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素因数分解はなぜ整数の外で壊れるのか?代数的整数論の入口

を満たす整数がある素数はどれか。 の中で睨んでいても手が止まりますが、 と分けてよいことにすると、問題は での素数の割り算に変わります。

を広げ、広げた先で整数論の道具がどこまで残り、どこで壊れるかを調べる。これが代数的整数論という分野です[1]

舞台になる環

有理数体 に代数的な数を添えて作った、 上有限次の体を代数体または数体と呼びます。 乗根を添えた がその例。

数体 の中で の役をつとめる部分が整数環 です。 の元のうち、最高次係数が の整数係数多項式の根になるものだけを集めます[2]

最高次係数が という条件がすべてを決めています。この条件を外すと も入ってしまい、 そのものに戻ってしまう。付けておけば、有理数のうち残るのは だけです。

の整数環は で、ガウス整数環と呼ぶ。
の整数環は になる。
の整数環は で、黄金比まで入る。
の整数環は になる。

だけ形が違う点に注意が要ります。 の根なので、見た目が分数でも代数的整数。 を添えれば整数環が になる、とは限りません。

一意分解はすぐ壊れる

で素因数分解が一意に決まることは、証明を要する定理でした。整数環を広げると、この性質はあっさり消えます。

を分けてみる。

つの因子はどれもこれ以上分解できません。確かめる道具がノルム です。ノルムは積を積に写すので、 なら になります。

とすると が要る。 なら で解けず、 なら左辺が 以上になります。どちらも成り立たないので 、つまり が単元です。 は既約になる。

同じ計算を にも当てると、 が解けないことから既約性が出ます。分解は 2 通りあり、どちらも既約元で止まっている。

での分解

既約元は素元でもある。分解は並べ替えを除いて 1 通り

での分解

既約だが素元でない元がある。 を割るが、どちらの因子も割らない

既約と素の食い違いが原因です。 ではこの 2 つが一致しているので、区別する必要すらありませんでした。

イデアルに持ち上げると戻る

クンマーは 1843 年、フェルマーの最終定理を攻めるなかでこの破綻に突き当たり、理想数という仮想の因子を導入します[4]。実際の数としては存在しないが、割り切るかどうかだけは決まっている、という奇妙な対象でした。

デデキントはこれを集合として書き直しました。1871 年、ディリクレの整数論講義の第 2 版に付けた補遺が最初の発表です[3]。理想数のかわりに、環の部分集合であるイデアルを因子として扱う。

を見ます。この集合は で、 の中で市松模様に並ぶ部分格子です。

図の橙の点だけを集めたものが です。全体の中で密度がちょうど半分、つまり指数が で、この のノルムになります。

を 2 乗すると に戻る。生成元どうしを掛けて確かめられます。

つ目から つ目を引くと が出て、 と合わせて に入ります。逆にどの生成元も の倍数なので、 です。

同じ要領で をとると、 の分解は 1 通りに定まります。

さきほどの 2 通りは、この 4 つの因子を と束ねるか、 と束ねるかの違いにすぎません。元の段階では見えなかった因子が、イデアルの段階で見えている。

素数はどう分かれるか

イデアルの言葉が手に入ると、素数 の振る舞いを分類できます。 の中で を素イデアルの積に分けたとき、何個に分かれるか、重複があるかを見る。

ガウス整数環では、 で割った余りが答えを決めます。 なら 2 つに分かれ、 なら分かれない。 だけが と重なります。

冒頭の に戻ると、答えが出ています。 が 2 つに分かれるとき、その因子 のノルムが になる。 で割って 余る素数が、平方数 2 つの和で書ける素数です。

例:小さい素数を分けてみる

、ノルムはどちらも
、ノルムはどちらも
、ノルムはどちらも
分解しない。剰余体は になる
分解しない。剰余体は になる
のノルムは

。表の左側と右側が、そのまま平方和の表になっています。 で割って 余るので、どう頑張っても平方数 2 つの和になりません。

何を測る分野なのか

整数環が からどれだけずれるかを、いくつかの数値でつかまえます。この分野の主題はほぼこの 4 つに集約されます[1]

判別式

整数環の基底で作る行列式の 2 乗。分岐する素数はこの数の約数に限られる

類数

イデアルが単項からどれだけ離れているかを測る数。 なら元の一意分解が復活する

単数群

可逆元の全体。 では だけだが、 では のべきが無限に並ぶ

素イデアル分解

有理素数が上でどう分かれるか。二次体では平方剰余、円分体では位数が決める

の判別式は で、類数は 。判別式の約数である だけが分岐し、類数が でないぶん元の一意分解が崩れます。さきほど見た の 2 通りの分解は、この類数 がそのまま姿を現したものです。

について正しいのはどれですか。

  • 素元だが既約ではない
  • 既約だが素元ではない
  • 既約でも素元でもない
__RESULT__

ノルムが の元がないので は既約です。いっぽう を割りますが、 のどちらも割りません。素元の条件を満たさない。

素数を分けるという一つの問いから、環の構造、群の構造、解析的な公式までが順につながっていきます。 を出た先で何が保たれるかを追う作業が、そのまま整数論の本体になる。

参考

Algebraic number theory - Encyclopedia of Mathematics
Algebraic number - Encyclopedia of Mathematics
Dedekind's Contributions to the Foundations of Mathematics - Stanford Encyclopedia of Philosophy
Ernst Eduard Kummer - MacTutor History of Mathematics
$\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$ では $6 = 2 \cdot 3 = (1+\sqrt{-5})(1-\sqrt{-5})$ と 2 通りに分かれ、どの因子もそれ以上分解できません。ノルム $a^2+5b^2$ が $2$ にも $3$ にもならないことがその証拠。崩れたのは既約と素の一致で、イデアル $(2, 1+\sqrt{-5})$ まで持ち上げると分解は 1 通りに戻ります。市松模様の部分格子として見ると、指数 $2$ がそのままノルムになる。ガウス整数環での素数の分かれ方、$4$ で割った余りと平方和の関係、判別式・類数・単数群という物差しまで。