§E8.20円分拡大と円分指標

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nn乗して11になる元は、体の乗法群における有限位数の元である。基礎体の標数がnnを割らない場合、xn−1x^n-1は重根をもたず、その根全体は位数nnの巡回群になる。絶対 Galois 群がこの巡回群へ作用する指数を記録したものが円分指標である。

有理数体上では、原始nn乗根のすべてが共役になり、円分拡大の Galois 群は(Z/nZ)×(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times全体になる。本記事ではこの既約性を素数ごとの共役を用いて証明する。

1 一の冪根と円分指標

定義 1.1.KKを体とし、n≥1n\ge1とする。分離閉包KsK_sの部分群

μn={ζ∈Ks×∣ζn=1}\mu_n=\{\zeta\in K_s^\times\mid \zeta^n=1\}

をnn乗根群 (group of n-th roots of unity) という。位数がちょうどnnの元を原始nn乗根 (primitive n-th root of unity) という。

char⁡K∤n\operatorname{char}K\nmid nなら(xn−1)′=nxn−1(x^n-1)'=nx^{n-1}はxn−1x^n-1と互いに素なので、μn\mu_nはnn個の元をもつ。§E8.7 定理 2.1は、体の乗法群の任意の有限部分群が巡回群であると述べる。この定理をKs×K_s^\timesの有限部分群μn\mu_nへ適用すると、μn\mu_nは位数nnの巡回群であり、原始nn乗根が存在する。

定義 1.2.char⁡K∤n\operatorname{char}K\nmid nとし、原始nn乗根ζn∈Ks\zeta_n\in K_sを固定する。各σ∈GK\sigma\in G_Kに対して一意なχn(σ)∈(Z/nZ)×\chi_n(\sigma)\in(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesが

σ(ζn)=ζnχn(σ)\sigma(\zeta_n)=\zeta_n^{\chi_n(\sigma)}

を満たす。この連続準同型

χn:GK⟶(Z/nZ)×\chi_n:G_K\longrightarrow(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times

をnn次円分指標 (n-th cyclotomic character) という。

補題 1.3.定義 1.2の写像χn\chi_nは群準同型であり、有限群(Z/nZ)×(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesに離散位相を入れると連続である。

証明.σ\sigmaは乗法と元の位数を保つので、σ(ζn)\sigma(\zeta_n)は原始nn乗根であり、定義 1.2の指数は(Z/nZ)×(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesに一意に定まる。σ,τ∈GK\sigma,\tau\in G_Kに対して

στ(ζn)=σ(ζnχn(τ))=ζnχn(σ)χn(τ)\sigma\tau(\zeta_n) =\sigma\left(\zeta_n^{\chi_n(\tau)}\right) =\zeta_n^{\chi_n(\sigma)\chi_n(\tau)}

である。一意性によりχn(στ)=χn(σ)χn(τ)\chi_n(\sigma\tau)=\chi_n(\sigma)\chi_n(\tau)となるので、χn\chi_nは群準同型である。その核はζn\zeta_nの固定部分群Gal⁡(Ks/K(ζn))\operatorname{Gal}(K_s/K(\zeta_n))である。K(ζn)/KK(\zeta_n)/Kは有限拡大なので、この部分群はGKG_Kの開部分群である。有限離散群への準同型は核が開なら連続であるため、χn\chi_nは連続である。▨

命題 1.4.K(μn)=K(ζn)K(\mu_n)=K(\zeta_n)はKK上有限 Galois 拡大であり、制限写像と円分指標は同型

Gal⁡(K(μn)/K)→ ∼ im⁡χn≤(Z/nZ)×\operatorname{Gal}(K(\mu_n)/K)\xrightarrow{\ \sim\ } \operatorname{im}\chi_n\le(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times

を与える。とくに[K(μn):K][K(\mu_n):K]はφ(n)\varphi(n)を割る。

証明.K(μn)K(\mu_n)は分離多項式xn−1x^n-1の分解体なので有限 Galois 拡大である。自己同型は生成元ζn\zeta_nの像によって一意に定まり、その像は原始nn乗根ζna\zeta_n^aである。したがって円分指標は Galois 群から(Z/nZ)×(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesへの単射を与える。その像は定義によりim⁡χn\operatorname{im}\chi_nである。位数を比較すると次数の主張が従う。▨

μn⊂K\mu_n\subset Kであることとχn\chi_nが自明であることは同値である。μn\mu_nが基礎体に含まれない場合、GKG_Kはμn\mu_nへ非自明に作用し、この作用は後続の Kummer 理論で保持しなければならない。

