有限群スキーム(finite group scheme)とは、構造射が有限射であるような群スキームのことで、座標環の層が階数有限の局所自由層であるもの(有限局所自由、局所 Noether な底の上では有限平坦と同値)について、その階数を位数という。定数群、1 の冪根の群 $\mu_n$、標数 $p$ の $\alpha_p$、アーベル多様体の $n$ 倍写像の核 $A[n]$ が典型例で、標数 $p$ では点が 1 つしかないのに位数が $p$ の、被約でない群が現れる。可換な有限局所自由群スキームは位数で消え(Deligne の定理)、標数 $0$ の体の上の有限群スキームはエタールである(Cartier の定理)。
有限群 $\Gamma$ は、どの環 $R$ の上でも「$\Gamma$ の元で添字づけられた点の集まり」$\operatorname{Spec}R^\Gamma$ として群スキームになる。一方、標数 $p$ の体の上では、1 の $p$ 乗根の群 $\mu_p=\operatorname{Spec}k[x]/(x^p-1)$ のように、点はただ 1 つなのに座標環が $p$ 次元の群スキームが現れる。こうした「有限な」群スキームを、点の個数の代わりに座標環の階数で測るのが有限群スキームの考え方である。アーベル多様体の $n$ 倍写像の核 $A[n]$ や同種写像の核はこの種の群スキームで、標数 $p$ では被約でないものが本質的に現れる。
この記事では、有限局所自由な群スキームと位数を定義し、例を挙げたうえで、2 つの基本定理を証明する。1 つは、可換な有限局所自由群スキームはその位数で消える(位数 $m$ なら $m$ 倍写像が自明になる)という Deligne の定理、もう 1 つは、標数 $0$ の体の上の有限群スキームはエタールである(とくに被約である)という Cartier の定理の有限の場合である。
$S$ をスキーム、$\pi\colon G\to S$ を $S$ 上の群スキームとする。
$S$ が局所 Noether(局所Noetherスキーム)なら、有限射 $\pi$ について $\pi_*\mathcal{O}_G$ が局所自由であることは $\pi$ が平坦であることと同値である(有限生成加群が局所自由であることと平坦であることの同値。TO70 p. 2、Mil15 13.8・13.10、p. 205)。このため有限局所自由な群スキームを有限平坦群スキーム(finite flat group scheme)とも呼ぶ。可換な場合の定義は Cartier双対 の記事の定義「有限局所自由な可換群スキーム」と同じである。
$G$ が有限局所自由で $S=\operatorname{Spec}R$ のとき、$G=\operatorname{Spec}A$ で $A$ は有限生成射影 $R$ 加群であり、群構造は余積 $\Delta\colon A\to A\otimes_RA$、余単位 $\varepsilon\colon A\to R$、対蹠射 $\iota\colon A\to A$ で与えられ、$A$ はHopf代数になる(群スキーム の記事の「アフィン群スキームとHopf代数」の節)。$S=\operatorname{Spec}k$($k$ は体)なら、有限群スキームはつねに有限局所自由で、位数は $\dim_kA$ である。$\Delta(a)$ を関数 $(x,y)\mapsto a(xy)$ と読むのが便利である。
指標。 $\mathbb{G}_m=\operatorname{Spec}R[t,t^{-1}]$ を乗法群とする。群スキームの準同型 $\chi\colon G\to\mathbb{G}_{m}$($G$ の指標)は $u:=\chi^*(t)\in A$ で決まり、$u$ は単元で $\Delta(u)=u\otimes u$、$\varepsilon(u)=1$ を満たす。逆にこの 2 式を満たす $u$(群的元)は自動的に単元で、指標を定める。指標の積は群的元の積に対応する(Cartier双対 の記事の命題「指標群としての Cartier 双対」の証明)。
$R$ を環とする。
$k$ を標数 $p>0$ の体とする。Frobenius 準同型 $F\colon\mathbb{G}_a\to\mathbb{G}_a$、$a\mapsto a^p$(座標環では $t\mapsto t^p$)の核は $\operatorname{Spec}k[t]/(t^p)=\alpha_p$ であり、$F\colon\mathbb{G}_m\to\mathbb{G}_m$ の核は $\mu_p$ である(群スキーム の記事の例「Frobenius核」、Frobenius射)。どちらも点の集合としては自明な群だが、位数 $p$ の群スキームである。$n$ 倍写像 $\mathbb{G}_m\to\mathbb{G}_m$ の核は $\mu_n$ である。
