1 純非分離元と最大分離部分体
正標数では、微分が零になる既約多項式が非分離性を生む。
定義 1.1.Kを標数p>0の体とし、L/Kを代数拡大とする。元α∈LがK上純非分離的 (purely inseparable) であるとは、ある非負整数rが存在してαpr∈Kが成り立つことをいう。
Lのすべての元がK上純非分離的であるとき、L/Kを純非分離拡大 (purely inseparable extension) という。有限拡大L/Kに対し、すべてのα∈Lがαpe∈Kを満たすような非負整数eの最小値を、L/Kの指数 (exponent) という。
有限純非分離拡大では、有限個のK-基底の各元に必要な指数の最大値を取れば、すべての元に共通する指数が得られる。したがって指数を定める最小値は存在する。
純非分離元の最小多項式は、一つの根しかもたない。
命題 1.2.Kを標数p>0の体、ΩをKの代数閉包、α∈ΩをK上代数的な元とする。次の条件は同値である。
- αはK上純非分離的である。
- αのK上の最小多項式は、あるa∈Kと非負整数rに対してXpr−aの形である。
- αのK上の共役はαだけである。
証明.(1)を仮定し、αpr=a∈Kとする。最小多項式mα,KはXpr−aを割る。代数閉包Ωでは
Xpr−a=(X−α)prである。したがってmα,Kはα以外の根をもたず、(3)が成り立つ。
(3)を仮定する。degmα,K=1ならばα∈Kであり、mα,K=X−α=Xp0−αなので(2)が成り立つ。以下、degmα,K>1とする。mα,K′=0ならば、既約性からmα,Kは分離的であり、代数閉包でdegmα,K>1個の相異なる根をもつ。これは(3)に反する。したがってmα,K′=0である。微分が零であることから、mα,K(X)=g1(Xp)を満たすg1∈K[X]が存在する。g1′=0なら同じ操作を反復する。次数は有限であるから、あるrについて
mα,K(X)=g(Xpr),g′=0となる。mα,Kが既約なのでgも既約であり、g′=0からgは分離的である。g(αpr)=0であり、gの相異なる根はmα,Kの相異なる根を与えるため、gは一次式でなければならない。mα,Kをモニックとしたので、mα,K=Xpr−aと書ける。よって(2)が成り立つ。(2)⇒(1)は直ちに従う。▨
任意の代数拡大には、分離的な部分を集めた最大の中間体が存在する。
定義 1.3. 代数拡大L/Kに対して
Lsep={α∈L∣α は K 上分離的である}と置く。LsepをL/Kの最大分離部分体 (maximal separable subfield) という。
命題 1.4.L/Kを代数拡大とする。このときLsepはKとLの中間体であり、Lsep/Kは分離拡大である。さらに、Kの標数が0ならL=Lsepであり、Kの標数がp>0ならL/Lsepは純非分離拡大である。
証明.α,β∈Lsepとする。有限拡大K(α,β)/Kは分離拡大であるから、α±β、αβおよびα=0のときのα−1はK上分離的である。したがってLsepは中間体であり、定義からLsep/Kは分離拡大である。
Kの標数が0なら、すべてのγ∈LはK上分離的であるため、L=Lsepである。
Kの標数をp>0とし、γ∈Lを取る。γの最小多項式は、一意な非負整数rと分離的な多項式gを用いて
mγ,K(X)=g(Xpr)と書ける。実際、微分が零である間だけXpの多項式として書き直せばよい。するとγprの最小多項式はgを割るので、γprはK上分離的である。ゆえにγpr∈Lsepであり、γはLsep上純非分離的である。γは任意であるから、標数p>0の場合にはL/Lsepは純非分離拡大である。▨
2 分離次数と非分離次数
有限拡大を代数閉包へ写す埋め込みは、最大分離部分体上で完全に決まる。
定義 2.1.L/Kを有限拡大、ΩをKの代数閉包とする。K-埋め込みの集合をEmbK(L,Ω)と書き、