2 円分多項式

複素数体の中でζn=e2πi/n\zeta_n=e^{2\pi i/n}と固定する。

定義 2.1. 原始nn乗根を根とするモニック多項式

Φn(x)=∏1≤a≤n(a,n)=1(x−ζna)\Phi_n(x)=\prod_{\substack{1\le a\le n\\(a,n)=1}}(x-\zeta_n^a)

をnn次円分多項式 (n-th cyclotomic polynomial) という。その次数は Euler の関数φ(n)\varphi(n)である。

補題 2.2 (原始多項式に対する Gauss の補題). 整数係数多項式の係数の最大公約数を内容といい、内容が11の多項式を原始多項式という。次が成り立つ。

  1. 二つの原始多項式の積は原始多項式である。
  2. 原始かつモニックなF∈Z[x]F\in\mathbb Z[x]がF=ghF=ghとQ[x]\mathbb Q[x]で分解され、g,hg,hがモニックなら、g,h∈Z[x]g,h\in\mathbb Z[x]である。

したがって、モニックなH∈Z[x]H\in\mathbb Z[x]がモニックで原始なF∈Z[x]F\in\mathbb Z[x]をQ[x]\mathbb Q[x]で割り切るなら、そのモニックな商もZ[x]\mathbb Z[x]に属する。

証明.(1)を示す。原始多項式P,Q∈Z[x]P,Q\in\mathbb Z[x]の積が原始でないと仮定する。その全係数を割る素数ppを取ると、Fp[x]\mathbb F_p[x]においてP‾ Q‾=0\overline P\,\overline Q=0となる。一方、原始性によりP‾≠0\overline P\ne0かつQ‾≠0\overline Q\ne0であり、Fp[x]\mathbb F_p[x]は整域なので矛盾する。よって(1)の主張が従う。

(2)を示す。g=rGg=rG、h=sHh=sHと書く。ただし、G,H∈Z[x]G,H\in\mathbb Z[x]は原始多項式、r,sr,sは正の有理数であり、G,HG,Hの最高次係数は正とすることができる。(1)の主張によりGHGHは原始であり、

F=rsGHF=rsGH

である。原始多項式R∈Z[x]R\in\mathbb Z[x]と有理数ccに対し、cRcRが整数係数なら、ccを既約分数で表したときの分母はRRの全係数を割るので、その分母は11である。さらにcRcRも原始なら∣c∣=1|c|=1である。この事実を上の等式へ適用するとrs=1rs=1を得る。g,hg,hはモニックなので、G,HG,Hの最高次係数をそれぞれu,vu,vとすればr=1/ur=1/u、s=1/vs=1/vである。したがってuv=1uv=1であり、正整数u,vu,vはともに11である。ゆえにr=s=1r=s=1となり、g=Gg=G、h=Hh=Hは整数係数である。最後の主張はF=H(F/H)F=H(F/H)へ(2)の主張を適用すれば従う。▨

補題 2.3.Φn(x)\Phi_n(x)はZ[x]\mathbb Z[x]に属し、

xn−1=∏d∣nΦd(x)(1)x^n-1=\prod_{d\mid n}\Phi_d(x) \tag{1}

が成り立つ。

証明.xn−1x^n-1の各根は、位数がnnのある約数ddに等しい一の根である。位数ごとに根を分けると式 (1) を得る。

整係数性をnnについて帰納する。Φ1=x−1∈Z[x]\Phi_1=x-1\in\mathbb Z[x]である。n>1n>1とし、真の約数に対して主張を仮定する。式 (1) から

xn−1=Φn(x)∏d∣nd<nΦd(x)x^n-1=\Phi_n(x)\prod_{\substack{d\mid n\\d<n}}\Phi_d(x)

である。右辺の第二因子はモニック整係数多項式である。モニック多項式による除法から商Φn\Phi_nはQ[x]\mathbb Q[x]に属する。xn−1x^n-1と第二因子はモニックで原始なので、補題 2.2の商に関する結論によりΦn∈Z[x]\Phi_n\in\mathbb Z[x]である。▨

定理 2.4.Φn(x)\Phi_n(x)はQ[x]\mathbb Q[x]で既約である。したがって

[Q(ζn):Q]=φ(n),Gal⁡(Q(ζn)/Q)≅(Z/nZ)×,[\mathbb Q(\zeta_n):\mathbb Q]=\varphi(n),\qquad \operatorname{Gal}(\mathbb Q(\zeta_n)/\mathbb Q) \cong(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\times,

であり、a∈(Z/nZ)×a\in(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesは自己同型σa(ζn)=ζna\sigma_a(\zeta_n)=\zeta_n^aに対応する。

