1 符号条件式
2 有理関数の特殊化
定義 2.1.Q[t]の分数体をQ(t)と書き、§E6.6 命題 3.2の単射u↦u/1によってQ[t]⊂Q(t)、Q[t][x]⊂Q(t)[x]とみなす。φ∈Q(t)とu,v∈Q[t]、v=0がφ=u/vを満たすとき、組(u,v)をφの 分数表示 (fraction representation) といい、vをその分母という。a∈Rに対して、v(a)=0を満たす分数表示(u,v)をもつφ∈Q(t)の全体をOaと書く。
補題 2.2.a∈Rとする。
- 任意の正の整数kに対して、Q(t)においてk⋅1=0である。OaはQ[t]を含むQ(t)の部分環である。φ∈Oaに対して、v(a)=0を満たす分数表示(u,v)を取りeva(φ):=u(a)/v(a)と置くと、eva(φ)は分数表示の取り方によらず、eva:Oa→Rは単位元を保つ環準同型であって、u∈Q[t]に対してeva(u)=u(a)である。
- f=∑iφixi∈Oa[x]に対してfa:=∑ieva(φi)xi∈R[x]と置く。f↦faはOa[x]からR[x]への単位元を保つ環準同型である。§E20.40 定義 4.6の導関数についてf′∈Oa[x]かつ(f′)a=(fa)′である。f∈Q[t][x]ならば、任意のb∈Rに対してfa(b)=f(a,b)である。
- I⊂Rを開区間とし、φ∈Q(t)が分母がI上で零にならない分数表示(u,v)をもつとする。このとき任意のa∈Iについてφ∈Oaであり、I→R、a↦eva(φ)はC1級である。
- Q(t)の元を分数表示で与える。このとき、Q(t)の和・差・積と零でない元の逆元の分数表示、Q(t)の元が零であるかどうかの判定、Q(t)[x]における除法の商と剰余、零でない二元のモニック最大公約元と正規化後の Bézout 等式の係数、導関数、および成分がQ(t)の元である正方行列の行列式の分数表示は、有理数の四則演算と比較の有限回で得られる。
証明.(1)を示す。k⋅1=k/1であり、Q[t]においてk=0であるから、§E6.6 命題 3.2の単射性によりk/1=0である。u∈Q[t]は分数表示(u,1)をもつので、Q[t]⊂Oaである。φ,ψ∈Oaがv(a)=0、v′(a)=0を満たす分数表示(u,v)、(u′,v′)をもつとする。§E6.6 定義 3.1により
−φ=v−u,φ+ψ=vv′uv′+u′v,φψ=vv′uu′であり、(vv′)(a)=v(a)v′(a)=0であるから、−φ、φ+ψ、φψはOaに属する。したがってOaは部分環である。(u,v)と(u′,v′)が同じφの分数表示であってv(a)v′(a)=0を満たすならば、§E6.6 定義 3.1によりuv′=u′vであり、aを代入するとu(a)v′(a)=u′(a)v(a)であるから、u(a)/v(a)=u′(a)/v′(a)である。上の三つの分数表示にaを代入すると、evaが負元、和、積を保つことを得る。分数表示(u,1)からeva(u)=u(a)であり、特にeva(1)=1である。
(2)を示す。Oa[x]の二元の和と積の各係数は、二元の係数の和と積の有限和であり、evaは和と積を保つので、f↦faは和と積を保ち、1a=1である。f′のxi−1の係数iφiはOaに属し、eva(iφi)=ieva(φi)であるから、(f′)a=(fa)′である。f=∑iuixi∈Q[t][x]ならばfa=∑iui(a)xiであり、fa(b)=f(a,b)である。
(3)を示す。a∈Iならばv(a)=0であるから、φ∈Oaかつeva(φ)=u(a)/v(a)である。多項式関数u,vはC1級であり、vはI上で零にならないので、商u/vはI上でC1級である。
(4)を示す。Q[t]の元の和・差・積は係数の有理数の四則演算の有限回で得られ、Q[t]の元が零であるかどうかは係数を0と比較して判定される。前段の式により、Q(t)の負元、和、積の分数表示はQ[t]の演算で得られる。§E6.6 定義 3.1によりu/v=0/1であることはu=0と同値であり、u=0ならば、§E6.6 命題 3.2により(v,u)はu/vの逆元の分数表示である。したがってQ(t)[x]の零でない元の次数と最高次係数は、係数を上から零と比較して得られる。§E6.28 定理 2.1の存在の証明による商と剰余の計算は、被除式が零ならば最高次項の消去を行わずに停止する。被除式が零でなく、その次数をn、零でない除式の次数をmとすると、この計算は最高次項の消去を高々max{0,n−m+1}回行う。n<mならば消去は一度も行われない。n≥mならば、消去は次数がm以上n以下の零でない多項式に対してだけ行われ、各回の消去で得られる多項式は零であるか、消去前の多項式より次数が真に小さいので、消去の回数はn−m+1以下である。各回の消去はQ(t)の四則演算と零の判定からなる。§E6.28 命題 3.1の Euclid アルゴリズムは剰余の次数が真に減る有限回の除法であり、Bézout 等式の係数は各除法の商から得られ、正規化は最高次係数の逆元を掛ける操作である。導関数の係数は係数の整数倍である。§E20.40 定義 4.1の行列式は、有限個の置換にわたる成分の積の和である。▨
3 平方自由部分と射影族
証明.(1)は、各iにおける係数の等式i(αai+βbi)=αiai+βibiから従う。(1)により(fg)′とf′g+fg′はいずれもfとgのそれぞれについてF-線形であるから、二つが等しいことはf=xi、g=xj(i,j∈N≥0)の場合に帰着する。x0の導関数は0であり、k≥1についてxkの導関数はkxk−1である。したがって、i+j≥1ならば両辺はともに(i+j)xi+j−1に等しく、i=j=0ならば両辺はともに0である。(fe)′=efe−1f′はe=1で成り立ち、eで成り立つならば(fe+1)′=(fe)′f+fef′=(e+1)fef′である。▨
補題 3.2.Fを、任意の正の整数kに対してk⋅1=0を満たす体とし、F[x]のモニック既約多項式の全体をP、π∈Pに対する指数を§E20.39 補題 3.3のvπとする。f∈F[x]の次数をn≥1とし、fとf′のモニック最大公約元をDとする。
- D=∏π∈Pπmax{vπ(f)−1,0}である。fのDによる除法の剰余は零であり、その商をf/Dとしてh:=lc(f/D)−1(f/D)と置くと、h=∏π∈P, vπ(f)≥1πである。特にhはモニックで次数が1以上であり、h∣fである。
- f∣hnである。
- hとh′のモニック最大公約元は1である。
証明.
