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単数群の階数は実埋め込みと複素埋め込みの個数だけで決まる

の可逆元は 個で終わりです。 に移ると が可逆になり、そのべきが無限に並びます。

有限か無限かを分けるのは埋め込みの個数だけです。ディリクレが 1846 年に決着をつけました[1]

階数は埋め込みの個数で決まる

を数体、 を実埋め込みの個数、 を複素埋め込みの個数とします。単数群の構造は次のとおり[1]

に入る のべき根の全体で、有限巡回群です。無限位数の生成元を 個選んだものを基本単数と呼びます[1]

どの単数も という形に、しかも一意に書けます[1]。指数が一意に決まる点が、乗法的独立という言葉の中身です。

階数
虚二次体
実二次体
複素三次体
総実三次体

が常に成り立ち、等号は 、つまり総実な体のときだけです[1]

有限になるのは 2 種類しかない

になるのは のときで、 に限られます[1]。前者は 、後者は虚二次体です。

虚二次体では単数がノルム の元、つまり複素平面で絶対値 の格子点に限られます。単位円の上にある格子点は有限個しかない。

それ以外の虚二次体

なら です[1]。実数体の中に 以外の のべき根がないためです。

対数をとると格子になる

構造定理の証明は、単数を対数の空間へ写すところから始まります。 と対応させる。

ノルムが という条件が、成分の和が という条件に変わります。だから像は 次元の超平面に入る。

像が完全な格子になることを示せば、定理が出ます。この行列式がレギュレーターで、類数公式に現れる量と同じものです。

実二次体はペル方程式そのもの

実二次体では なので、基本単数 つ決まります。 が全部の単数を尽くす。

のときは なので、単数は の解と に対応します[2]。ペル方程式の最小解が基本単数です。

では の形も許されるので、 を解くことになります。

基本単数ノルム

が小さくても基本単数が急に大きくなります。

はノルム なので、そのべきがそのまま の解になります。 と続く。

ノルムが になるかどうか

基本単数のノルムは のどちらかです。ここで が解けるかどうかが決まります。

奇数乗のノルムが になる。 に解がある

すべての単数のノルムが は解けない

では なので、 には解がありません。 を法として見ると が要りますが、 を法とする平方剰余ではない。

のように で割って 余る素数のときは、 になります。表の がその例です。

大きさに規則はない

ほどですが、ノルムが なので を解くには 乗が要ります。

その最小解が です。 という小さい数なのに、解は 桁になる。

基本単数の大きさは に対してまったく単調でない

なら で収まるのに、 では 乗した先が 桁になる。

円分体の単数

では なので階数は です[1] のべき根は で、位数 の巡回群になります。

具体的に書ける単数として円単数があります。 のとき が単数になる[3]

円単数のなす部分群の指数が、実部分体の類数と一致します。単数の情報が類数に直結する例です。

総実三次体(実埋め込みが つの 次体)の単数群の階数はいくつですか。

__RESULT__

なので です。基本単数を つとると、すべての単数が の形に一意に書けます。

有限か無限か、無限ならいくつの生成元が要るか。この つの問いに、埋め込みを数えるだけで答えが出ます。

出典

Keith Conrad, *Dirichlet's unit theorem*, University of Connecticut
Pell equation - Encyclopedia of Mathematics
C M Ringel, *Algebraische Zahlentheorie, Teil III: Kreisteilungskörper*, Universität Bielefeld
$\mathcal{O}_K^\times \cong \mu_K \times \mathbb{Z}^{r}$ で $r = r_1 + r_2 - 1$。ディリクレが 1846 年に示した形です。$r = 0$ になるのは $\mathbb{Q}$ と虚二次体だけで、それ以外はすべて無限になる。対数をとると単数群は超平面の中の格子として見え、その体積がレギュレーターです。実二次体ではペル方程式の最小解が基本単数で、$d = 2, 3, 5, 7, 13, 61$ の表つき。$d = 61$ は $\varepsilon$ が $39$ ほどなのに $x^2 - 61y^2 = 1$ の最小解が $1766319049$ まで飛びます。