Kummer理論

同義語:クンマー理論Kummer拡大Kummer対Kummer theoryKummer extension

概要

Kummer理論(Kummer theory)とは、標数が $n$ を割らず $1$ の原始 $n$ 乗根を含む体 $K$ について、Galois 群が指数 $n$ を割る Abel 群である拡大(Kummer 拡大)を、$K^\times$ の $n$ 乗根の添加で分類する理論である。$(K^\times)^n$ を含む部分群 $B$ に $K(B^{1/n})$ を、拡大 $L$ に $K^\times\cap(L^\times)^n$ を対応させると互いに逆な全単射になり、$\operatorname{Gal}(K(B^{1/n})/K)$ は Kummer 対により $\operatorname{Hom}(B/(K^\times)^n,\mu_n)$ に同型である。とくに $n$ 次巡回拡大は $K(\sqrt[n]{a})$ の形である。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: Galois拡大, Galois理論, 1の冪根, 有限アーベル群の基本定理

$\mathbb{Q}(\sqrt2,\sqrt3)$ は $\mathbb{Q}$ に $2$ と $3$ の平方根を添加した体で、Galois 群は $\sqrt2$ と $\sqrt3$ の符号を独立に変える位数 $4$ の群である。$\sqrt6=\sqrt2\sqrt3$ を添加しても何も増えないのは、$6$ が「$2$ と $3$ の積」として平方類の群 $\mathbb{Q}^\times/(\mathbb{Q}^\times)^2$ の中で $2$ と $3$ から生成されるからである。Kummer 理論(Kummer theory)は、この現象を一般化する。体 $K$ が $1$ の原始 $n$ 乗根を含み、標数が $n$ を割らないとき、Galois 群が指数 $n$ を割る Abel 群である $K$ の拡大は、$K^\times$ の部分群 $B\supset(K^\times)^n$ の $n$ 乗根を添加して得られ、この対応は 1 対 1 で、Galois 群は $B/(K^\times)^n$ の双対になる。この記事では、この対応(Kummer 対応)とその無限次版を、Dedekind の独立性補題から直接証明する。

定義

この記事を通して、$n\ge1$ を整数、$K$ を体とし、次の 2 つを仮定する。

  • (K1) $K$ の標数は $n$ を割らない。
  • (K2) $K$ は $1$ の原始 $n$ 乗根を含む。
    $K$ の代数閉包 $\overline{K}$ を 1 つ固定し、$K$ の代数拡大はすべて $\overline{K}$ の中でとる。(K1) により $X^n-1$ の導関数 $nX^{n-1}$ は $X^n-1$ の根で $0$ にならないので、$X^n-1$ は $\overline{K}$ に $n$ 個の相異なる根をもち、それらの全体 $\mu_n$ は位数 $n$ の巡回群である(1の冪根 の記事の注意「一般の体での 1 の冪根」)。(K2) は $\mu_n\subset K$ と同値である。同様に、$a\in K^\times$ について $X^n-a$ は重根をもたない(根は $0$ でなく、そこで導関数 $nX^{n-1}$ は $0$ でない)。
    有限群 $G$ の指数を、すべての $g\in G$ について $g^m=1$ となる最小の $m\ge1$ とする。
Kummer拡大

Galois 拡大 $L/K$ が指数 $n$ の Kummer 拡大(Kummer extension of exponent $n$)であるとは、$\operatorname{Gal}(L/K)$ が Abel 群で、すべての $\sigma\in\operatorname{Gal}(L/K)$ について $\sigma^n=1$ となることをいう。有限次なら、Galois 群が Abel 群でその指数が $n$ を割ることと同じである。

$(K^\times)^n=\{c^n\mid c\in K^\times\}$ を含む $K^\times$ の部分群 $B$ に対し、
$$ K(B^{1/n}):=K\bigl(\{\beta\in\overline{K}\mid\beta^n\in B\}\bigr) $$
とおく。$b\in B$ の $n$ 乗根の 1 つを $\beta$ とすると、$b$ の $n$ 乗根の全体は $\zeta\beta$($\zeta\in\mu_n$)で、(K2) によりすべて $K(\beta)$ に入る。そこで $b$ の $n$ 乗根の 1 つを $b^{1/n}$ と書き、$K(b^{1/n})$ はその選び方によらない。逆向きには、拡大 $L/K$ に対し
$$ B(L):=K^\times\cap(L^\times)^n=\{b\in K^\times\mid b\text{ は }L\text{ の中に }n\text{ 乗根をもつ}\} $$
とおく。これは $(K^\times)^n$ を含む $K^\times$ の部分群である。