主張 3.2.1.π∈Pと零でないg∈F[x]がe:=vπ(g)≥1を満たすならば、g′=0かつvπ(g′)=e−1である。
証明.§E20.39 補題 3.3 (3)によりπe∣gであるからg=πekと書くことができ、§E20.39 補題 3.3 (2)によりvπ(k)=0である。補題 3.1 (2)により
g′=eπe−1π′k+πek′=πe−1(eπ′k+πk′)である。πは既約であるから次数が1以上であり、§E20.40 定義 4.6によりπ′=0かつdegπ′=degπ−1である。π∣π′ならば§E6.28 命題 1.2によりdegπ≤degπ′となるので、π∤π′であり、§E20.39 補題 3.3 (3)によりvπ(π′)=0である。e⋅1はFの零でない定数であるから、§E20.39 補題 3.3 (2)によりvπ(eπ′k)=0である。π∣eπ′k+πk′ならばπ∣eπ′kとなり、§E20.39 補題 3.3 (3)によりvπ(eπ′k)≥1となるので、vπ(eπ′k)=0と両立しない。したがってπ∤eπ′k+πk′であり、零はπで割り切れるからeπ′k+πk′=0かつvπ(eπ′k+πk′)=0である。§E20.39 補題 3.3 (2)によりg′=0かつvπ(g′)=e−1である。▨
(1)を示す。eπ:=vπ(f)と置く。§E20.40 定義 4.6によりf′=0である。主張 3.2.1により、eπ≥1ならばmin{eπ,vπ(f′)}=eπ−1であり、eπ=0ならばこの最小値は0であるから、§E20.39 補題 3.3 (4)によりD=∏ππmax{eπ−1,0}である。§E20.39 補題 3.3 (1)により
f=lc(f)π∏πeπ=D⋅lc(f)eπ≥1∏πであるから、§E6.28 定理 2.1の一意性により剰余は零であり、f/D=lc(f)∏eπ≥1πである。モニック多項式の積はモニックであるから、§E6.28 命題 1.2によりlc(f/D)=lc(f)であり、h=∏eπ≥1πである。fは定数でないので、§E20.39 補題 3.3 (1)によりeπ≥1を満たすπが存在し、hの次数は1以上である。vπ(h)はeπ≥1ならば1、そうでなければ0であるから、§E20.39 補題 3.3 (3)によりh∣fである。
(2)を示す。§E6.28 命題 1.2によりn=∑πeπdegπであるから、任意のπでeπ≤nである。§E20.39 補題 3.3 (2)によりvπ(hn)=nvπ(h)であり、eπ≥1ならばvπ(f)=eπ≤n=vπ(hn)、eπ=0ならばvπ(f)=0≤vπ(hn)である。§E20.39 補題 3.3 (3)によりf∣hnである。
(3)を示す。hの次数は1以上であるから、§E20.40 定義 4.6によりh′=0である。vπ(h)=1ならば主張 3.2.1によりvπ(h′)=0であるから、任意のπでmin{vπ(h),vπ(h′)}=0である。§E20.39 補題 3.3 (4)により、hとh′のモニック最大公約元は1である。▨
定義 3.3.r∈N≥0とし、p1,…,pr∈Q[t][x]とする。Q(t)[x]の元としての次数と最高次係数を用い、J0:={j∣pj=0}、Jt:={j∣pj=0, degpj=0}、J+:={j∣pj=0, degpj≥1}と置く。j∈J+ならばlc(pj)∈Q[t]である。Q[t]の有限部分集合Δに対して、Z(Δ):={a∈R∣ある δ∈Δ について δ(a)=0}と置く。
- J+=∅とする。Q(t)[x]においてP:=∏j∈J+pj、n:=degPと置き、PとP′のモニック最大公約元をDとし、補題 3.2 (1)のhをf=Pについて取ったものをH、d:=degHとする。PのHによる除法の商をA、HnのPによる除法の商をBとする。各j∈J+について、Hとpjのモニック最大公約元をGj、HのGjによる除法の商をBj、pjのGjによる除法の商をCjとし、UjH+Vjpj=Gjを満たすUj,Vj∈Q(t)[x]を一組取る。H、A、Bと各Gj、Bj、Cj、Uj、Vjの係数の分数表示を一つずつ取り、Res(H,H′)の分数表示(uR,vR)を一つ取る。補題 3.2 (1)によりd≥1であるから、Res(H,H′)は定まる。
- J+=∅ならば、{lc(pj)∣j∈J+}、{pj∣j∈Jt}、(1)で取った係数の分数表示の分母の全体、および{uR,vR}の和集合をΔと置く。J+=∅ならばΔ:={pj∣j∈Jt}と置く。Δを(p1,…,pr)の 射影族 (projection family) という。
命題 3.4.定義 3.3の記号の下でJ+=∅とする。
- Hはモニックでd≥1であり、Q(t)[x]においてP=HAとHn=PBが成り立ち、各j∈J+についてH=GjBj、pj=GjCj、UjH+Vjpj=Gjが成り立つ。
- Res(H,H′)=0であり、ΔはQ[t]の零でない元からなる有限集合である。
- Uj,Vjを§E6.28 命題 3.1の正規化後の Bézout 等式の係数として取るとき、P、D、H、A、B、Gj、Bj、Cj、Uj、Vj、Res(H,H′)の分数表示とΔは、有理数の四則演算と比較の有限回で得られる。
証明.(1)を示す。補題 2.2 (1)により、Q(t)は任意の正の整数kに対してk⋅1=0を満たす。J+の各pjの次数は1以上であるから、§E6.28 命題 1.2によりn≥1である。補題 3.2をF=Q(t)、f=Pに適用すると、Hはモニックでd≥1であり、H∣PかつP∣Hnである。GjはHとpjの公約元である。§E6.28 定理 2.1の一意性により、割り切る多項式による除法の剰余は零であるから、P=HA、Hn=PB、H=GjBj、pj=GjCjである。UjH+Vjpj=GjはUj,Vjの取り方による。