$k$ 上の $g$ 次元アーベル多様体 $A$ では、$n$ 倍写像の核 $A[n]$ は位数 $n^{2g}$ の可換な有限群スキームであり(アーベル多様体 の記事の定理「$n$ 倍写像と捩れ点」)、アーベルスキームについても $A[n]$ は底の上で位数 $n^{2g}$ の有限局所自由な可換群スキームである(アーベルスキーム の記事の定理「$n$ 倍写像の有限平坦性」)。体 $k$ の上で $g\ge1$、$p\mid n$ なら、$A[n]$ は被約でない。相対 Frobenius $A\to A^{(p)}$ は底空間の同相(Frobenius射 の記事の命題「相対 Frobenius は有限な普遍同相写像である」)なので、その核は単位元の 1 点からなり、アーベル多様体 の記事の定理「$n$ 倍写像と捩れ点」の 3 によりこの核は $A[p]\subset A[n]$ の位数 $p^g$ の閉部分群スキームである。したがって $A[n]$ の単位元での局所環はこの核の座標環($k$ 上 $p^g$ 次元)に全射し、剰余体が $k$ で $k$ 上 $p^g$ 次元以上($p^g\ge2$)の局所 Artin 環になる。その極大イデアルは $0$ でない冪零イデアルである。双対アーベル多様体 の構成に現れる $K(L)$ も有限群スキームである。
次の補題が Deligne の定理の核心である。可換性は使わない。
$G$ を $S$ 上の位数 $m$ の有限局所自由群スキーム、$T$ を $S$ スキーム、$\chi\colon G_T\to\mathbb{G}_{m,T}$ を $T$ 上の群スキームの準同型とする。このとき $\chi^m=1$ である。
$\chi^m=1$ は $T$ の開被覆の上で確かめればよいので、$T=\operatorname{Spec}R$ で、$G_T=\operatorname{Spec}A$ の $A$ が階数 $m$ の自由 $R$ 加群である場合に示せば足りる。$\chi$ に対応する群的元を $u\in A$ とし、$u^m=1$ を示す。
$C:=A\otimes_RA$ を、第 2 因子 $a\mapsto1\otimes a$ によって $A$ 代数とみる。$C$ は $A/R$ の $R\to A$ に沿う底変換なので、階数 $m$ の自由 $A$ 加群である。$c\in C$ に対し、$c$ 倍写像($A$ 線形写像)の行列式を $N(c)\in A$ とおく。$N$ は乗法的で、底変換と可換なので $a'\in A$ について $N(a'\otimes1)=N_{A/R}(a')\cdot1$($N_{A/R}(a')\in R$ は $A$ の上の $a'$ 倍写像の行列式)であり、$a\in A$ について $N(1\otimes a)=a^m$ である。
$\theta\colon C\to C$ を $\theta(a'\otimes a):=\Delta(a')(1\otimes a)$ で定める。これは射 $\varphi\colon G_T\times_TG_T\to G_T\times_TG_T$、$(x,y)\mapsto(xy,y)$ が誘導する環準同型であり($a'\otimes a$ は関数 $(x,y)\mapsto a'(x)a(y)$ で、$\varphi$ で引き戻すと $a'(xy)a(y)$ になる)、$\varphi$ は逆 $(x,y)\mapsto(xy^{-1},y)$ をもつので $\theta$ は環の自己同型である。$\theta(1\otimes a)=1\otimes a$ だから $\theta$ は $A$ 代数の自己同型であり、$c$ 倍写像と $\theta(c)$ 倍写像は $\theta$ で共役な $A$ 線形写像なので、$N(\theta(c))=N(c)$ である。
$c=u\otimes1$ とすると、$u$ が群的元であることから $\theta(u\otimes1)=\Delta(u)=u\otimes u=(u\otimes1)(1\otimes u)$ である。両辺の $N$ をとって
$$
N_{A/R}(u)\cdot1=N(u\otimes1)=N(u\otimes1)\,N(1\otimes u)=N_{A/R}(u)\,u^m.