Kummer対

$L/K$ を Galois 拡大、$B\subset B(L)$ を $(K^\times)^n$ を含む部分群とする。$\sigma\in\operatorname{Gal}(L/K)$ と $b\in B$ に対し、$b$ の $n$ 乗根 $\beta\in L$ を 1 つとって
$$ \langle\sigma,b\rangle:=\frac{\sigma(\beta)}{\beta}\in\mu_n $$
とおく。これを Kummer 対(Kummer pairing)という。

$\sigma(\beta)^n=\sigma(b)=b$ なので $\sigma(\beta)/\beta\in\mu_n$ である。$\beta$ を $\zeta\beta$($\zeta\in\mu_n\subset K$)に取り替えても $\sigma(\zeta\beta)/(\zeta\beta)=\sigma(\beta)/\beta$ なので、値は $\beta$ の選び方によらない。

直感

$\mu_n\subset K$ なら、$n$ 乗根 $\beta$ を添加した体の自己同型 $\sigma$ は、$\beta$ を別の $n$ 乗根 $\zeta\beta$ に移すことしかできない。したがって $\sigma$ は「$\beta$ にかかる $1$ の冪根 $\zeta$」という 1 つの数で表され、Galois 群は $\mu_n$ の中に入る。いくつもの $n$ 乗根を同時に添加すれば、$\sigma$ は「各 $b$ にどの $\zeta$ をかけるか」という関数 $b\mapsto\langle\sigma,b\rangle$ で表され、これは乗法的なので準同型 $B/(K^\times)^n\to\mu_n$ である。Kummer 理論の主張は、この表し方が過不足なく、すべての準同型が実際に Galois 群の元から来ることである。「過不足なく」の半分(Galois 群の元が準同型で決まること)は定義からすぐ分かり、もう半分(準同型が Galois 群の元から来ること、および Abel 拡大がすべて $n$ 乗根で生成されること)には、自己同型の 1 次独立性(Dedekind の独立性補題)を使う。

例

$K$$n$$K^\times/(K^\times)^n$指数 $n$ の Kummer 拡大
$\mathbb{R}$$2$$\{\pm1\}$$\mathbb{R}$、$\mathbb{C}$
$\mathbb{F}_q$($n\mid q-1$)$n$位数 $n$ の巡回群$\mathbb{F}_{q^d}$($d\mid n$)
$\mathbb{Q}$$2$$-1$ と素数の類を基底とする $\mathbb{F}_2$ 上の空間$\mathbb{Q}(\sqrt{s_1},\dots,\sqrt{s_r})$ など
$\mathbb{Q}(\zeta_3)$$3$無限群$\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{2},\sqrt[3]{3})$ など
有限体の場合

$K=\mathbb{F}_q$、$n\mid q-1$ とする。$\mathbb{F}_q^\times$ は位数 $q-1$ の巡回群(有限体 の記事の定理「有限体の乗法群の構造」)なので $\mu_n\subset\mathbb{F}_q$ で、$\mathbb{F}_q^\times/(\mathbb{F}_q^\times)^n$ は位数 $n$ の巡回群である。その部分群は各 $d\mid n$ について 1 つずつあり、thm-kum-main によりそれぞれ $d$ 次の Kummer 拡大に対応する。これは有限体 $\mathbb{F}_q$ の $d$ 次拡大が $\mathbb{F}_{q^d}$ ただ 1 つであることと合う。

双 2 次体と 3 重 2 次体

$K=\mathbb{Q}$、$n=2$ とする。(K1)(K2) は $\mu_2=\{\pm1\}$ で満たされる。素因数分解により、$0$ でない有理数は $\pm p_1^{e_1}\cdots p_r^{e_r}$ と一意に書け、平方数を法とすると指数の偶奇だけが残るので、$\mathbb{Q}^\times/(\mathbb{Q}^\times)^2$ は $-1$ とすべての素数の類を基底とする $\mathbb{F}_2$ 上のベクトル空間である。とくに $2,3,5$ の類は 1 次独立で、$B=\langle2,3,5\rangle(\mathbb{Q}^\times)^2$ について $(B:(\mathbb{Q}^\times)^2)=8$ なので、thm-kum-main により
$$ [\mathbb{Q}(\sqrt2,\sqrt3,\sqrt5):\mathbb{Q}]=8,\qquad \operatorname{Gal}\cong(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z})^3 $$
である。$\sqrt{30}$ や $\sqrt{-2}$ がこの体に入るかどうかは、$30$ や $-2$ の類が $B$ に入るかどうかで決まる($30\in B$、$-2\notin B$)。