(2)を示す。§E20.40 定義 4.6によりH′=0かつdegH′=d−1であるから、degH+degH′=2d−1≥1である。補題 3.2 (3)によりHとH′のモニック最大公約元は1であるから、§E20.40 定理 4.5をF=Q(t)で適用してRes(H,H′)=0を得る。したがってuR=0である。lc(pj)(j∈J+)、pj(j∈Jt)、分数表示の分母およびvRは零でない。Δは有限個の有限集合の和集合である。
(3)を示す。Pはpjの積であり、P′、H′は導関数である。DとGjは Euclid アルゴリズムで得られ、Uj,Vjは正規化後の Bézout 等式の係数である。HはPのDによる除法の商に最高次係数の逆元を掛けて得られ、A、B、Bj、Cjは除法の商である。Res(H,H′)はHとH′の係数を成分とする Sylvester 行列の行列式である。いずれも補題 2.2 (4)により有理数の四則演算と比較の有限回で得られ、Δはそれらの分母と分子およびpjの最高次係数を集めて得られる。▨
命題 3.5.定義 3.3の記号の下でa∈R∖Z(Δ)とする。j∈Jtならばpj(a)=0である。J+=∅ならば、H、A、Bと各Gj、Bj、Cj、Uj、VjはOa[x]に属し、補題 2.2 (2)のfaをGj,a:=(Gj)aなどと書くと、次が成り立つ。
- R[x]においてPa=HaAa、Han=PaBaが成り立ち、各j∈J+についてHa=Gj,aBj,a、(pj)a=Gj,aCj,a、Uj,aHa+Vj,a(pj)a=Gj,aが成り立つ。j∈J+ならばdeg(pj)a=degpjである。
- Haはモニックで次数がdであり、Ha(θ)=0を満たす任意のθ∈Rに対してHa′(θ)=0である。
- {θ∈R∣Ha(θ)=0}=⋃j∈J+{θ∈R∣pj(a,θ)=0}である。
- j∈J+とHa(θ)=0を満たすθ∈Rに対して、Gj,a(θ)とBj,a(θ)のちょうど一方が零であり、pj(a,θ)=0であることはGj,a(θ)=0であることと同値である。
証明.j∈Jtならばpj∈Δであるから、pj(a)=0である。J+=∅とする。H、A、Bと各Gj、Bj、Cj、Uj、Vjの係数は、分母がΔに属する分数表示をもち、その分母はaで零にならないので、Oaに属する。補題 2.2 (1)によりQ[t][x]⊂Oa[x]である。
(1)を示す。命題 3.4 (1)の等式に補題 2.2 (2)の環準同型を施すと、表示した等式を得る。j∈J+について、(pj)aのxdegpjの係数はlc(pj)(a)であり、lc(pj)∈Δから零でなく、より高い次数の係数は零であるから、deg(pj)a=degpjである。
(2)を示す。eva(1)=1であるから、Haはモニックで次数がdである。uR,vR∈ΔであるからuR(a)=0かつvR(a)=0であり、Res(H,H′)∈Oaかつeva(Res(H,H′))=uR(a)/vR(a)=0である。Res(H,H′)=detSd,d−1(H,H′)の成分はHとH′の係数であってOaに属し、OaはQ(t)の部分環であるから、この行列式はOaの元として計算しても同じ元である。§E20.40 命題 4.9 (2)をA=Oa、F=R、ψ=eva、f=H、g=H′、m=d、n=d−1に適用する。eva(1)=1=0とeva(d⋅1)=d=0から、eva(Res(H,H′))=Res(Ha,(H′)a)であり、補題 2.2 (2)により(H′)a=Ha′である。したがってRes(Ha,Ha′)=0である。Ha(θ)=Ha′(θ)=0を満たすθ∈Rが存在すれば、§E20.40 定理 4.5をF=L=Rで適用してRes(Ha,Ha′)=0となり、Res(Ha,Ha′)=0と両立しない。
(3)を示す。補題 2.2 (2)によりPa=∏j∈J+(pj)aであり、(pj)a(θ)=pj(a,θ)である。Ha(θ)=0ならば、Pa=HaAaからPa(θ)=0であり、Rは整域であるから、あるj∈J+でpj(a,θ)=0である。逆にあるj∈J+でpj(a,θ)=0ならばPa(θ)=0であり、Han=PaBaからHa(θ)n=0、すなわちHa(θ)=0である。
(4)を示す。Ha(θ)=0とする。Gj,a(θ)Bj,a(θ)=Ha(θ)=0であるから、二つの値の少なくとも一方は零である。補題 3.1 (2)をF=Rで用いるとHa′=Gj,a′Bj,a+Gj,aBj,a′であるから、二つの値がともに零ならばHa′(θ)=0となり、(2)と両立しない。したがってちょうど一方が零である。Gj,a(θ)=0ならばpj(a,θ)=Gj,a(θ)Cj,a(θ)=0である。pj(a,θ)=0ならばGj,a(θ)=Uj,a(θ)Ha(θ)+Vj,a(θ)pj(a,θ)=0である。▨
4 根の枝と符号の不変性
補題 4.1.I⊂Rを開区間、d≥1とし、φ0,…,φd−1:I→RをC1級関数として、(t,x)∈I×Rに対してF(t,x):=xd+∑i=0d−1φi(t)xiと置く。任意のa∈IとF(a,θ)=0を満たす任意のθ∈Rに対して∂x∂F(a,θ)=0であるとする。このとき、N∈N≥0とC1級関数θ1,…,θN:I→Rが存在して、任意のa∈Iに対してθ1(a)<⋯<θN(a)かつ{x∈R∣F(a,x)=0}={θ1(a),…,θN(a)}である。
証明.