$$
$u$ は単元なので $N_{A/R}(u)$ は $R$ の単元であり、$u^m=1$ を得る。指標の積は群的元の積に対応するので $\chi^m=1$ である。$\square$
$G$ を $S$ 上の位数 $m$ の可換な有限局所自由群スキームとする。このとき $m$ 倍写像 $m_G\colon G\to G$ は自明である。すなわち、任意の $S$ スキーム $T$ と $g\in G(T)$ について $g^m=e$ である。
$G$ の Cartier 双対 $G^D$ は位数 $m$ の可換な有限局所自由群スキームである(Cartier双対 の記事の定義「Cartier 双対」の直後の段落)。同記事の命題「指標群としての Cartier 双対」を $G^D$ に適用すると、$T$ について自然な群の同型 $(G^D)^D(T)\cong\operatorname{Hom}_{T\text{-gr}}(G^D_T,\mathbb{G}_{m,T})$ がある。同記事の定理「二重双対」により $G\cong(G^D)^D$ なので、$g\in G(T)$ に $G^D_T$ の指標 $\chi_g$ が対応し、$g\mapsto\chi_g$ は群の同型である。lem-fgs-character-order を $G^D$ に適用すると $\chi_{g^m}=\chi_g^m=1$ であり、$g^m=e$ である。$\square$
これは TO70 §1 の Theorem(Deligne、pp. 4–5)である。そこでは $G$ の点 $u\in G(S)$ について、$G$ の双対 Hopf 代数の上のノルムから作った「跡」写像を平行移動で比べて $u^m=1$ を示している。上の証明は同じ考え方を、双対の側の指標に移して書いたものである。
可換性を外した場合について述べる。体の上では、可換でない有限群スキームも位数で消える(Mil15 Proposition 13.26、p. 208)。被約な環の上の有限局所自由群スキームについても同じである(同 Corollary 13.27、p. 208)。一般の底の上の可換でない場合は、1970 年の TO70 p. 5 の注意で未解決の問題として挙げられている(その後の進展はこの記事では扱わない)。lem-fgs-character-order は可換性なしに成り立つが、可換でない $G$ の点は一般に何かの指標として表せないので、上の議論はそのままでは使えない。
$k$ を標数 $0$ の体、$G=\operatorname{Spec}A$ を $k$ 上の有限群スキームとする。このとき $A$ はエタール代数である。すなわち、$k$ の代数閉包 $\bar k$ について $A\otimes_k\bar k\cong\bar k^{\,|G|}$ であり、とくに $G$ は被約である。
$K$ を標数 $0$ の体、$H=\operatorname{Spec}B$ を $K$ 上の有限群スキームとし、まず単位元 $e$ での局所環 $B_e$ が $K$ に一致することを示す。$\mathfrak{m}:=\ker(\varepsilon\colon B\to K)$ とおく($e$ に対応する極大イデアル)。