3 乗根の添加

$K=\mathbb{Q}(\zeta_3)$、$\zeta_3=(-1+\sqrt{-3})/2$、$n=3$ とする。$K$ の整数環 $\mathbb{Z}[\zeta_3]$ で $3=-\zeta_3^2(1-\zeta_3)^2$ であり、$\lambda:=1-\zeta_3$ は素元、$2$ は素元のまま残る(円分体 の記事の命題「素数冪の円分体」と定理「円分体における素数の分解」、$2\not\equiv1\pmod3$)。$2^a3^b$($0\le a,b\le2$)が $K$ の中で 3 乗数なら、素元 $2$ と $\lambda$ での付値はそれぞれ $a$ と $2b$ で、どちらも $3$ の倍数でなければならないので $a=b=0$ である。よって $2,3$ の類は $K^\times/(K^\times)^3$ で位数 $9$ の部分群を生成し、
$$ [K(\sqrt[3]{2},\sqrt[3]{3}):K]=9,\qquad \operatorname{Gal}(K(\sqrt[3]{2},\sqrt[3]{3})/K)\cong(\mathbb{Z}/3\mathbb{Z})^2 $$
である。$\mathbb{Q}$ 上ではこの体は次数 $18$ の Galois 拡大だが、その Galois 群は Abel 群でない($\mathbb{Q}$ 上では (K2) が成り立たない)。

Kummer 対応

補題

1 つの冪根の添加

$a\in K^\times$ とし、$\alpha\in\overline{K}$ を $\alpha^n=a$ となる元、$L=K(\alpha)$ とする。

  1. $L/K$ は有限次 Galois 拡大である。
  2. $\chi\colon\operatorname{Gal}(L/K)\to\mu_n$、$\sigma\mapsto\sigma(\alpha)/\alpha$ は単射な群準同型で、$\alpha$ の選び方によらない。
  3. $a$ の $K^\times/(K^\times)^n$ における位数を $d$ とすると、$\chi$ の像は $\mu_d$ で、$[L:K]=d$ である。とくに $L/K$ は $d$ 次の巡回拡大である。

1。 $X^n-a$ の根は $\zeta\alpha$($\zeta\in\mu_n$)の $n$ 個で、(K2) によりすべて $L$ に入る。よって $L$ は重根をもたない多項式 $X^n-a$ の分解体であり、Galois 拡大である(Galois拡大 の記事の定理「有限次Galois拡大の特徴づけ」の 4)。
2。 $\sigma(\alpha)$ も $X^n-a$ の根なので $\chi(\sigma)\in\mu_n$ である。$\sigma,\tau\in\operatorname{Gal}(L/K)$ について、$\chi(\tau)\in\mu_n\subset K$ は $\sigma$ で動かないので
$$ \chi(\sigma\tau)=\frac{\sigma(\tau(\alpha))}{\alpha}=\frac{\sigma(\chi(\tau)\alpha)}{\alpha}=\chi(\tau)\,\frac{\sigma(\alpha)}{\alpha}=\chi(\sigma)\chi(\tau) $$
である。$\chi(\sigma)=1$ なら $\sigma$ は生成元 $\alpha$ を固定するので $\sigma=1$ である。$\alpha$ の選び方によらないことは def-kum-pairing の直後と同じである。
3。 $\chi$ の像は巡回群 $\mu_n$ の部分群なので、位数 $d':=\lvert\operatorname{Gal}(L/K)\rvert=[L:K]$ の部分群 $\mu_{d'}$ である。整数 $k$ について
$$ \alpha^k\in K\iff\text{すべての }\sigma\text{ で }\chi(\sigma)^k=1\iff d'\mid k $$
である(最初の同値は $L^{\operatorname{Gal}(L/K)}=K$ による)。一方、$a^k\in(K^\times)^n$、すなわち $a^k=c^n$($c\in K^\times$)となることは、$(\alpha^k)^n=c^n$、すなわち $\alpha^k=\zeta c$($\zeta\in\mu_n\subset K$)と同値なので、$\alpha^k\in K$ と同値である。よって $a$ の位数 $d$ は $d'$ に等しい。$\square$

Kummer対の非退化性

$L/K$ を Galois 拡大、$B$ を $(K^\times)^n\subset B\subset B(L)$ となる部分群とする。

  1. Kummer 対は双乗法的である:$\langle\sigma\tau,b\rangle=\langle\sigma,b\rangle\langle\tau,b\rangle$、$\langle\sigma,bb'\rangle=\langle\sigma,b\rangle\langle\sigma,b'\rangle$。また $b\in(K^\times)^n$ なら $\langle\sigma,b\rangle=1$ である。
  2. $b\in B$ がすべての $\sigma$ について $\langle\sigma,b\rangle=1$ を満たすなら $b\in(K^\times)^n$ である。
  3. $L=K(B^{1/n})$ なら、$\sigma$ がすべての $b\in B$ について $\langle\sigma,b\rangle=1$ を満たすとき $\sigma=1$ である。

