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オイラー積が素イデアルを数える〜ゼータ関数は素数分布まで届く

数体 の素イデアルを全部集めて、次の積を作ります[1]。

これを展開すると、 でないイデアル全体を渡る和になる[1]。積と和が一致すること自体が、素イデアル分解の一意性の言い換えです。

積を開くとイデアルが並ぶ

各因子を等比級数に開くと です。素イデアルごとに指数を つ選ぶ、という操作になります。

選び方の全体が の全体、つまりイデアル全体と 対 に対応する。だから次の等式が成り立ちます[1][2]。

なら なので、リーマンゼータ関数に戻ります。

canvas: 絵を作れませんでした

平面全体へ広がる

で絶対収束し、その外へは有理型関数として解析接続されます。 を除いて正則で、そこに 位の極を持つ[1]。

ガンマ因子を掛けた完備化を とすると、関数等式が成り立ちます[1]。

判別式が指数の底に現れます。 と を結ぶ対称性の中心が で、非自明な零点がすべてこの直線上にあるという予想が一般リーマン予想です。

極の位置に算術が乗っている

での留数には、類数、レギュレーター、単数根の個数、判別式がまとめて入ります[1][2]。

極が 位であることには、それだけで意味があります。ノルムが 以下のイデアルの個数が に比例して増える、という事実と同じ内容だからです。比例定数が上の留数になる。

例:ガウス整数環で係数を数える

をとります。 と書いたとき、 はノルム のイデアルの個数です。

が成り立ちます。 は が で割って 余れば 、 余れば 、偶数なら という指標です。

内訳
単位イデアル
ノルム のイデアルはない
と
、、

この の形は、次の分解を意味しています。

が と等しいことから出ます。

留数でも確かめられます。。いっぽう公式の右辺は 、、、、、 なので です。

canvas: 置き場が受け取りませんでした

高さが の場所は で割って 余る素数とその奇数乗です。ガウス整数環での素数の分かれ方が、そのまま係数の並びに出ています。

一般の分解

円分体でも同じ形の分解が起こります。 なら、法が を割る原始指標すべてにわたる積になる[2]。

アーベル拡大なら、この分解が一般に成り立ちます[1]。ゼータ関数が 関数の積に割れるかどうかが、拡大がアーベルかどうかと結びついている。

の素数についての積。 の極が素数の無限性を与える

の素イデアルについての積。極が類数とレギュレーターを与える

素数の分布へ返ってくる

が自明でなければ です。ここからディリクレの定理が出ます。

初項と公差が互いに素な等差数列には、素数が無限に含まれる[3]。しかもディリクレは、素数が剰余類の上に一様に分布することまで示しました[3]。 個の類に、密度 ずつ入ります[3]。

ガロア拡大へ持ち上げたものがチェボタレフの密度定理です。フロベニウス元の共役類ごとに、素イデアルが群の中の割合どおりに現れる[4]。

オイラー積を書く

極と零点を調べる

L 関数の非消滅が出る

素数の分布が決まる

特殊値も算術を持つ

が整数のときの値にも意味があります。 は円周率で書け、負の整数での値は有理数になります。

総実な数体では、 が有理数になることが知られています。 の算術的な情報が、解析関数の飛び飛びの値として姿を現す。

類数公式も特殊値の話の一部です。極の位置での挙動と、整数点での値。この 種類の情報が、ゼータ関数から算術を引き出す つの窓になっています。

の展開でノルム の項の係数はいくつですか。

__RESULT__

なので は で分解せず、 のノルムは です。ノルム のイデアルは存在しないので係数は 。約数の和でも になります。

素イデアルを つずつ数える装置を作ったら、そこから類数も単数も素数の分布も出てきました。数える順番を変えただけで、これだけの情報が引き出せます。

参考文献

Dedekind zeta-function - Encyclopedia of Mathematics
Pascal Molin, *Fonctions zêta de Dedekind*, Université Paris Cité
Dirichlet theorem - Encyclopedia of Mathematics
Keith Conrad, *Primes of degree 1 and congruence conditions*, University of Connecticut
$\zeta_K(s) = \prod_{\mathfrak{p}}(1 - N\mathfrak{p}^{-s})^{-1}$ を展開すると、素イデアルごとに指数を 1 つ選ぶ操作になり、イデアル全体を渡る和と一致します。$\mathbb{Q}(i)$ ではノルム $n$ のイデアルの個数が $\sum_{d \mid n}\chi_{-4}(d)$ になり、$n = 3$ で $0$、$n = 5$ で $2$、$n = 25$ で $3$。これが $\zeta_{\mathbb{Q}(i)}(s) = \zeta(s)L(s,\chi_{-4})$ という分解で、留数も $L(1,\chi_{-4}) = \frac{\pi}{4}$ と公式の値が一致します。関数等式、ディリクレの一様分布、チェボタレフの密度定理まで。