不変な導分。 $K$ 線形写像 $\lambda\colon\mathfrak{m}/\mathfrak{m}^2\to K$ をとり、$\tilde\lambda(b):=\lambda\bigl((b-\varepsilon(b))\bmod\mathfrak{m}^2\bigr)$ とおく。$bb'-\varepsilon(b)\varepsilon(b')=(b-\varepsilon(b))(b'-\varepsilon(b'))+\varepsilon(b)(b'-\varepsilon(b'))+\varepsilon(b')(b-\varepsilon(b))$ で第 1 項は $\mathfrak{m}^2$ に入るので、$\tilde\lambda(bb')=\varepsilon(b)\tilde\lambda(b')+\varepsilon(b')\tilde\lambda(b)$ である。$D:=(\mathrm{id}\otimes\tilde\lambda)\circ\Delta\colon B\to B\otimes_KK=B$ とおく。$\Delta(b)=\sum b_1\otimes b_2$、$\Delta(b')=\sum b'_1\otimes b'_2$ と書くと
$$
D(bb')=\sum b_1b'_1\bigl(\varepsilon(b_2)\tilde\lambda(b'_2)+\varepsilon(b'_2)\tilde\lambda(b_2)\bigr)=b\,D(b')+b'\,D(b)
$$
である(余単位の公理 $\sum b_1\varepsilon(b_2)=b$ を使った)。よって $D$ は $B$ の $K$ 導分であり、余単位の公理 $(\varepsilon\otimes\mathrm{id})\circ\Delta=\mathrm{id}$ から $\varepsilon\circ D=\tilde\lambda$ である。
局所環は体。 $B_e:=B_{\mathfrak{m}}$ は Artin 局所環で、極大イデアル $\mathfrak{n}:=\mathfrak{m}B_e$ は冪零である。$\mathfrak{n}\ne0$ と仮定する。$\mathfrak{n}$ は冪零だから $\mathfrak{n}\ne\mathfrak{n}^2$ であり($\mathfrak{n}=\mathfrak{n}^2$ なら $\mathfrak{n}=\mathfrak{n}^N=0$)、$\mathfrak{m}/\mathfrak{m}^2\cong\mathfrak{n}/\mathfrak{n}^2$(Zariski接空間 の記事の補題「極大イデアルでの局所化」)なので、$\mathfrak{n}/\mathfrak{n}^2$ で $0$ でない像をもつ $x\in\mathfrak{m}$ と、$\lambda(\bar x)=1$ となる $\lambda$ がとれる。上の $D$ は $B_e$ の導分に一意に延び、$\varepsilon$ も $B_e\to K$ に延びて $\varepsilon(D(x))=\tilde\lambda(x)=1$ であるから、$D(x)\notin\mathfrak{n}$、すなわち $D(x)$ は $B_e$ の単元である。$x$ は $B_e$ で冪零なので $x^r=0$ となる最小の $r\ge1$ をとる。$x\notin\mathfrak{n}^2$ より $x\ne0$ なので $r\ge2$ であり、
$$
0=D(x^r)=r\,x^{r-1}D(x).