主張 4.1.1. 任意のa0∈Iに対して、δ>0とm∈N≥0とC1級関数g1,…,gm:(a0−δ,a0+δ)→Rが存在して、(a0−δ,a0+δ)⊂Iであり、∣t−a0∣<δを満たす任意のtについてg1(t)<⋯<gm(t)かつ{x∈R∣F(t,x)=0}={g1(t),…,gm(t)}である。
証明.Fはxの単項式とφiの積の和であるから、開集合I×R上でC1級である。F(a0,⋅)は次数dのモニック多項式であるから、§E20.39 命題 2.1 (1)によりその実根は有限個であり、それらをξ1<⋯<ξm(m∈N≥0)とする。各kについて仮定により∂x∂F(a0,ξk)=0であるから、§E4.8 系 3.1を(a0,ξk)に適用し、a0の開近傍Ak、ξkの開近傍BkとC1級関数gk:Ak→Bkで、(t,x)∈Ak×BkについてF(t,x)=0とx=gk(t)が同値になるものを取る。F(a0,ξk)=0であるからgk(a0)=ξkである。各kで(ξk−ε,ξk+ε)⊂Bkを満たし、1≤k<mで2ε<ξk+1−ξkを満たすε>0を取り、Ok:=(ξk−ε,ξk+ε)と置く。k<k′ならば、Okの任意の元はOk′の任意の元より小さい。R:=2+max0≤i<d∣φi(a0)∣と置く。gkとφiのa0での連続性により、δ0>0を、(a0−δ0,a0+δ0)がIとA1,…,Amに含まれ、∣t−a0∣<δ0ならば各kでgk(t)∈Ok、各iで∣φi(t)∣<∣φi(a0)∣+1となるように取る。∣t−a0∣<δ0とすると、x∈OkについてF(t,x)=0とx=gk(t)は同値である。最高次係数が1のF(t,⋅)について§E20.39 命題 2.1 (2)のMを取ると1+M<Rであるから、∣x∣≥Rを満たす実数xについてF(t,x)=0であり、F(t,⋅)の実根は[−R,R]に属する。
∣t−a0∣<δを満たす任意のtについてF(t,⋅)の実根がすべてO1∪⋯∪Omに属するようなδ∈(0,δ0]が存在しないと仮定する。各正の整数νに対して、∣tν−a0∣<min{δ0,1/ν}、F(tν,xν)=0、xν∈/O1∪⋯∪Omを満たすtν,xν∈Rを取る。前段によりxν∈[−R,R]である。§E2.9 定理 4.3により[−R,R]はコンパクトであり、§E2.9 定理 3.1により点列コンパクトであるから、ある部分列(xνl)lがあるx∗∈[−R,R]に収束する。tνl→a0でありFは連続であるから、F(a0,x∗)=limlF(tνl,xνl)=0である。したがってm≥1であり、あるkでx∗=ξkである。Okはξkを含む開区間であるから、十分大きいlについてxνl∈Okである。一方、xνの選び方によりxνl∈/Okである。この二つは両立しないので、求めるδ∈(0,δ0]が存在する。
∣t−a0∣<δとする。各gk(t)はOkに属するF(t,⋅)の実根である。F(t,⋅)の実根xはあるOkに属するので、x=gk(t)である。O1,…,Omの順序によりg1(t)<⋯<gm(t)である。▨
a∈Iに対してF(a,⋅)の実根の個数をN(a)と書く。主張 4.1.1により、Nは各点のある近傍で一定であるから、I上で連続である。a<a′を満たすa,a′∈IでN(a)=N(a′)となるものが存在すると仮定する。y:=min{N(a),N(a′)}+1/2はN(a)とN(a′)の間にあるから、§D1.12 系 1.2によりN(c)=yを満たすc∈[a,a′]が存在する。N(c)は整数であり、yは整数でないので、この等式は成り立たない。したがってNはI上で一定であり、その値をNと書く。1≤k≤Nとa∈Iに対して、F(a,⋅)の実根のうち小さい方からk番目のものをθk(a)とする。a0∈Iに対して主張 4.1.1のδ、m、gkを取るとm=Nであり、∣t−a0∣<δならばθk(t)=gk(t)であるから、θkはa0のある近傍でC1級である。したがってθkはI上でC1級であり、θ1(a)<⋯<θN(a)と根の集合の等式はθkの定め方による。▨
定理 4.2.r∈N≥0、p1,…,pr∈Q[t][x]とし、Δを(p1,…,pr)の射影族、I⊂RをI∩Z(Δ)=∅を満たす開区間とする。S(a)は族(p1,…,pr)について定義 1.1 (3)で定める。
- N∈N≥0とC1級関数θ1,…,θN:I→Rが存在して、任意のa∈Iに対してθ1(a)<⋯<θN(a)かつ⋃j∈J+{b∈R∣pj(a,b)=0}={θ1(a),…,θN(a)}である。J+=∅ならばN=0である。
- 各jと1≤k≤Nについて、sgnpj(a,θk(a))はa∈Iによらない。
- a∈Iに対してθ0(a):=−∞、θN+1(a):=+∞と置く。各jと0≤k≤Nについて、a∈Iとθk(a)<b<θk+1(a)を満たす組(a,b)の全体の上でsgnpj(a,b)は一定である。
- 任意のa,a′∈Iに対してS(a)=S(a′)である。
証明.j∈J0ならば、任意の(a,b)でpj(a,b)=0である。j∈Jtならば、pj(a,b)=pj(a)はbによらず、命題 3.5によりa↦pj(a)はI上で零にならない連続関数であるから、§E20.39 補題 1.4によりsgnpj(a,b)は(a,b)∈I×Rによらない。
