アーベル群である。p-進レギュレータ(p-adic regulator)は、この群の生成元の p-進対数により形成された行列の行列式である。レオポルドの予想英語版(Leopoldt's conjecture)は、この行列式は 0 ではないことを予想している。[7][8]

参照項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ Elstrodt 2007, §8.D
  2. ^ Neukirch, Schmidt & Wingberg 2000, proposition VIII.8.6.11.
  3. ^ Cohen 1993, Table B.4
  4. ^ Bloch, Spencer J. (2000). Higher regulators, algebraic K-theory, and zeta functions of elliptic curves. CRM Monograph Series. 11. Providence, RI: American Mathematical Society. ISBN 0-8218-2114-8. Zbl 0958.19001. 
  5. ^ PDF
  6. ^ PDF
  7. ^ Neukirch et al (2008) p.626-627
  8. ^ Iwasawa, Kenkichi (1972). Lectures on p-adic L-functions. Annals of Mathematics Studies. 74. Princeton, NJ: Princeton University Press and University of Tokyo Press. pp. 36-42. ISBN 0-691-08112-3. Zbl 0236.12001. 

参考文献[編集]