[L:K]s=#EmbK(L,Ω),[L:K]i=[L:K]s[L:K]と定める。前者を分離次数 (separable degree)、後者を非分離次数 (inseparable degree) という。
定義した商が整数になることと、その構造を次の定理が与える。ここで用いる§E8.11 定理 2.1は、代数拡大M/Fと代数閉体Ωへの埋め込みF→Ωに対し、その埋め込みがM→Ωへ延長されるという主張である。
定理 2.2.L/Kを有限拡大とし、Lsepを最大分離部分体とする。このとき
[L:K]s=[Lsep:K],[L:K]i=[L:Lsep]であり、したがって
[L:K]=[L:K]s[L:K]iが成り立つ。標数がp>0なら、[L:K]iはpの冪である。標数が0なら、L=Lsepかつ[L:K]i=1である。
証明.Lsep/Kは有限分離拡大であるから、§E8.8 定理 2.3により、K-埋め込みLsep→Ωはちょうど[Lsep:K]個ある。
Kの標数が0なら、命題 1.4によりL=Lsepである。したがって
[L:K]s=[L:K]=[Lsep:K],[L:K]i=1=[L:Lsep]であり、三つの等式はすべて成り立つ。
Kの標数をp>0とする。§E8.11 定理 2.1により、各K-埋め込みLsep→ΩはL→Ωへ延長される。一方、命題 1.4によりL/Lsepは純非分離拡大である。α∈Lとし、αpr=a∈Lsepとする。延長された埋め込みσに対してσ(α)はXpr−σ(a)の根であるが、この多項式はΩで一つの根しかもたない。したがって延長は一意である。制限写像
EmbK(L,Ω)⟶EmbK(Lsep,Ω)は全単射であり、最初の等式を得る。塔の公式から
[L:K]=[L:Lsep][Lsep:K]であるから、二番目の等式と次数の積公式が従う。
有限純非分離拡大L/Lsepを有限個の単拡大に分けると、各段の最小多項式はXpr−aを割るので、各段の次数はpの冪である。塔の公式により[L:Lsep]もpの冪である。▨
例 2.3 (分離次数が一である次数 p の拡大).K=Fp(t)とし、up=tを満たす元uを代数閉包で取る。tはKのp乗ではないからXp−tはK上既約であり、L=K(u)はK上p次である。Xp−t=(X−u)pであるから、Lから代数閉包へのK-埋め込みは恒等埋め込みだけである。したがって
[L:K]s=1,[L:K]i=pである。
3 完全体と Frobenius 準同型
純非分離拡大が存在しないことは、Frobenius 準同型の全射性と同値である。
定義 3.1. 体Kが完全体 (perfect field) であるとは、Kのすべての代数拡大が分離拡大であることをいう。
標数p>0の体Kでは、写像
FK:K⟶K,x⟼xp
を Frobenius 準同型という。二項係数がpで消えるため、FKは体準同型である。
定理 3.2. 標数p>0の体Kについて、次の条件は同値である。
- Kは完全体である。
- Frobenius 準同型FKは全射である。
- Kは非自明な有限純非分離拡大をもたない。
- K[X]のすべての既約多項式は分離的である。
証明.(1)ならば、純非分離拡大も分離的でなければならない。分離的かつ純非分離的な代数拡大は自明であるから、(3)が成り立つ。
(3)を仮定する。a∈Kを取り、代数閉包でbp=aを満たすbを取る。K(b)/Kは有限純非分離拡大であるからb∈Kである。したがってFKは全射であり、(2)が成り立つ。
(2)を仮定し、既約多項式f∈K[X]を取る。fが非分離的なら、既約性からf′=0であるため、f(X)=∑iaiXpiと書ける。FKは全射であるから、各iに対してbip=aiを満たすbi∈Kが存在する。すると
f(X)=(i∑biXi)pとなり、fの既約性に反する。したがって(4)が成り立つ。