1。 $\sigma$ についての乗法性は lem-kum-radical の 2 の計算と同じである。$b,b'$ の $n$ 乗根 $\beta,\beta'\in L$ について $\beta\beta'$ は $bb'$ の $n$ 乗根なので $b$ についても乗法的である。$b=c^n$($c\in K^\times$)なら $\beta=c$ ととれて $\langle\sigma,b\rangle=\sigma(c)/c=1$ である。
2。 $\beta\in L$ を $b$ の $n$ 乗根とする。$K(\beta)/K$ は有限次 Galois 拡大で(lem-kum-radical)、$L/K$ の各自己同型は $K(\beta)$ を保つ。仮定から $\beta$ は $\operatorname{Gal}(L/K)$ のすべての元で固定される。$L/K$ が有限次なら $L^{\operatorname{Gal}(L/K)}=K$ から $\beta\in K$ である。無限次のときは、制限 $\operatorname{Gal}(L/K)\to\operatorname{Gal}(K(\beta)/K)$ が全射である(無限次Galois理論 の記事の補題「自己同型の延長」)ので、$\beta$ は $\operatorname{Gal}(K(\beta)/K)$ のすべての元で固定され、やはり $\beta\in K$ である。よって $b=\beta^n\in(K^\times)^n$ である。
3。 $\sigma$ は $L$ の生成元($B$ の元の $n$ 乗根)をすべて固定するので、$\sigma=1$ である。$\square$

有限アーベル群 $A$ の指数が $n$ を割るとき、
$$ \widehat{A}:=\operatorname{Hom}(A,\mu_n) $$
(群準同型の全体。値ごとの積で Abel 群になる)を $A$ の双対と呼ぶ。

双対の位数
  1. 指数が $n$ を割る有限アーベル群 $A$ について $\lvert\widehat{A}\rvert=\lvert A\rvert$ である。
  2. $G$、$A$ を有限アーベル群とし、双乗法的な写像 $\langle\ ,\ \rangle\colon G\times A\to\mu_n$ が 2 つの非退化性($\langle g,a\rangle=1$ がすべての $a$ で成り立てば $g=1$、すべての $g$ で成り立てば $a=1$)をもつとする。$A$ の指数が $n$ を割るなら、$\lvert G\rvert=\lvert A\rvert$ であり、$g\mapsto\langle g,\cdot\rangle$ と $a\mapsto\langle\cdot,a\rangle$ はそれぞれ同型 $G\cong\widehat{A}$、$A\cong\widehat{G}$ である。

1。 有限アーベル群の基本定理 の記事の定理「不変因子分解の存在」により $A\cong\mathbb{Z}/k_1\mathbb{Z}\times\cdots\times\mathbb{Z}/k_r\mathbb{Z}$ と書け、各 $k_i$ は $A$ の指数を割るので $n$ を割る。直積からの準同型は各成分からの準同型の組と同じなので $\widehat{A}\cong\prod_i\operatorname{Hom}(\mathbb{Z}/k_i\mathbb{Z},\mu_n)$ である。$\mathbb{Z}/k\mathbb{Z}$ からの準同型は $1$ の行き先 $\zeta$ で決まり、条件は $\zeta^k=1$ だけなので、$\operatorname{Hom}(\mathbb{Z}/k\mathbb{Z},\mu_n)\cong\mu_k$ は($k\mid n$ で $\mu_n$ が位数 $n$ の巡回群だから)$k$ 個の元をもつ。よって $\lvert\widehat{A}\rvert=\prod k_i=\lvert A\rvert$ である。
2。 $g\mapsto\langle g,\cdot\rangle$ は非退化性により単射な準同型 $G\to\widehat{A}$ なので、$G$ の指数も $n$ を割る。1 により $\lvert G\rvert\le\lvert\widehat{A}\rvert=\lvert A\rvert$、対称に $\lvert A\rvert\le\lvert\widehat{G}\rvert=\lvert G\rvert$ である。よって位数はすべて等しく、2 つの単射は全単射である。$\square$

主定理

Kummer理論の基本定理

(K1)(K2) を仮定する。

  1. $(K^\times)^n\subset B\subset K^\times$ で指数 $(B:(K^\times)^n)$ が有限な部分群 $B$ について、$L_B:=K(B^{1/n})$ は有限次の指数 $n$ の Kummer 拡大であり、Kummer 対は同型
    $$ \operatorname{Gal}(L_B/K)\xrightarrow{\ \sim\ }\operatorname{Hom}\bigl(B/(K^\times)^n,\mu_n\bigr),\qquad [L_B:K]=(B:(K^\times)^n) $$
    を与える。
  2. $L/K$ が有限次の指数 $n$ の Kummer 拡大なら、$(B(L):(K^\times)^n)$ は有限で $L=K(B(L)^{1/n})$ である。
  3. 上の $B$ について $B(L_B)=B$ である。
    したがって $B\mapsto K(B^{1/n})$ と $L\mapsto B(L)=K^\times\cap(L^\times)^n$ は、「$(K^\times)^n$ を有限指数で含む $K^\times$ の部分群」の全体と「$\overline{K}$ の中の有限次の指数 $n$ の Kummer 拡大」の全体の間の、包含を保つ互いに逆な全単射である。