(1)を示す。J+=∅ならば左辺の和集合は空であり、N=0として主張が成り立つ。J+=∅とし、H=xd+∑i<dφixiと書く。各φiは分母がΔに属する分数表示をもち、その分母はI上で零にならないので、補題 2.2 (3)によりa↦eva(φi)はI上でC1級である。(t,x)∈I×Rに対してF(t,x):=Ht(x)=xd+∑i<devt(φi)xiと置くと、∂x∂F(a,θ)=Ha′(θ)であるから、命題 3.5 (2)により補題 4.1の仮定が満たされる。補題 4.1のNとθkについて{θ1(a),…,θN(a)}はHaの実根の全体であり、命題 3.5 (3)により主張が成り立つ。
(2)を示す。j∈J0∪Jtの場合は前段で示した。j∈J+、1≤k≤Nとし、a∈Iに対してf(a):=Gj,a(θk(a))、g(a):=Bj,a(θk(a))と置く。GjとBjの係数は分母がΔに属する分数表示をもつので、補題 2.2 (3)とθkの連続性により、fとgはI上で連続である。命題 3.5 (4)により各aでf(a)とg(a)のちょうど一方が零であるから、λ(a):=f(a)2/(f(a)2+g(a)2)はI上の連続関数であり、f(a)=0ならばλ(a)=0、f(a)=0ならばλ(a)=1である。λ(a)=λ(a′)を満たすa<a′がIに存在すると仮定すると、§D1.12 系 1.2によりλ(c)=1/2を満たすc∈[a,a′]が存在し、λ(c)∈{0,1}と両立しない。したがってλはI上で一定である。λが恒等的に0ならば、命題 3.5 (4)により任意のa∈Iでpj(a,θk(a))=0である。λが恒等的に1ならば、任意のa∈Iでf(a)=0であり、命題 3.5 (4)によりpj(a,θk(a))=0である。a↦pj(a,θk(a))は連続であるから、§E20.39 補題 1.4によりその符号はI上で一定である。
(3)を示す。j∈J0∪Jtの場合は前段で示した。j∈J+、0≤k≤Nとする。a∈Iに対して、N=0ならばs(a):=0、k=0<Nならばs(a):=θ1(a)−1、k=N≥1ならばs(a):=θN(a)+1、1≤k<Nならばs(a):=(θk(a)+θk+1(a))/2と置く。sはI上で連続であり、θk(a)<s(a)<θk+1(a)である。(1)により、各a∈Iについて関数pj(a,⋅)は区間(θk(a),θk+1(a))上で零にならないので、§E20.39 補題 1.4により、この区間に属する任意のbについてpj(a,b)pj(a,s(a))>0である。a↦pj(a,s(a))はI上で零にならない連続関数であるから、§E20.39 補題 1.4によりその符号は一定である。したがってsgnpj(a,b)=sgnpj(a,s(a))は組(a,b)によらない。
(4)を示す。a∈Iとする。任意のb∈Rは、ある1≤k≤Nでb=θk(a)を満たすか、ある0≤k≤Nでθk(a)<b<θk+1(a)を満たし、後者の各区間は空でない。したがってS(a)は、1≤k≤Nに対するσ(a,θk(a))と、0≤k≤Nに対する区間(θk(a),θk+1(a))上でのσ(a,b)の値とからなる。(2)と(3)によりこれらの値はaによらないので、S(a)はa∈Iによらない。▨
例 4.3.r=1、p1:=x3−3x+tとする。J+={1}、P=p1、n=3、P′=3x2−3であり、
S3,2(P,P′)=10−3t0010−3t30−300030−300030−3である。第3列から第1列の3倍を引き、第4列から第2列の3倍を引くと、§E20.40 補題 4.2 (3)により行列式は変わらず、第1行と第2行は(1,0,0,0,0)と(0,1,0,0,0)になり、第3行から第5行の第3列から第5列の成分は(6,0,3)、(−3t,6,0)、(0,−3t,−3)になる。§E20.40 定義 4.1の和でσ(1)=1かつσ(2)=2を満たす項だけが残るので、
Res(P,P′)=det6−3t006−3t30−3=27t2−108である。これはQ(t)の零でない元であるから、§E20.40 定理 4.5によりD=1であり、H=P、d=3、A=1、B=P2、G1=H、B1=C1=1である。U1:=0、V1:=1と取り、すべての係数を分母1の分数表示で、(uR,vR):=(27t2−108,1)と取ると、Δ={1, 27t2−108}、Z(Δ)={−2,2}である。
