斜体

同義語:division ring可除環skew field

概要

斜体(division ring)とは、$1\neq0$ を満たし、$0$ でない元がすべて逆元をもつ環のことで、可除環ともいい、乗法が可換なものが体である。左イデアルが $0$ と全体だけの環として特徴づけられ、Hamilton の四元数、四元数環のうちノルム形式が非自明な零点をもたないもの、単純加群の自己準同型環などが例である。斜体の上のベクトル空間は体の場合と同じく基底をもち、次元が基底によらずに定まる一方、多項式の根の個数のように積の可換性に頼る事実は成り立たない。有限な斜体は必ず可換であるという Wedderburn の小定理が成り立ち、斜体は半単純環の構造定理や Brauer 群の理論の基本的な部品になる。

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

前提知識: 環, 体, ベクトル空間, 加群

体では $0$ 以外のどの数でも割り算ができる。この性質だけを残して、掛け算の可換性を外した数の体系を 斜体 という。代表例は Hamilton の四元数 $\mathbb{H}$ であり、$ij=k$ と $ji=-k$ のように掛ける順序で結果が変わるが、$0$ でない四元数はすべて逆数をもつ。
斜体は、非可換な環を調べるときの「部品」として現れる。単純加群の自己準同型のなす環は斜体であり(単純加群の定理「Schur の補題」)、半単純環は斜体の上の行列環の直積に分解する(半単純環の定理「Wedderburn–Artin の構造定理」)。幾何学では、Desargues の定理が成り立つ射影平面の座標が斜体からとられる(Desarguesの定理)。この記事では、斜体を定義し、イデアルによる特徴づけと、斜体の上の加群が基底と次元をもつことを証明し、最後に有限な斜体は必ず可換であるという Wedderburn の小定理を、円分多項式と類等式を使って証明する。

定義

以下、環は乗法の単位元 $1$ をもつものとする。

斜体

環 $D$ が $1\neq0$ を満たし、$0$ でない元がすべて単元であるとき、すなわち $a\neq0$ ならば $ab=ba=1$ となる $b\in D$ があるとき、$D$ を 斜体(skew field)、または 可除環(division ring)という。乗法が可換な斜体が体である。

$0$ でない元の全体 $D^\times=D\setminus\{0\}$ は乗法について群をなす。文献によっては、可換でないものだけを斜体と呼ぶこともあり、逆に可換性を仮定せずに「体」と呼ぶこともある。この記事では、斜体は体を含む広い呼び名とする。
斜体 $D$ の上の左加群を、$D$ の上の(左)ベクトル空間 という。体の場合と同じく、元 $v_1,\dots,v_n\in V$ が 一次独立 であるとは、$\sum_ia_iv_i=0$($a_i\in D$)ならばすべての $a_i$ が $0$ であることをいい、$V$ を生成する一次独立な元の組を 基底 という。係数は左から掛けるので、$\sum_ia_iv_i$ の $a_i$ の位置を勝手に右へ移すことはできない。
体 $k$ が斜体 $D$ の中心(すべての元と交換する元の全体)$Z(D)$ に含まれるとき、$D$ は $k$ 上の多元環であり、$k$ 上の 可除多元環(division algebra)という。

斜体であるための条件

$1\neq0$ を満たす環 $R$ について、次は同値である。

  1. $R$ は斜体である。
  2. $R$ の左イデアルは $0$ と $R$ だけである。
  3. $R$ の $0$ でない元はすべて左逆元をもつ($a\neq0$ なら $ba=1$ となる $b$ がある)。
左逆元の左逆元を比べる

1 ⇒ 2:左イデアル $I\neq0$ が $0$ でない元 $a$ を含めば、$1=a^{-1}a\in I$ なので、任意の $x$ について $x=x\cdot1\in I$ となり $I=R$ である。
2 ⇒ 3:$a\neq0$ なら左イデアル $Ra$ は $a$ を含むので $0$ でなく、仮定から $Ra=R$ である。とくに $1\in Ra$ なので $ba=1$ となる $b$ がある。
3 ⇒ 1:$a\neq0$ とし、$ba=1$ となる $b$ をとる。$b=0$ なら $1=0$ となるので $b\neq0$ であり、仮定から $cb=1$ となる $c$ がある。すると
$$ c=c(ba)=(cb)a=a $$
なので $ab=cb=1$ であり、$b$ は $a$ の両側の逆元である。よって $R$ は斜体である。