主定理の証明の鍵は、2 で「Galois 群の指標がすべて Kummer 対から来る」ことを示す段である。ここで Dedekind の独立性補題(Galois拡大 の記事の補題「Dedekindの独立性補題」)を使う。

1。 有限群 $B/(K^\times)^n$ の生成元の代表 $b_1,\dots,b_r\in B$ をとり、各 $b_i$ の $n$ 乗根 $\beta_i$ を 1 つずつ選ぶ。$b\in B$ は $b=b_1^{k_1}\cdots b_r^{k_r}c^n$($k_i\in\mathbb{Z}$、$c\in K^\times$)と書けるので、$b$ の $n$ 乗根は $\zeta\beta_1^{k_1}\cdots\beta_r^{k_r}c$($\zeta\in\mu_n$)であり、$K(\beta_1,\dots,\beta_r)$ に入る。よって $L_B=K(\beta_1,\dots,\beta_r)$ は $\prod_i(X^n-b_i)$ の分解体で(lem-kum-radical の 1 と同じ理由で重根のない因子の積)、有限次 Galois 拡大である。$B\subset B(L_B)$ なので Kummer 対 $\operatorname{Gal}(L_B/K)\times B/(K^\times)^n\to\mu_n$ が定まり、prop-kum-nondegenerate の 1〜3 によりこれは双乗法的で両側に非退化である。$B/(K^\times)^n$ の指数は $n$ を割るので、lem-kum-dual の 2 により $\operatorname{Gal}(L_B/K)\cong\operatorname{Hom}(B/(K^\times)^n,\mu_n)$ で、位数は $(B:(K^\times)^n)$ に等しい。右辺は Abel 群で指数が $n$ を割るので、$L_B/K$ は指数 $n$ の Kummer 拡大である。
2。 $G:=\operatorname{Gal}(L/K)$、$B:=B(L)$ とおく。準同型
$$ \kappa\colon B/(K^\times)^n\to\operatorname{Hom}(G,\mu_n),\qquad b\mapsto\langle\cdot,b\rangle $$
は prop-kum-nondegenerate の 1・2 により well-defined な単射である。全射であることを示す。$\chi\in\operatorname{Hom}(G,\mu_n)$ をとる。$G$ の元は相異なる体の準同型 $L\to L$ なので、Dedekind の独立性補題により $\sum_{\tau\in G}\chi(\tau)^{-1}\tau$ は $L$ 上の零写像でなく、
$$ \beta:=\sum_{\tau\in G}\chi(\tau)^{-1}\tau(c)\ne0 $$
となる $c\in L$ がある。$\sigma\in G$ について、$\chi$ の値は $K$ に入って $\sigma$ で動かないので
$$ \sigma(\beta)=\sum_{\tau\in G}\chi(\tau)^{-1}\,\sigma\tau(c)=\chi(\sigma)\sum_{\tau\in G}\chi(\sigma\tau)^{-1}\,\sigma\tau(c)=\chi(\sigma)\,\beta $$
である($\chi(\sigma\tau)^{-1}=\chi(\sigma)^{-1}\chi(\tau)^{-1}$、$\tau$ が $G$ を動くとき $\sigma\tau$ も $G$ を動く)。よって $\sigma(\beta^n)=\chi(\sigma)^n\beta^n=\beta^n$ がすべての $\sigma$ で成り立ち、$b:=\beta^n\in L^G=K$ である。$b\in B$ で、$\langle\sigma,b\rangle=\sigma(\beta)/\beta=\chi(\sigma)$ なので $\kappa(b)=\chi$ である。
こうして $\kappa$ は同型で、$G$ は Abel 群で指数が $n$ を割るから lem-kum-dual の 1 により $(B:(K^\times)^n)=\lvert\widehat{G}\rvert=\lvert G\rvert=[L:K]$ は有限である。$b\in B$ の $n$ 乗根はすべて $L$ に入るので $L_B\subset L$ であり、1 により $[L_B:K]=(B:(K^\times)^n)=[L:K]$ だから $L_B=L$ である。
3。 $B\subset B(L_B)$ は定義から明らかである。2 を $L=L_B$ に使うと $(B(L_B):(K^\times)^n)=[L_B:K]$ で、1 によりこれは $(B:(K^\times)^n)$ に等しい。有限指数の包含で指数が等しいので $B(L_B)=B$ である。
対応。 2 と 3 により 2 つの写像は互いに逆である。$B\subset B'$ なら $K(B^{1/n})\subset K(B'^{1/n})$、$L\subset L'$ なら $B(L)\subset B(L')$ なので、包含を保つ。$\square$