定理 4.2 (1)により、(−∞,−2)、(−2,2)、(2,∞)のそれぞれの上でp1(a,⋅)の実根の個数Nは一定である。p1(0,x)=x(x2−3)の実根は0,±3であるから、(−2,2)上でN=3である。p1(3,x)=(x−1)2(x+2)+1であるから、p1(3,b)=0を満たす実数bは(b−1)2(b+2)=−1を満たし、b<−2である。b<b′≤−2ならばb2, bb′, b′2≥4からp1(3,b′)−p1(3,b)=(b′−b)(b′2+b′b+b2−3)>0であり、p1(3,−3)=−15<0<1=p1(3,−2)であるから、§D1.12 定理 1.1によりp1(3,⋅)の実根はちょうど一つである。p1(−t,−x)=−p1(t,x)であるからp1(−3,⋅)の実根もちょうど一つであり、(−∞,−2)と(2,∞)上でN=1である。t=±2ではp1(2,x)=(x−1)2(x+2)、p1(−2,x)=(x+1)2(x−2)は相異なる実根を二つもち、その一方は重根であって、補題 4.1の仮定は成り立たない。
5 量化子の消去
命題 5.1.r∈N≥0、p1,…,pr∈Q[t][x]とし、S(a)を族(p1,…,pr)について定義 1.1 (3)で定める。実数aは有理数として、または§E20.40 定義 1.1 (2)の表示によって与えられているとし、K:=Q(a)と置く。pj=∑iujixi(uji∈Q[t])と書き、gj:=∑iuji(a)xi∈K[x]と置く。
- 各uji(a)は、aが有理数ならば有理数の四則演算の有限回で得られ、aが表示で与えられているならばその表示が§E20.40 定理 5.3の有限回の適用で得られる。任意のb∈Rに対してgj(b)=pj(a,b)である。
- r=0ならばS(a)={()}である。r≥1とし、g1,…,grに§E20.40 定理 7.3を適用して得る区画のうち一点集合でないものの標本点の全体をE、一点集合である区画の点の全体をE′とすると、
S(a)={(sgng1(s),…,sgngr(s))s∈E∪E′}
であり、右辺は§E20.40 定理 7.3の計算の有限回で得られる。
証明.(1)を示す。aが有理数ならば、uji(a)は有理数の四則演算で得られる。aが表示で与えられているとする。有理数cについてx−cは平方自由であり、(c−1,c+1)はその分離区間であるから、(x−c,c−1,c+1)はcの表示である。uji=∑l=0Lcltlに対して、cLから始めてaを掛けて次の係数clを加える操作をL回行うとuji(a)が得られ、各操作は§E20.40 定理 5.3の積と和である。gj(b)=∑iuji(a)bi=pj(a,b)は定義 1.1の値の定め方による。
(2)を示す。r=0ならば{−1,0,1}0は空列()だけからなるので、S(a)={()}である。r≥1とする。Kは、aが有理数ならばs=0、そうでなければs=1、γ1=aとした§E20.40 命題 6.1の体であり、(1)によりgjの係数は有理数または表示として与えられる。b∈Rとすると、§E20.40 定理 7.3 (1)によりbはただ一つの区画に属する。その区画が一点集合ならばb∈E′である。そうでなければ、その区画の標本点をsとすると、§E20.40 定理 7.3 (2)により各jでsgngj(b)=sgngj(s)である。(1)によりσ(a,b)=(sgngj(b))jであるから、σ(a,b)は右辺に属する。逆にE∪E′の各元sは実数であり、(sgngj(s))j=σ(a,s)∈S(a)である。右辺が有限回の計算で得られることは、§E20.40 定理 7.3の最後の主張による。▨
命題 5.2.ΔをQ[t]の零でない元からなる有限集合とする。Δが次数1以上の元をもつならば、Δの元を並べた族に変数をtとして§E20.40 定理 7.3をK=Qで適用し、次数1以上の元の積から同定理で得る平方自由な多項式をW∈Q[t]、その根の個数をmとし、有理数cℓ<dℓ(1≤ℓ≤m)を同定理の条件を満たすように取り(§E20.40 定理 6.4 (4)の出力を並べ替えたものはこれを満たす)、(cℓ,dℓ)に属するWの実根をαℓとする。Δが次数1以上の元をもたないならば(Δ=∅の場合を含む)、Wを定めず、m:=0とする。m=0ならば、Rを唯一の区画とし、その標本点をτR:=0、χR:=⊤とし、Ξを空の族とする。m≥1ならば、I0:=(−∞,α1)、Iℓ:=(αℓ,αℓ+1)(1≤ℓ<m)、Im:=(αm,∞)と一点集合{αℓ}(1≤ℓ≤m)を区画とし、標本点をτI0:=c1、τIℓ:=dℓ(1≤ℓ≤m)、τ{αℓ}:=αℓとする。Ξをt−cℓ、t−dℓ、W(cℓ)W(1≤ℓ≤m)とWからなるQ[t]の有限族とし、Ξ上の符号条件式
χ=ℓχ<ℓχ>ℓ:=(t−cℓ>0)∧(t−dℓ<0)∧(W=0),:=(t−cℓ≤0)∨((t−cℓ>0)∧(t−dℓ<0)∧(W(cℓ)W>0)),:=¬χ=ℓ∧¬χ<ℓを定め、χI0:=χ<1、χ{αℓ}:=χ=ℓ、χIℓ:=χ>ℓ∧χ<ℓ+1(1≤ℓ<m)、χIm:=χ>mと置く。
- 区画はRの分割をなし、各区画はその標本点を含む。一点集合でない区画はZ(Δ)と交わらない開区間である。m≥1ならば、各ℓについて(W,cℓ,dℓ)の変数をxに替えた三つ組はαℓの表示である。
- 任意の区画Cとa∈Rに対して、χC(a)が成り立つことはa∈Cと同値である。
Δが次数1以上の元をもつかどうかは係数の比較で判定され、m、Ξ、各χCと、定める場合のW、cℓ、dℓは、有理数の四則演算と比較の有限回で得られる。