証明.f∈Q[x]f\in\mathbb Q[x]をζn\zeta_nのQ\mathbb Q上のモニック最小多項式とする。ffはxn−1x^n-1をQ[x]\mathbb Q[x]で割り切るので、補題 2.2をxn−1x^n-1のモニック分解へ適用するとf∈Z[x]f\in\mathbb Z[x]である。またf∣Φnf\mid\Phi_nであり、同じ補題をモニック分解Φn=fg\Phi_n=fgへ適用するとg∈Z[x]g\in\mathbb Z[x]である。

ℓ∤n\ell\nmid nを素数とする。ζnℓ\zeta_n^\ellがffの根でないと仮定するとg(ζnℓ)=0g(\zeta_n^\ell)=0なので、ζn\zeta_nはg(xℓ)g(x^\ell)の根でありf(x)∣g(xℓ)f(x)\mid g(x^\ell)となる。係数をFℓ\mathbb F_\ellへ還元すると

g(xℓ)‾=g‾(x)ℓ\overline{g(x^\ell)}=\overline g(x)^\ell

である。したがってf‾\overline fとg‾\overline gは非定数の共通因子をもち、Φ‾n=f‾ g‾\overline\Phi_n=\overline f\,\overline gは重複因子をもつ。しかしℓ∤n\ell\nmid nなのでxn−1x^n-1とその微分nxn−1nx^{n-1}はFℓ[x]\mathbb F_\ell[x]で互いに素であり、式 (1) からその因子Φ‾n\overline\Phi_nも重複因子をもたない。これは矛盾である。ゆえにζnℓ\zeta_n^\ellはffの根である。

上の議論では、ζn\zeta_nをffの任意の原始nn乗根へ置き換えることができる。実際、その根の最小多項式も既約多項式ffであり、同じ割り切りの議論が成り立つ。任意のa∈(Z/nZ)×a\in(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesは、nnと互いに素な正整数で代表させ、その素因数を順に適用することにより、ζna\zeta_n^aもffの根である。したがってffはφ(n)\varphi(n)個の原始nn乗根をすべて根にもつ。f∣Φnf\mid\Phi_nかつ両者はモニックなのでf=Φnf=\Phi_nである。

次数公式が従い、命題 1.4の単射は、位数がともにφ(n)\varphi(n)である二つの有限群の間の単射になるため同型である。▨

3 中間体

定理 3.1.G=(Z/nZ)×G=(\mathbb Z/n\mathbb Z)^\timesとする。対応

H⟼Q(ζn)HH\longmapsto\mathbb Q(\zeta_n)^H

はGGの部分群とQ⊆E⊆Q(ζn)\mathbb Q\subseteq E\subseteq\mathbb Q(\zeta_n)を満たす中間体との間の包含を反転する全単射であり、

[Q(ζn):Q(ζn)H]=∣H∣,[Q(ζn)H:Q]=[G:H][\mathbb Q(\zeta_n):\mathbb Q(\zeta_n)^H]=|H|, \qquad [\mathbb Q(\zeta_n)^H:\mathbb Q]=[G:H]

である。GGは可換群なので、すべての中間拡大E/QE/\mathbb Qは Galois 拡大である。

証明.定理 2.4により円分拡大の Galois 群はGGである。有限 Galois 対応§E8.10 定理 4.1を適用すると全単射と次数公式を得る。GGのすべての部分群は正規なので、対応する中間拡大は Galois 拡大である。▨

例 3.2 (最大実部分体).n≥3n\ge3とする。複素共役はσ−1\sigma_{-1}に対応する。その固定体は

Q(ζn+ζn−1)\mathbb Q(\zeta_n+\zeta_n^{-1})

である。実際、右辺は複素共役で固定され、ζn\zeta_nは

x2−(ζn+ζn−1)x+1x^2-(\zeta_n+\zeta_n^{-1})x+1

を満たす。ζn\zeta_nは実数でないため拡大次数は22であり、固定体の次数と一致する。したがって

[Q(ζn+ζn−1):Q]=φ(n)2[\mathbb Q(\zeta_n+\zeta_n^{-1}):\mathbb Q]=\frac{\varphi(n)}2

である。

4 トレースとノルム

定義 4.1. 正整数上のMöbius 関数 (Möbius function)μ\muを次で定める。μ(1)=1\mu(1)=1とする。r>1r>1がある素数の平方で割り切れるならμ(r)=0\mu(r)=0とし、rrが相異なるss個の素数の積ならμ(r)=(−1)s\mu(r)=(-1)^sとする。