2 の証明の $\beta$ は Lagrange の分解式(Lagrange resolvent)と呼ばれる。この段は、Galois コホモロジーの言葉では $H^1(G,L^\times)=0$(Hilbert の定理 90)を使って $\chi$ を $\sigma\mapsto\sigma(\beta)/\beta$ の形に書くことにあたる(Galoisコホモロジー の記事の定理「乗法群の1次コホモロジーの消滅」)。

巡回拡大

巡回拡大のKummer生成元

(K1)(K2) を仮定する。

  1. $L/K$ が $n$ 次の巡回拡大であることと、$K^\times/(K^\times)^n$ で位数がちょうど $n$ の類をもつ $a\in K^\times$ によって $L=K(a^{1/n})$ と書けることは同値である。
  2. そのような $a,b$ について、$K(a^{1/n})=K(b^{1/n})$ であることと、$n$ と互いに素な整数 $r$ と $c\in K^\times$ により $b=a^rc^n$ と書けることは同値である。

1。 $L=K(a^{1/n})$ で $a$ の類の位数が $n$ なら、lem-kum-radical の 3 により $L/K$ は $n$ 次の巡回拡大である。逆に $L/K$ が $n$ 次の巡回拡大なら、それは指数 $n$ の Kummer 拡大で、thm-kum-main の 2 の証明により $B(L)/(K^\times)^n\cong\operatorname{Hom}(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z},\mu_n)\cong\mu_n$ は位数 $n$ の巡回群である。その生成元の代表を $a$ とすると $B(L)=\langle a\rangle(K^\times)^n$ で、$L=K(B(L)^{1/n})=K(a^{1/n})$ である($\langle a\rangle(K^\times)^n$ の元の $n$ 乗根は $a^{1/n}$ の冪と $K$ の元と $\mu_n$ の元の積)。
2。 thm-kum-main の 3 により $B(K(a^{1/n}))=\langle a\rangle(K^\times)^n$ なので、対応の単射性から、$K(a^{1/n})=K(b^{1/n})$ は $a$ と $b$ の類が $K^\times/(K^\times)^n$ で同じ巡回部分群を生成することと同値である。位数 $n$ の巡回群で $a$ の類が生成する部分群の生成元は $a^r$($\gcd(r,n)=1$)の類なので、主張を得る。$\square$

たとえば $\mathbb{Q}(\zeta_3)$ 上の 3 次巡回拡大はすべて $\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{a})$ の形で、$\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{2})=\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{4})$ であるが($4=2^2$、$\gcd(2,3)=1$)、$\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{2})\ne\mathbb{Q}(\zeta_3,\sqrt[3]{3})$ である(ex-kum-cube-roots により $3$ の類は $2$ の類の生成する部分群に入らない)。

無限次の Kummer 拡大

$B$ が $(K^\times)^n$ を無限指数で含む場合にも、無限次Galois理論 の言葉で同じ対応が成り立つ。$\operatorname{Hom}(B/(K^\times)^n,\mu_n)$ には、有限離散群 $\mu_n$ の直積 $\prod_{B/(K^\times)^n}\mu_n$ の部分空間としての位相(各点収束の位相)を入れる。

無限次のKummer対応

(K1)(K2) を仮定する。$(K^\times)^n\subset B\subset K^\times$ となる任意の部分群 $B$ について、$L_B=K(B^{1/n})$ は指数 $n$ の Kummer 拡大であり、Kummer 対は Krull 位相に関する位相群の同型
$$ \operatorname{Gal}(L_B/K)\xrightarrow{\ \sim\ }\operatorname{Hom}\bigl(B/(K^\times)^n,\mu_n\bigr),\qquad \sigma\mapsto\langle\sigma,\cdot\rangle $$
を与える。また $B\mapsto L_B$ と $L\mapsto B(L)$ は、$(K^\times)^n$ を含む $K^\times$ の部分群の全体と、$\overline{K}$ の中の指数 $n$ の Kummer 拡大(無限次を含む)の全体の間の、互いに逆な全単射である。

要点:$B$ を、$(K^\times)^n$ を有限指数で含む部分群 $B'$ の和集合として書き、thm-kum-main を各 $B'$ に使って貼り合わせる。