証明.Δの元は零でないので、零でない定数であるΔの元は実根をもたない。Δが次数1以上の元をもたないならば、Z(Δ)=∅であり、m=0である。Δが次数1以上の元をもつならば、§E20.40 定理 7.3のJ0は空であり、§E20.40 定理 7.3 (1)により次数が1以上のΔの元の実根の全体は{α1,…,αm}である。したがって、いずれの場合もZ(Δ)={α1,…,αm}である。
(1)を示す。m=0ならば、区画はRだけであり、標本点0を含み、Z(Δ)=∅である。m≥1ならば、§E20.40 定理 7.3 (1)により区画はRの分割をなして各標本点はその区画に属し、一点集合でない区画はどのαℓも含まない開区間であるからZ(Δ)と交わらない。§E20.40 定理 7.3 (3)により(W,cℓ,dℓ)はαℓのQ上の表示であるから、Wは平方自由であり、(cℓ,dℓ)はWの分離区間である。したがって変数をxに替えた三つ組はαℓの表示である。
(2)を示す。m=0ならば、[⊤]は{−1,0,1}0全体であるから、任意のaでχR(a)が成り立つ。m≥1とし、1≤ℓ≤mとする。§E20.40 命題 7.5をWと分離区間(cℓ,dℓ)に適用すると、任意の実数aについて、a=αℓであることはcℓ<a<dℓかつW(a)=0であることと同値であり、a<αℓであることは、a≤cℓであるか、cℓ<a<dℓかつW(a)W(cℓ)>0であることと同値である。定義 1.1 (2)により、これらの右辺はそれぞれχ=ℓ(a)とχ<ℓ(a)と同値であり、χ>ℓ(a)はa=αℓでもa<αℓでもないこと、すなわちa>αℓと同値である。I0、{αℓ}、Iℓ(1≤ℓ<m)、Imはそれぞれa<α1、a=αℓ、αℓ<a<αℓ+1、a>αmを満たす実数aの全体であるから、主張が成り立つ。
最後の主張は、§E20.40 定理 7.3の最後の主張と、W(cℓ)が有理数の四則演算で得られることによる。▨
定理 5.3.r∈N≥0、p1,…,pr∈Q[t][x]とし、Φを族(p1,…,pr)上の符号条件式とする。次の手続きを考える。
- J0、Jt、J+を求め、(p1,…,pr)の射影族Δを、J+=∅ならば命題 3.4 (3)の計算で求める。
- Δに命題 5.2を適用し、区画、標本点τC、族Ξと符号条件式χCを求める。
- 各区画Cについて、τCに命題 5.1を適用してS(τC)を求める。
- [Φ]を定義 1.1 (2)の規則で求め、S(τC)∩[Φ]=∅を満たす区画Cの全体をT∃、S(τC)⊂[Φ]を満たす区画Cの全体をT∀とする。
- Ψ∃:=⋁C∈T∃χC、Ψ∀:=⋁C∈T∀χCと置く。
この手続きは有理数の四則演算と比較の有限回で停止する。Ψ∃とΨ∀はQ[t]の元からなる有限族Ξ上の符号条件式であり、任意のa∈Rに対して
(∃b∈R Φ(a,b))⟺Ψ∃(a),(∀b∈R Φ(a,b))⟺Ψ∀(a)が成り立つ。
証明.J0、Jt、J+はpjの係数を0と比較して得られ、Δは、J+=∅ならば命題 3.4 (3)により、J+=∅ならばJtのpjを集めて得られる。命題 3.4 (2)によりΔはQ[t]の零でない元からなる有限集合であり、命題 5.2により区画、標本点、Ξ、χCは有限回の計算で得られ、区画は有限個である。命題 5.2 (1)により一点集合の区画の標本点は表示で与えられるので、命題 5.1 (2)により各S(τC)は有限回の計算で得られる。[Φ]は有限集合{−1,0,1}rの部分集合としてΦの構成に沿って補集合・共通部分・和集合を有限回取って得られ、T∃とT∀は有限集合の比較で得られる。したがって手続きは有限回で停止する。各χCはΞ上の符号条件式であるから、Ψ∃とΨ∀もΞ上の符号条件式である。
a∈Rとする。命題 5.2 (1)により、aを含む区画Cがただ一つ存在する。Cが一点集合ならばa=τCである。Cが一点集合でなければ、CはZ(Δ)と交わらずτCを含む開区間であるから、定理 4.2 (4)によりS(a)=S(τC)である。いずれの場合もS(a)=S(τC)である。定義 1.1 (3)により、Φ(a,b)を満たすb∈Rが存在することはS(a)∩[Φ]=∅と同値であり、任意のb∈RでΦ(a,b)が成り立つことはS(a)⊂[Φ]と同値である。したがって、左辺の∃の式はC∈T∃と同値であり、∀の式はC∈T∀と同値である。
TをT∃とT∀のいずれかとし、Ψ:=⋁C′∈TχC′とする。定義 1.1 (2)により、Ψ(a)が成り立つことはχC′(a)を満たすC′∈Tが存在することと同値である。命題 5.2 (2)によりχC′(a)はa∈C′と同値であり、区画は互いに交わらないので、Ψ(a)が成り立つことはC∈Tと同値である。前段と合わせて、二つの同値が成り立つ。▨