補題 4.2. 任意の正整数rrに対して

∑d∣rμ(d)={1,r=1,0,r>1(2)\sum_{d\mid r}\mu(d)= \begin{cases}1,&r=1,\\0,&r>1\end{cases} \tag{2}

である。したがって、正整数a,na,nに対して1(a,n)=1=∑d∣(a,n)μ(d)1_{(a,n)=1}=\sum_{d\mid(a,n)}\mu(d)が成り立つ。

証明.r=1r=1の場合は定義から従う。r>1r>1の相異なる素因数をp1,…,psp_1,\ldots,p_sとする。μ(d)≠0\mu(d)\ne0となる約数ddはp1,…,psp_1,\ldots,p_sから選んだ部分集合の積に限られるので、二項定理から

∑d∣rμ(d)=∑j=0s(sj)(−1)j=(1−1)s=0\sum_{d\mid r}\mu(d)=\sum_{j=0}^s\binom sj(-1)^j=(1-1)^s=0

となる。最後の等式は式 (2) をr=(a,n)r=(a,n)へ適用したものである。▨

補題 4.3.ppを素数、m≥1m\ge1、p∤mp\nmid m、r≥1r\ge1とする。このとき

Φpm(x)=Φm(xp)Φm(x),Φprm(x)=Φpm(xpr−1)(3)\Phi_{pm}(x)=\frac{\Phi_m(x^p)}{\Phi_m(x)}, \qquad \Phi_{p^rm}(x)=\Phi_{pm}\left(x^{p^{r-1}}\right) \tag{3}

が成り立つ。

証明.α\alphaを一の根とし、その位数をssとする。s=paus=p^au、p∤up\nmid uと書くと

ord⁡(αp)=pmax⁡(a−1,0)u\operatorname{ord}(\alpha^p)=p^{\max(a-1,0)}u

である。したがって、αp\alpha^pの位数がmmであることは、s=ms=mまたはs=pms=pmであることと同値である。ゆえにΦm(xp)\Phi_m(x^p)の根は、原始mm乗根と原始pmpm乗根との互いに交わらない合併である。これらの根はxpm−1x^{pm}-1の根なので重複しない。三つの多項式はモニックであるからΦm(xp)=Φm(x)Φpm(x)\Phi_m(x^p)=\Phi_m(x)\Phi_{pm}(x)となり、第一の式を得る。

次にαpr−1\alpha^{p^{r-1}}の位数がpmpmであるとする。位数の公式

ord⁡(αpr−1)=sgcd⁡(s,pr−1)\operatorname{ord}\left(\alpha^{p^{r-1}}\right) =\frac{s}{\gcd(s,p^{r-1})}

へs=paus=p^auを代入すると、u=mu=mかつa−min⁡(a,r−1)=1a-\min(a,r-1)=1を得る。この条件はa=ra=rと同値なので、α\alphaの位数はprmp^rmである。逆向きも同じ公式から従う。よってΦpm(xpr−1)\Phi_{pm}(x^{p^{r-1}})の根は原始prmp^rm乗根全体であり、根は重複しない。両辺がモニックなので第二の式が従う。▨

命題 4.4.n≥2n\ge2、k∈Zk\in\mathbb Zとする。このとき

Tr⁡Q(ζn)/Q(ζnk)=∑d∣gcd⁡(n,k)d μ(n/d),(4)\operatorname{Tr}_{\mathbb Q(\zeta_n)/\mathbb Q}(\zeta_n^k) =\sum_{d\mid\gcd(n,k)}d\,\mu(n/d), \tag{4}

とくにTr⁡(ζn)=μ(n)\operatorname{Tr}(\zeta_n)=\mu(n)である。また

N⁡Q(ζn)/Q(ζn)={−1,n=2,1,n>2,\operatorname{N}_{\mathbb Q(\zeta_n)/\mathbb Q}(\zeta_n) =\begin{cases}-1,&n=2,\\1,&n>2,\end{cases}

および

N⁡Q(ζn)/Q(1−ζn)=Φn(1)={p,n=pr が素数冪,1,n が素数冪でない(5)\operatorname{N}_{\mathbb Q(\zeta_n)/\mathbb Q}(1-\zeta_n) =\Phi_n(1) =\begin{cases} p,&n=p^r\text{ が素数冪},\\ 1,&n\text{ が素数冪でない} \end{cases} \tag{5}

が成り立つ。

証明. 埋め込み表示§E8.16 定理 2.1と Galois 群の記述から、トレースは

cn(k)=∑1≤a≤n(a,n)=1ζnakc_n(k)=\sum_{\substack{1\le a\le n\\(a,n)=1}}\zeta_n^{ak}

である。互いに素であることの指示関数を表す補題 4.2の等式1(a,n)=1=∑d∣(a,n)μ(d)1_{(a,n)=1}=\sum_{d\mid(a,n)}\mu(d)を代入すると

cn(k)=∑d∣nμ(d)∑b=1n/dζndbk.c_n(k)=\sum_{d\mid n}\mu(d) \sum_{b=1}^{n/d}\zeta_n^{dbk}.