詳しい証明を開く

Galois 性と群。$L_B$ は重根のない多項式 $X^n-b$($b\in B$)の根で生成され、それらの根はすべて $L_B$ に入るので、$L_B/K$ は正規かつ分離的、すなわち Galois 拡大である。prop-kum-nondegenerate の 1・3 により $\sigma\mapsto\langle\sigma,\cdot\rangle$ は単射な群準同型なので、$\operatorname{Gal}(L_B/K)$ は Abel 群で、すべての元の $n$ 乗は $1$ である。

全射。$(K^\times)^n$ と有限個の元で生成される $B$ の部分群 $B'$ の全体を $\mathfrak{B}$ とする。$B'\in\mathfrak{B}$ は $(K^\times)^n$ を有限指数で含み($B'/(K^\times)^n$ は指数 $n$ の有限生成 Abel 群)、$\mathfrak{B}$ は包含について有向で、$L_B=\bigcup_{B'\in\mathfrak{B}}L_{B'}$ である。$\chi\in\operatorname{Hom}(B/(K^\times)^n,\mu_n)$ をとる。thm-kum-main の 1 により、各 $B'$ について $\langle\sigma_{B'},\cdot\rangle=\chi|_{B'}$ となる $\sigma_{B'}\in\operatorname{Gal}(L_{B'}/K)$ がただ 1 つある。$B'\subset B''$ なら $\sigma_{B''}|_{L_{B'}}$ も同じ性質をもつので $\sigma_{B'}$ に等しい。そこで $x\in L_{B'}$ に対し $\sigma(x):=\sigma_{B'}(x)$ とおくと、これは $B'$ の選び方によらず、$L_B$ の $K$ 上の自己同型を与える(和・積・逆写像は、関係する有限個の元を含む 1 つの $L_{B'}$ の中で確かめればよい)。$\langle\sigma,\cdot\rangle=\chi$ である。

同相。右辺の開集合の基本となる $\{\chi\mid\chi(b)=\zeta\}$($b\in B$、$\zeta\in\mu_n$)の逆像は $\{\sigma\mid\sigma(\beta)=\zeta\beta\}$($\beta$ は $b$ の $n$ 乗根)で、空でなければ $K(\beta)$ 上で一致する元の集合、すなわち開部分群 $\operatorname{Gal}(L_B/K(\beta))$ の剰余類なので開である。よって写像は連続である。左辺はコンパクト(無限次Galois理論 の記事の定義の直後の性質)、右辺は Hausdorff 空間の直積の部分空間なので Hausdorff であり、連続な全単射は同相写像である。

対応。$B\subset B(L_B)$ は明らかである。$b\in B(L_B)$ の $n$ 乗根 $\beta\in L_B$ は有限個の生成元で書けるので、ある $B'\in\mathfrak{B}$ について $\beta\in L_{B'}$、したがって $b\in B(L_{B'})=B'\subset B$ である(thm-kum-main の 3)。よって $B(L_B)=B$ である。逆に $L$ を指数 $n$ の Kummer 拡大とする。$L$ の $K$ 上有限次 Galois な部分体 $E$ の Galois 群は $\operatorname{Gal}(L/K)$ の商(無限次Galois理論 の記事の補題「自己同型の延長」)なので、$E$ は有限次の指数 $n$ の Kummer 拡大で、thm-kum-main の 2 により $E=K(B(E)^{1/n})\subset K(B(L)^{1/n})\subset L$ である。$L$ はこのような $E$ の和集合なので $L=K(B(L)^{1/n})$ である。$\square$

有理数体の最大の指数 2 の拡大

$K=\mathbb{Q}$、$n=2$、$B=\mathbb{Q}^\times$ とすると、$L_B=\mathbb{Q}(\sqrt x\mid x\in\mathbb{Q}^\times)=\mathbb{Q}(\sqrt{-1},\sqrt2,\sqrt3,\sqrt5,\dots)$ は $\mathbb{Q}$ の指数 $2$ の Kummer 拡大をすべて含む最大のものである。ex-kum-multiquadratic の基底 $S=\{-1\}\cup\{\text{素数}\}$ を使うと、thm-kum-infinite により
$$ \operatorname{Gal}(L_B/\mathbb{Q})\cong\operatorname{Hom}\Bigl(\bigoplus_{s\in S}\mathbb{F}_2,\{\pm1\}\Bigr)\cong\prod_{s\in S}\{\pm1\} $$
で、$\sigma$ は各 $\sqrt s$ の符号を独立に変える。この群の閉部分群と中間体の対応は 無限次Galois理論 の記事の例「平方根をすべて添加した体」で扱う。

