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イデアル類群はミンコフスキーの限界より下の素イデアルで決まる

で の分解が 通りになるのは、単項でないイデアルが 種類あるからです。その「 種類」を数える不変量が類数で、この環では 。

類数が なら元の一意分解が成り立ち、大きいほど崩れ方が激しい。 が単項イデアル整域からどれだけ離れているかを測る物差しです。

単項なものを潰して作る

でない分数イデアルの全体 は掛け算について群になります。そのうち ()の形のものを単項分数イデアルと呼び、部分群 をなす[2]。

商群がイデアル類群です。

つのイデアル が同じ類に入ることと、ある について となることは同値です[1]。

作り方は完全列で書くと見通しがよくなります[2]。

から への写像が同型にならない理由が、左の単数群と右の類群の つに分かれている、と読めます[2]。

類群の位数 が類数です。 は が単項イデアル整域であることと同値で、整数環では単項イデアル整域と一意分解整域も一致します。

限界を決めれば計算できる

類群が有限であることは、ミンコフスキーの限界から出ます[2]。どの類も、次の値以下のノルムを持つイデアルで代表される。

は次数、 は複素埋め込みの対の数です。ノルムが有限の値以下のイデアルは有限個しかないので、類群も有限になります[2]。

二次体では式が簡単になります[1]。実二次体なら 、虚二次体なら です。

限界より小さいノルムの素イデアルだけを調べれば、それらが類群を生成します[1]。あとは関係式を探す作業になる。

では限界が で、 にすら届きません。調べる素イデアルが つもないので、その場で類数 が確定します。

限界が を切ると、調べるべき素イデアルが つもなくなる[1]。

虚二次体なら 、実二次体なら のとき。この場合は即座に類数 。

例: の類数を出す

なので限界は です。ノルムが 以下の素イデアルだけを見ればよい。

で 、ノルムは です。候補はこれだけ。

が単項なら となる元が要りますが、そんな整数の組はありません。だから は単項でない。

いっぽう は単項なので、 の位数は です。類群は位数 の巡回群で、 になります。

例: で位数 4 を出す

もう一段複雑な場合を見ます[1]。 で限界は約 なので、 と の上の素イデアルを調べます。

を で見ると 、 で見ると 。だから 、 です[1]。

は にも にもならないので、 も も単項ではありません[1]。

関係式は元のノルムから拾います。 で、 は の倍数ではないので、 と の片方だけで割れる[1]。

そちらを と名づけると が単項になり、 です。 の位数が なので、 の位数は 。類群は になります[1]。

図の緑が単位元、つまり単項イデアルの類です。 を 回掛けると の類にあたり、 回でもとに戻ります。

実二次体では単数が邪魔をする

同じ手順を実二次体でやると、最後の一歩が重くなります。 で見てみます[1]。

で限界は約 なので、 の上を調べます。 の因数分解から 、 で、 と は分解しません[1]。

から が単項になり、 の位数は の約数と分かります[1]。

問題は が単項でないことの証明です。 に解がないと言いたいのですが、 なので平方剰余では矛盾が出ません[1]。

そこで単数を使います。 の単数は で、 のノルムは [1]。ノルムが の正の単数は のべきに限られ、すべて平方数です。

とすると で、単数の平方は括弧の中へ吸収できます。すると となって矛盾する[1]。よって類群は です。

虚二次体では単数が だけ、ときに 個か 個なので、ノルムの方程式に解がないと言えばすみました。実二次体では単数が無限にあり、そのぶん議論を足すことになります。

類数は判別式とともに増える

判別式の絶対値が大きいほど、格子が粗くなって類数も増えやすくなります。ただし単調ではありません。

0 1 2 3 4 1 2 3 5 6 7 10 11 13 14 15 1 1 1 2 2 1 2 1 2 4 2 虚二次体 Q(sqrt(-d)) の類数

で急に に跳ね、 で に戻る。判別式が と で、絶対値の大小と類数の大小が逆転しています。

類数 1 の虚二次体は 9 個で終わり

虚二次体で になるのは の 個だけです[3]。この一覧が完全であることの証明には長い時間がかかりました。

最後の には有名な副産物があります。 の整数環が一意分解整域であることから、 が から まで素数を出し続ける[2]。

判別式 が大きいので、ノルムの小さい素イデアルが存在できない。その隙間が、小さい合成数を作れないという形で現れています。

実二次体は分かっていない

実二次体では様子が変わります。 となる体が無限にあると予想されていますが、証明されていません[3]。

いっぽう、与えられた自然数で類数が割り切れる二次体は、実でも虚でも無限に存在することが分かっています[3]。片方だけが未解決という、ねじれた状況が続いている。

類群は拡大として実現する

類群は抽象的な商群ですが、体の拡大として姿を現します。 上の最大不分岐アーベル拡大をヒルベルト類体 とすると、次が成り立つ[4]。

拡大次数が類数そのものになります。 であることと、 に不分岐アーベル拡大がないことが同値[4]。

の中では の素イデアルが完全分解することと単項であることが同値になり、 のどのイデアルも へ上げると単項になります[4]。単項でないという性質が、上の体では解消される。

の類数を求めるとき、調べる必要がある素イデアルはどれですか。

  • ノルムが 以下のものすべて
  • ノルムが 以下のもの
  • と の上のものすべて
__RESULT__

ミンコフスキーの限界は です。どの類もノルムがこの値以下のイデアルで代表されるので、ノルム の だけを調べれば足ります。

限界を計算する、その下の素イデアルを並べる、単項かどうかを判定する、関係式を拾う。この 手順で、抽象的な商群の位数が具体的な数として出てきます。

参考文献

Keith Conrad, *Class group calculations*, University of Connecticut
B Edixhoven, L Moret-Bailly, *Théorie algébrique des nombres*, Université de Rennes 1
Quadratic field - Encyclopedia of Mathematics
Class field theory - Encyclopedia of Mathematics
$\mathrm{Cl}_K = \mathcal{I}_K/\mathcal{P}_K$ の位数が類数で、$1$ なら元の一意分解が戻ります。どの類も $\left(\frac{4}{\pi}\right)^{r_2}\frac{n!}{n^n}\sqrt{|d_K|}$ 以下のノルムを持つイデアルで代表されるので、有限個の素イデアルを調べれば終わる。$\mathbb{Q}(\sqrt{-5})$ は限界 $2.847$ でノルム $2$ の 1 つだけ、$\mathbb{Q}(\sqrt{-14})$ は $4.764$ で $\mathbb{Z}/4\mathbb{Z}$ になります。実二次体 $\mathbb{Q}(\sqrt{82})$ では単数 $9+\sqrt{82}$ を持ち出さないと片づかない。虚二次体で類数 $1$ が 9 個しかないことまで。