例 5.4.r=2、p1:=tx−1、p2:=txとする。J+={1,2}であり、Q(t)[x]においてp1=t(x−1/t)、p2=txである。x−1/tとxは相異なるモニックな一次式であるから既約であり、P=t2x(x−1/t)、n=2である。補題 3.2 (1)によりD=1、H=x(x−1/t)=x2−x/t、d=2であり、A=t2、B=H/t2=x2/t2−x/t3である。§E20.39 補題 3.3 (4)によりG1=x−1/t、G2=xであり、B1=x、C1=t、B2=x−1/t、C2=tである。U1=U2:=0、V1=V2:=1/tと取るとUjH+Vjpj=Gjが成り立つ。§E20.40 例 4.8 (3)によりRes(H,H′)=4⋅0−(1/t)2=−1/t2である。係数を既約な分数で表し、(uR,vR):=(−1,t2)と取ると、Δ={−1, 1, t, t2, t3}、Z(Δ)={0}である。命題 5.2ではW=t、m=1、(c1,d1)=(−1,1)、α1=0と取ることができ、区画は(−∞,0)、{0}、(0,∞)、標本点は−1、0、1である。
Hの係数−1/tの任意の分数表示(u,v)はut=−vを満たすのでv(0)=0であり、HはO0[x]に属さない。t=0ではp1(0,x)=−1は次数が下がって零でない定数になり、p2(0,x)=0は零多項式になる。命題 5.1 (2)により
S(−1)S(1)S(0)={(1,1),(0,1),(−1,1),(−1,0),(−1,−1)},={(−1,−1),(−1,0),(−1,1),(0,1),(1,1)},={(−1,0)}である。Φ1:=(p1=0)についてT∃={(−∞,0),(0,∞)}であるから、∃b Φ1(a,b)はΨ∃=χ<1∨χ>1と同値であり、a=0と同値である。Φ2:=(p2=0)についてT∀={{0}}であるから、∀b Φ2(a,b)はΨ∀=χ=1=(t+1>0)∧(t−1<0)∧(t=0)と同値である。Δからpjの最高次係数と分母を除いた{−1}は零点をもたないので、それによる区画はRだけになり、その標本点0でS(0)∩[Φ1]=∅であるから、この区画から作る式は⊥になる。一方、a=1、b=1はΦ1(a,b)を満たす。
例 5.5.r=2、p1:=(x2−t)2、p2:=xとし、Φ1:=(p1=0)∧(p2>0)、Φ2:=(p1=0)∧(p2≥0)とする。u,v∈Q[t]、v=0が(u/v)2=tを満たすならばu2=tv2かつu=0であり、§E6.28 命題 1.2により2degu=1+2degvとなって偶奇が合わない。したがってx2−tはQ(t)に根をもたず、§E6.28 定理 4.3によりQ(t)[x]で既約である。π1:=x2−tとπ2:=xは相異なるモニック既約多項式であり、P=π12π2、n=5である。補題 3.2 (1)によりD=x2−t、H=π1π2=x3−tx、d=3であり、A=x2−t、B=(x2−t)3x4である。D=1であるから§E20.40 定理 4.5によりRes(P,P′)=0であり、Pの終結式はΔに零でない元を与えない。§E20.39 補題 3.3 (4)によりG1=x2−t、B1=x、C1=x2−t、G2=x、B2=x2−t、C2=1である。U1:=x/t、V1:=−1/t、U2:=0、V2:=1と取ると、
U1H+V1p1=t(x2−t)(x2−(x2−t))=x2−t=G1であり、U2H+V2p2=G2である。H′=3x2−tであり、S3,2(H,H′)の第1列から第5列はxH、H、x2H′、xH′、H′の係数ベクトル(1,0,−t,0,0)、(0,1,0,−t,0)、(3,0,−t,0,0)、(0,3,0,−t,0)、(0,0,3,0,−t)である。第3列から第1列の3倍を、第4列から第2列の3倍を引くと、例 4.3と同じく第1行と第2行は(1,0,0,0,0)と(0,1,0,0,0)になり、第3行から第5行の第3列から第5列の成分は(2t,0,3)、(0,2t,0)、(0,0,−t)になる。この3次の行列は上三角行列であるから、§E20.40 補題 4.2 (4)によりRes(H,H′)=2t⋅2t⋅(−t)=−4t3である。U1,V1の零でない係数の分数表示の分母をt、その他の係数の分数表示の分母を1とし、(uR,vR):=(−4t3,1)と取ると、Δ={1, t, −4t3}、Z(Δ)={0}である。命題 5.2ではW=t、m=1、(c1,d1)=(−1,1)、α1=0と取ることができ、区画は(−∞,0)、{0}、(0,∞)、標本点は−1、0、1である。
p1(−1,x)=(x2+1)2は正であり、p1(1,x)=(x2−1)2の実根は±1、p1(0,x)=x4の実根は重根0であって、0はp2(0,x)=xの根でもある。命題 5.1 (2)により
S(−1)S(1)S(0)={(1,−1),(1,0),(1,1)},={(1,−1),(0,−1),(1,0),(1,1),(0,1)},={(1,−1),(0,0),(1,1)}である。[Φ1]={(0,1)}、[Φ2]={(0,0),(0,1)}である。したがってΦ1についてはT∃={(0,∞)}、Ψ∃=χ>1であり、∃b Φ1(a,b)はa>0と同値である。Φ2についてはT∃={{0},(0,∞)}、Ψ∃=χ=1∨χ>1であり、∃b Φ2(a,b)はa≥0と同値である。二つのT∃は一点集合でない区画では一致し、点区画{0}だけで異なる。