反例

外す条件反例成り立たなくなること
(K2) $\mu_n\subset K$$K=\mathbb{Q}$、$n=3$、$a=2$$K(a^{1/n})/K$ が Galois 拡大であること
(K2) $\mu_n\subset K$$\mathbb{Q}(\zeta_5)/\mathbb{Q}$、$n=4$$n$ 次巡回拡大が $K(a^{1/n})$ の形に書けること
(K1) 標数が $n$ を割らない((K2) も同時に外れる)$K=\mathbb{F}_p$、$n=p$$n$ 次巡回拡大が $K(a^{1/n})$ の形に書けること
(K1) 標数が $n$ を割らない((K2) も同時に外れる)$K=\mathbb{F}_p(t)$、$n=p$、$a=t$$K(a^{1/n})/K$ が Galois 拡大であること
反例の確認

表の反例 1・2 は外した条件以外の仮定を満たし、右の列の結論が破れる。3・4 は標数 $p$ で $n=p$ とした例で、位数 $p$ の乗法元がないので (K2) も同時に破れる((K2) は (K1) を導く)。どちらも右の列の結論が破れる。

各反例の確認を開く
  1. $\mathbb{Q}$ の標数 $0$ は $3$ を割らないが、$\mu_3\not\subset\mathbb{Q}$ である。$\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})\subset\mathbb{R}$ は $X^3-2$ の実数でない根を含まないので正規でなく、Galois 拡大でない(Galois拡大 の記事の例「反例:正規でない拡大 $\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2})/\mathbb{Q}$」)。
  2. $\mathbb{Q}(\zeta_5)/\mathbb{Q}$ は Galois 群 $(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z})^\times$ が $2$ で生成される 4 次の巡回拡大である(Galois群 の記事の例「円分体の Galois 群」)。$\mathbb{Q}(\zeta_5)=\mathbb{Q}(\alpha)$、$\alpha^4=a\in\mathbb{Q}$ とすると、Galois なので $X^4-a$ の根 $i\alpha$ も $\mathbb{Q}(\zeta_5)$ に入り、$i\in\mathbb{Q}(\zeta_5)$ となる。すると $\mathbb{Q}(i)$ は $\mathbb{Q}(\zeta_5)$ の 2 次部分体だが、そのただ 1 つの 2 次部分体は実の体 $\mathbb{Q}(\sqrt5)$ である(円分体 の記事の系「円分体の2次部分体」)ので矛盾する。
  3. $\mathbb{F}_p$ では Fermat の小定理によりすべての $a$ が $a=a^p$ と $p$ 乗なので、$\mathbb{F}_p(a^{1/p})=\mathbb{F}_p$ である。一方 $\mathbb{F}_{p^p}/\mathbb{F}_p$ は $p$ 次の巡回拡大である(有限体 の記事の定理「有限体の自己同型群」)。この場合 $\mu_p=\{1\}$ で原始 $p$ 乗根はなく、(K2) も成り立たない。
  4. $X^p-t=(X-t^{1/p})^p$ は重根をもち、$\mathbb{F}_p(t^{1/p})/\mathbb{F}_p(t)$ は分離的でなく Galois 拡大でない(Galois拡大 の記事の例「反例:分離でない拡大 $\mathbb{F}_p(t)(t^{1/p})/\mathbb{F}_p(t)$」)。

補足

標数 $p$ の場合と $\mu_n$ を含まない場合

標数 $p>0$ の体の $p$ 次巡回拡大は、$n$ 乗根の代わりに Artin–Schreier 多項式 $X^p-X-a$ の根で生成される(MilFT Aside 5.29(b)、p. 96。この記事では証明しない)。$\mu_n\not\subset K$ のときは、まず $K(\zeta_n)$ 上で Kummer 理論を使い、$\operatorname{Gal}(K(\zeta_n)/K)$ の作用を調べるのが標準的な方法である。

コホモロジーと類体論

Galoisコホモロジー の記事の命題「1の $n$ 乗根の係数のコホモロジー」は同型 $H^1(K,\mu_n)\cong K^\times/(K^\times)^n$ を与え、$\mu_n\subset K$ なら左辺は $\operatorname{Hom}_{\mathrm{cont}}(G_K,\mu_n)$ なので、thm-kum-infinite と同じ内容をコホモロジーで言い換えたものになる。Kummer 理論は、方程式が根号で解けることと Galois 群が可解であることの同値性(Galois理論 の記事の注意「根号による可解性」)の証明の半分を与え、局所体・代数体の上では、Kummer 拡大のノルム群を調べることが類体論の存在定理の証明の出発点になる。この記事の主定理は MilFT Theorem 5.30(p. 96)と Remark 5.32(p. 97)に、巡回拡大の場合は同書 Proposition 5.27、5.28(p. 94–95)にある。

関連項目

参考文献

Mathpediaは寄付と、参考文献の書籍リンク(Amazonアソシエイト)の紹介料で運営されています。 支援について / 寄付する