内側の幾何級数は(n/d)∣k(n/d)\mid kのときn/dn/d、それ以外は00である。e=n/de=n/dと置き換えると式 (4) を得る。

n>2n>2では単元類aaと−a-aを組にすることができ、対応する根の積はζnaζn−a=1\zeta_n^a\zeta_n^{-a}=1である。n=2n=2では唯一の原始根が−1-1なので、ζn\zeta_nのノルムの式を得る。

最後に

N⁡(1−ζn)=∏(a,n)=1(1−ζna)=Φn(1)\operatorname{N}(1-\zeta_n) =\prod_{(a,n)=1}(1-\zeta_n^a)=\Phi_n(1)

である。n=prn=p^rなら、補題 4.3をm=1m=1へ適用して

Φpr(x)=Φp(xpr−1)=xpr−1xpr−1−1=1+xpr−1+⋯+x(p−1)pr−1\Phi_{p^r}(x)=\Phi_p\left(x^{p^{r-1}}\right) =\frac{x^{p^r}-1}{x^{p^{r-1}}-1} =1+x^{p^{r-1}}+\cdots+x^{(p-1)p^{r-1}}

を得る。したがってΦpr(1)=p\Phi_{p^r}(1)=pである。nnが素数冪でない場合、n=prmn=p^rm、p∤mp\nmid m、m>1m>1となる素数ppを取る。同じ補題から

Φn(1)=Φpm(1)=Φm(1)Φm(1)=1\Phi_n(1)=\Phi_{pm}(1) =\frac{\Phi_m(1)}{\Phi_m(1)}=1

となる。m>1m>1のとき11は原始mm乗根でないのでΦm(1)≠0\Phi_m(1)\ne0であり、この除法は定義される。▨

例 4.5 (第八円分体).Φ8(x)=x4+1\Phi_8(x)=x^4+1であり、Gal⁡(Q(ζ8)/Q)≅(Z/8Z)×≅C2×C2\operatorname{Gal}(\mathbb Q(\zeta_8)/\mathbb Q)\cong(\mathbb Z/8\mathbb Z)^\times\cong C_2\times C_2である。三つの位数二の部分群は、三つの二次中間体

Q(i),Q(2),Q(−2)\mathbb Q(i),\qquad\mathbb Q(\sqrt2),\qquad\mathbb Q(\sqrt{-2})

に対応する。また命題 4.4によりTr⁡(ζ8)=μ(8)=0\operatorname{Tr}(\zeta_8)=\mu(8)=0、N⁡(1−ζ8)=Φ8(1)=2\operatorname{N}(1-\zeta_8)=\Phi_8(1)=2である。

5 演習

問題 5.1 (円分体の確認).

  1. char⁡K∤n\operatorname{char}K\nmid nのとき、μn\mu_nが位数nnの巡回群であることを、分離性と§E8.7 定理 2.1から証明せよ。
  2. 定理 2.4の証明で、素数ℓ\ellがnnを割らないという仮定が使われる箇所を二つ挙げよ。
  3. n=5n=5について Galois 群のすべての部分群を求め、中間体の次数を計算せよ。
  4. 式 (4) を用いてTr⁡Q(ζ12)/Q(ζ12k)\operatorname{Tr}_{\mathbb Q(\zeta_{12})/\mathbb Q}(\zeta_{12}^k)をk=1,2,3,4k=1,2,3,4について計算せよ。
  5. μn⊄K\mu_n\not\subset Kの場合に、σ(ζ)=ζχn(σ)\sigma(\zeta)=\zeta^{\chi_n(\sigma)}という作用を自明作用に置き換えてはならない理由を説明せよ。

6 扱った範囲と次の記事

本記事では、円分指標、円分拡大、有理数体上の円分多項式の既約性、中間体、トレースおよびノルムを証明した。次の記事では、nn乗写像の核であるμn\mu_nを用いて Kummer 完全列を構成する。円分指標が非自明な場合には、μn\mu_nの Galois 作用を保持する。

参考文献

  1. Serge Lang, Algebra, revised 3 ed., Graduate Texts in Mathematics, Springer, New York, 2002.
  2. Lawrence C. Washington, Introduction to Cyclotomic Fields, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics 83, Springer, New York, 1997.

前提記事