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「素因数分解が 2 通り」より深刻な話、最大公約数がそもそも存在しない

を満たす整数を、 の中だけで探すと総当たりになります。ところが を足した環まで出ると、左辺が と分かれ、解が 組しかないことまで示せる。

広げれば解ける。ただし広げた先では、 で当たり前だった性質がいくつも落ちます。何を得て何を失うのかを、具体的な計算で見ていきます。

広げると解ける例

はユークリッド整域で、一意分解が成り立ちます。単元は の つだけ。

まず が奇数であることを見ます。 が偶数なら ですが、 が偶数なら は の倍数、奇数なら も奇数。どちらも になりません。

次に と が互いに素であることを見ます。共通の素因子は差 を割るので の同伴に限られる。ところが なら となり、ノルムをとって 。 が奇数だったので、これは起こりません。

互いに素な 数の積が立方数で、単元がすべて立方数なので、それぞれが立方数になります。

の係数を比べると です。 なら で 、 なら となって整数解なし。

なので 、 より です。 の 組しかない。

総当たりでは「見つかった」で終わりますが、この議論はほかにないところまで示しています。

一意分解が効いている。積が立方数なら各因子も立方数、という一歩がその心臓部。

単数が無限に増える

の可逆元は しかありません。 では が可逆で、 が成り立ちます。

この元のべきが無限に並ぶ。そしてそれが、そのままペル方程式 の解の一覧になります[3]。

が最小の解 を与え、以降は 乗するたびに次の解が出ます[3]。、、 と続く。

無限に解があることも、その全部が つの元のべきで書けることも、 の中を見ているだけでは出てきません。単数が増えたぶんの利益です。

失うもの

に移ると景色が変わります。 の分解が 通りある。

ノルム で確かめます。 の値は と並び、 も も現れない。だから や の元がなく、、、 はどれも既約です。

分けるには の元が要る。ない
分けるには の元が要る。ない
分けるには か の元が要る。ない
同じ理由で既約

分解が 通りある、という言い方だと「たまたま」に聞こえます。もっと決定的な壊れ方があります。

最大公約数が存在しない

と をとります。この 数には最大公約数がありません。存在しないことを示せる[2]。

と は、どちらも両方を割ります。 で、 だからです。

最大公約数 があったとします。 は を割るので 、 を割るので 。よって です。

いっぽう は と の両方で割り切れる必要があるので、 かつ 。合わせると となり、 に決まります。

ところが は解けません。 なら 、 なら 、 なら左辺が 以上。 の元がないので、 は存在しない。

一意分解が成り立つ環では、任意の 元に最大公約数があります[2]。対偶をとれば、最大公約数のない組があるだけで一意分解は否定される。

通りの分解は現象で、公約数の欠落が原因です。 の互除法もベズーの等式も、この時点で使えなくなっています。

既約と素がずれる

崩れた場所をもう一段しぼると、 つの言葉の食い違いに行き着きます。

既約元

自明でない積に書けない元。 の はこれを満たす

素元

なら か 。 はこれを満たさない

は を割ります。しかし も も環の元ではない。既約なのに素でない元が、ここに立っています。

ではこの つが一致するので、区別する場面がありませんでした。広げたことで初めて分かれた。

理想数という迂回

クンマーは円分体 の整数環 でこの破綻に出会い、1847 年と 1851 年の論文で理想数を導入します[1]。実際の元としては環にないが、割り切るかどうかだけは判定できる仮想の因子です。

うまい仕掛けは、割り切る回数の決め方でした。素数 を割る理想数を、 を 上で因数分解したときの既約因子と 1 対 1 に対応させる[1]。多項式の因数分解に翻訳してしまえば、存在しない数でも計算ができる。

デデキントはこれを集合に置き換えます。理想数で割り切れる元をすべて集めた部分集合を、その理想数の代わりに使う[1]。さきほどの と なら、公約数の集まりとして が現れ、これが失われていた因子の正体です。

で と の最大公約数が存在しない理由はどれですか。

  • 公約数が つも存在しないから
  • 公約数はあるが、ノルム の元がないから
  • ノルムが乗法的でないから
__RESULT__

と という公約数はあります。最大公約数があるとすればノルムは に決まりますが、 に整数解がないため、そのような元は環に存在しません。

得たものは解ける方程式の広さ、失ったものは割り算の道具立て。この収支を合わせるために、数の代わりに集合を因子として扱う道が選ばれました。

出典

Ideal number - Encyclopedia of Mathematics
Factorial ring - Encyclopedia of Mathematics
Pell equation - Encyclopedia of Mathematics
$\mathbb{Z}[\sqrt{-2}]$ まで出れば $x^2 + 2 = y^3$ は $(x+\sqrt{-2})(x-\sqrt{-2})$ と分かれ、解が $(\pm 5, 3)$ の 2 組しかないと示せます。$\mathbb{Z}[\sqrt{2}]$ なら単数 $1+\sqrt{2}$ のべきがペル方程式の解を全部並べる。得るものは大きい。いっぽう $\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$ では $6$ と $2+2\sqrt{-5}$ に最大公約数がありません。公約数は $2$ と $1+\sqrt{-5}$ の 2 つあるのに、ノルムが $12$ の元がないため決まらない。既約と素がずれる場所、クンマーが理想数で迂回した手順まで。