$$
$r$ は $K$ の中で $0$ でなく(標数 $0$)、$D(x)$ は単元なので $x^{r-1}=0$ となり、$r$ の最小性に反する。よって $\mathfrak{n}=0$ であり、$B_e=K$ である。
平行移動。 $K=\bar k$、$H=G_{\bar k}=\operatorname{Spec}(A\otimes_k\bar k)$ に上を適用する。$A\otimes_k\bar k$ は有限次元なので Artin 環で、その局所環の直積に分解し、各点の剰余体は $\bar k$ の有限次拡大すなわち $\bar k$ である。したがって各点は $g\in G(\bar k)$ であり、左平行移動 $x\mapsto gx$ はスキームの自己同型で $e$ を $g$ に写すから、$g$ での局所環は $e$ での局所環 $\bar k$ に同型である。よって $A\otimes_k\bar k$ は $\bar k$ の直積で、その個数は $\dim_{\bar k}(A\otimes_k\bar k)=|G|$ である。$\square$
これは Mil15 Proposition 13.7(p. 205)の標数 $0$ の場合で、そこでは一般の代数群に対する Cartier の定理(同 Theorem 3.38、p. 62)から導かれている。上の証明は、有限の場合に限って、不変な導分 $D$ を直接作るものである。標数 $p>0$ でも、位数が $p$ で割れなければ有限群スキームはエタールである(同 Proposition 13.7)。
以下の事実はこの記事では証明しない。$k$ を体とする。
thm-fgs-cartier と thm-fgs-deligne の仮定を 1 つずつ外すと、結論は成り立たなくなる。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 標数 $0$(Cartier の定理) | 標数 $p$ の体の上の $\mu_p$ | エタール性(被約でない) |
| 群の構造(Cartier の定理) | 標数 $0$ の体 $k$ の上の有限スキーム $\operatorname{Spec}k[x]/(x^2)$ | エタール性(被約でない) |
| 有限性(Deligne の定理) | $\mathbb{Q}$ 上の乗法群 $\mathbb{G}_m$ | ある $m\ge1$ で $m$ 倍写像が自明になること |
| 局所自由性(Deligne の定理) | $\mathbb{Z}_p$ 上の $G=\operatorname{Spec}\mathbb{Z}_p[x]/(x^p-1,\ p(x-1))$ | 一般ファイバーの位数 $1$ で消えること |
1 行目。 標数 $p$ では $x^p-1=(x-1)^p$ なので、$k[x]/(x^p-1)$ の元 $x-1$ は $0$ でない冪零元である。
2 行目。 $x$ は $0$ でない冪零元である。$\operatorname{Spec}k[x]/(x^2)$ に群スキームの構造は入らない。実際、入るとすれば thm-fgs-cartier により被約になるはずである。
3 行目。 $\mathbb{G}_m$ は有限射でない(座標環 $\mathbb{Q}[t,t^{-1}]$ は $\mathbb{Q}$ 上無限次元)。$2\in\mathbb{G}_m(\mathbb{Q})=\mathbb{Q}^\times$ はどの $m\ge1$ についても $2^m\ne1$ である。
4 行目。 $R'$ を $\mathbb{Z}_p$ 代数とするとき、$G(R')=\{a\in R'^{\times}:a^p=1,\ p(a-1)=0\}$ である。$a,b$ がこの集合に入れば $(ab)^p=1$、$p(ab-1)=p(a-1)b+p(b-1)=0$、$p(a^{-1}-1)=-a^{-1}p(a-1)=0$ なので、$G$ は $\mu_p$ の閉部分群スキームで、可換で、$\mathbb{Z}_p$ 上有限である。一般ファイバーでは $p$ が可逆なので $x=1$ となり $G_{\mathbb{Q}_p}=\operatorname{Spec}\mathbb{Q}_p$(位数 $1$)、特殊ファイバーでは $G_{\mathbb{F}_p}=\operatorname{Spec}\mathbb{F}_p[x]/(x^p-1)=\mu_p$(位数 $p$)である。階数がファイバーで跳ぶので $G$ は有限局所自由でない。$R'=\mathbb{F}_p[x]/(x^p-1)$ の元 $x$ は $G(R')$ の元で $x\ne1$ だから、$G$ は一般ファイバーの位数 $1$ では消えない($p$ では消える)。
有限局所自由な可換群スキームは、アーベル多様体の捩れ点 $A[n]$ と同種写像の核として現れ、同種写像の核の Cartier 双対は双対同種写像の核になる(Cartier双対 の記事の定理「同種の核の双対」)。$p$ 冪位数の群の系列は Dieudonné加群とp可除群 の対象であり、fppf位相 の上では Kummer 完全列 $1\to\mu_n\to\mathbb{G}_m\xrightarrow{n}\mathbb{G}_m\to1$ のように有限群スキームが層として現れる。Deligne の定理は、位数 $p$ の群スキームの分類(TO70 Theorem 1・Theorem 2)の出発点である。
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