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分数に見える数を整数に数える(代数的数と代数的整数はモニックで分かれる)

黄金比 は分数の形をしていますが、整数の側に入ります。 の根で、最高次の係数が だからです。

いっぽう は整数の側に入りません。同じ「分数に見える数」でも扱いが分かれる。この線引きが代数的整数という言葉の中身です。

係数の条件が 1 か所だけ違う

複素数 が代数的数であるとは、 でない有理数係数の多項式 があって となることです[1]。分母を払えば整数係数にできるので、整数係数で考えても同じ。

そのうち、最高次の係数を にできるものが代数的整数です。最高次の係数が の多項式をモニックと呼びます。

代数的数

整数係数の の根。 に条件はない

代数的整数

モニックな の根。 に固定される

の根なので代数的数です。 はモニックですが係数が整数でない。整数係数でモニックなものは作れません。

有理数の中では に戻る

なぜ作れないのか。有理数に話をしぼると、答えは完全に決まります。

を既約分数()とし、モニックな整数係数多項式の根だとします。

両辺に を掛けると、分母がすべて払われます。

先頭の項を移すと で、右辺は の倍数です。よって

なので も互いに素、したがって です。 は整数になる。

モニックという条件だけで、有理数のうち残るのは だけになります。

最高次の係数を自由にすると の根として全部入り、 に戻ってしまう。

「整数」という名前が付いている理由がここにあります。新しい世界に持ち込んでも、もとの世界では と一致する。

最小多項式が次数を決める

を根に持つ有理数係数の多項式のうち、次数が最小でモニックなものはただ つに決まります[1]。これを最小多項式と呼び、その次数を の次数と呼ぶ。

最小多項式は既約です。もし分解できたなら、どちらかの因子がより低い次数で を根に持ってしまう。

、次数 、代数的整数
、次数 、代数的整数
、次数 、代数的整数
、次数 、代数的整数
、次数 、代数的整数ではない
、次数 、代数的整数ではない

最後の つは、最小多項式の係数に整数でない数が残っています。代数的数が代数的整数になる条件は、最小多項式の係数がすべて整数になることだと言いかえられます[1]

和と積で閉じている

はどちらも代数的整数です。では はどうか。モニックな多項式を手で探すのは骨が折れますが、線形代数を使うと機械的に出ます。

鍵になるのは、整であることの言いかえです。 上整であることと、 加群として有限生成であることは同値になる[4]

をとると、 が生成元です。 を掛けても の外へ出ません。

になる。
になる。
になる。
になる。

つの式を係数だけ抜き出すと、整数行列 が立ちます。ベクトル に対して 、つまり です。

の第 1 成分が なので 、したがって の固有多項式 の根で、この多項式は整数係数でモニックです。

計算すると になります。実際 なので、 と確かめられます。

図の つの根は です。 の符号の選び方が 通りあり、そのまま 次という次数になっています。

同じ手が一般に通ります。 が代数的整数なら も代数的整数で、全体が環をなす[4]。この環を と書きます。

体にはなりません。 の逆元 が入っていないためです。いっぽう代数的数の全体 は体で、 の代数閉包になります。

数体はここから作る

の有限次拡大を代数体、または数体と呼びます[2]。二次体 や円分体 がその代表。

数体 を決めたら、 に入る代数的整数だけを集めます。 の整数環です。

に対する の関係を、 に対して作り直したものが です。図の左下と右下が、同じ操作の つの例になっている。

代数的でない数のほうが多い

代数的数は、次数と係数の組で数え上げられます。整数係数の多項式は可算個で、それぞれの根は有限個。だから代数的数の全体は可算です[3]

実数は非可算なので、代数的でない数、つまり超越数のほうが圧倒的に多いことになります。カントールはこの比較から超越数の存在を示しました[3]

具体的な超越数を作るのはずっと難しく、歴史は逆順に進みます。

1844
リウヴィル

代数的無理数は有理数で「とてもよく」近似できない、という性質から、具体的な超越数を作る。

1873
エルミート

が超越数であることを証明する。

1882
リンデマン

が超越数であることを証明し、代数的数の対数についても一般の結果を得る。

1934
ゲルフォントとシュナイダー

が代数的、 が代数的無理数なら は超越数。ヒルベルトの第 7 問題が解ける。

リンデマンの結果は、円積問題に決着をつけました。 が代数的でないので、定規とコンパスで円と同じ面積の正方形は作れません。

について正しいのはどれですか。

  • 代数的数でも代数的整数でもない
  • 代数的数だが代数的整数ではない
  • 代数的数でも代数的整数でもある
__RESULT__

の根なので代数的数です。最小多項式は で、定数項が整数になりません。モニックな整数係数多項式の根にはならないので、代数的整数ではない。

条件の違いは係数 か所だけ。それが の違いをそのまま任意の数体へ持ち上げ、整数論を続けられる場所を作ります。

参考

Algebraic number - Encyclopedia of Mathematics
Algebraic number field - Encyclopedia of Mathematics
Transcendental number - Encyclopedia of Mathematics
Integral extension of a ring - Encyclopedia of Mathematics
$\frac{1+\sqrt{5}}{2}$ は $x^2 - x - 1$ の根なので代数的整数、$\frac{1}{2}$ は $2x - 1$ の根なので代数的数どまり。分かれ目は最高次の係数だけです。有理数のうち代数的整数になるのは $\mathbb{Z}$ だけで、$b \mid a^n$ から $b = 1$ が出る数行の計算で決まる。$\sqrt{2}+\sqrt{3}$ が代数的整数であることは、$1, \sqrt{2}, \sqrt{3}, \sqrt{6}$ を並べた $4$ 次の整数行列の固有多項式 $x^4 - 10x^2 + 1$ から出ます。リウヴィルからゲルフォント・シュナイダーまで、超越数の年表つき。