(4)を仮定する。任意の代数拡大の任意の元の最小多項式は分離的であるから、すべての代数拡大は分離拡大である。よって(1)が成り立つ。▨
系 3.3. 標数0の任意の体と、任意の有限体は完全体である。
証明. 標数0の体では、非定数既約多項式fの微分f′は零多項式ではない。既約性からgcd(f,f′)=1となるため、fは分離的である。
有限体Kの標数をpとする。Frobenius 準同型FKは体準同型なので単射である。有限集合から自分自身への単射は全射であるから、定理 3.2によりKは完全体である。▨
4 完全閉包
完全でない体にも、純非分離元だけを添加して最小の完全体を作ることができる。
定義 4.1.Kを標数p>0の体、ΩをKの代数閉包とする。非負整数rに対して
Kp−r={x∈Ω∣xpr∈K}と置き、
Kperf=r≥0⋃Kp−rと定める。KperfをKの完全閉包 (perfect closure) という。
定理 4.2.Kを標数p>0の体とする。このときKperfは完全体であり、Kperf/Kは純非分離拡大である。さらに、Ωの中の完全な中間体PがKを含むなら
Kperf⊆Pが成り立つ。したがってKperfはΩの中でKを含む最小の完全体である。
証明. 標数pでは(x±y)pr=xpr±yprおよび(xy)pr=xpryprが成り立つ。したがって各Kp−rは体であり、Kp−r⊆Kp−(r+1)である。ゆえに有向合併Kperfも体である。定義から各元のあるp冪がKに属するため、Kperf/Kは純非分離拡大である。
x∈Kperfとし、xpr∈Kとする。Ωでyp=xを満たすyを取るとypr+1=xpr∈Kであるからy∈Kperfである。したがってKperfの Frobenius 準同型は全射であり、定理 3.2によりKperfは完全体である。
PをK⊆P⊆Ωを満たす完全体とする。x∈Kp−rならxpr=a∈K⊆Pである。Pの Frobenius 準同型は全射であるから、Pの中にpr乗してaになる元が存在する。代数閉包ではXpr−aは一つの根しかもたないため、その元はxである。よってx∈Pであり、すべてのrについてKp−r⊆Pとなる。したがってKperf⊆Pである。▨
例 4.3 (有理関数体の完全閉包).K=Fp(t)をFp(t)の中で考える。このとき
Kperf=r≥0⋃Fp(tp−r)である。各段は直前の段の純非分離p次拡大であり、合併ではtのすべての反復p乗根が得られる。
5 演習
問題 5.1 (問題). 次の各問に答えよ。
- K=Fp(s,t)とし、L=K(s1/p,t1/p)とする。[L:K]sと[L:K]iを求めよ。
- 標数p>0の体Kについて、K1/p={x∈Ω∣xp∈K}が体であることを、加法、乗法および逆元について直接確認せよ。
- 体Kが完全で、L/Kが代数拡大であるとき、Lも完全であることを証明せよ。
解答 (解答).
- u=s1/p、v=t1/pと置く。Kp=Fp(sp,tp)でありs∈/Kpなので、Xp−sはK上既約である。またK(u)=Fp(u,t)のp乗全体からなる部分体はFp(s,tp)であり、tはこの部分体に属さない。したがってXp−tはK(u)上既約である。ゆえに[L:K]=p2であり、[L:K]s=1、[L:K]i=p2である。
- xp,yp∈Kなら(x+y)p=xp+yp∈K、(xy)p=xpyp∈Kである。x=0なら(x−1)p=(xp)−1∈Kである。0,1∈K1/pでもあるから、K1/pは体である。
- αをL上代数的な元とする。αはK上も代数的である。Kが完全であるからK(α)/Kは分離拡大であり、αのK上の最小多項式は相異なる根をもつ。αのL上の最小多項式はK上の最小多項式を割るため、相異なる根をもつ。よってαはL上分離的であり、Lは完全である。
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