両側イデアルは左イデアルでもあるので、斜体の両側イデアルも $0$ と全体だけであり、斜体は単純環である。したがって、斜体 $D$ から零環でない環 $S$ への環準同型 $f$ は単射である。核は $1$ を含まない両側イデアルなので $0$ だからである(環準同型)。

直感

斜体は「割り算ができる数の体系」のうちもっとも一般的なものであり、線形代数の大部分は斜体の上でもそのまま成り立つ。連立一次方程式を掃き出し法で解くときに使うのは、$0$ でない係数で割ることと、足し引きだけだからである。実際、斜体の上のベクトル空間にも基底があり、基底の個数は基底の取り方によらない(thm-dr-dimension)。
一方、積の可換性に依存する事実は崩れる。たとえば、体の上では $n$ 次の多項式の根は高々 $n$ 個であるが(体の命題「体上の多項式の根の個数」)、$\mathbb{H}$ では $x^2+1=0$ の根が無数にある(ex-dr-many-roots)。行列式も、成分が可換であることを使って定義されるので、斜体の上ではそのままでは定義できない。
非可換な斜体はどのくらいあるのか。有限のものは一つもなく、有限な斜体は必ず体である(thm-dr-wedderburn)。実数体上の有限次元のものは $\mathbb{R},\mathbb{C},\mathbb{H}$ だけである(四元数の記事の Frobenius の定理)。代数閉体の上の有限次元のものは係数の体だけである(多元環の定理「代数閉体上の可除多元環は係数体に一致する」)。非可換な斜体は、$\mathbb{Q}$ や $p$ 進体のような数論的な体の上に豊富にあり、その分類は Brauer群 の理論になる。

例と反例

斜体の例
  1. 体:$\mathbb{Q},\mathbb{R},\mathbb{C}$、素数 $p$ を法とする剰余体 $\mathbb{F}_p$ などの体は、可換な斜体である。
  2. Hamilton の四元数:$\mathbb{H}=\{a+bi+cj+dk\mid a,b,c,d\in\mathbb{R}\}$ は、$q=a+bi+cj+dk\neq0$ の逆元が $q^{-1}=(a-bi-cj-dk)/(a^2+b^2+c^2+d^2)$ で与えられる可換でない斜体である(四元数)。この式から、係数が有理数の四元数の全体も斜体である。
  3. 四元数環:体 $K$(標数 $2$ でない)と $a,b\in K^\times$ について、四元数環 $(a,b)_K$ が斜体であることは、ノルム形式 $x^2-ay^2-bz^2+abw^2$ が $0$ でない零点をもたないことと同値である(四元数環の定理「分裂の判定」)。たとえば $(-1,3)_{\mathbb{Q}}$ は、ノルム形式が不定符号であるにもかかわらず斜体である(同記事の例「反例:ノルム形式が不定符号でも分裂しない四元数環」)。
  4. 単純加群の自己準同型環:環 $R$ 上の単純加群 $S$ について、$\operatorname{End}_R(S)$ は斜体である(単純加群の定理「Schur の補題」)。
  5. 反対環:斜体 $D$ の積の順序を入れ替えた環 $D^{\mathrm{op}}$($a*b:=ba$)も斜体である。左ベクトル空間と右ベクトル空間の理論は、$D$ と $D^{\mathrm{op}}$ を取り替えることで互いに移り合う。
反例:単純環だが斜体でない

体 $k$ と $n\ge2$ について、行列環 $M_n(k)$ の両側イデアルは $0$ と全体だけである(行列環の系「行列環の単純性」)が、$0$ でない行列 $E_{11}$($(1,1)$ 成分だけが $1$)は $E_{11}E_{22}=0$ を満たすので単元でなく、$M_n(k)$ は斜体ではない。実際、第 $1$ 列以外が $0$ の行列の全体は $0$ でも全体でもない左イデアルである。prop-dr-characterization の条件 2 を「両側イデアルが $0$ と全体だけ」に弱めると、斜体の特徴づけにならない。

反例:零因子をもたないが斜体でない

整数環 $\mathbb{Z}$ や多項式環 $k[x]$ は $0$ でない零因子をもたないが、$2\in\mathbb{Z}$ や $x\in k[x]$ は逆元をもたないので斜体ではない。体上の有限次元の多元環では、零因子をもたないことと斜体であることが同値になるが(多元環の系「可逆であるための条件」)、有限次元の仮定を外すとこのように成り立たない。

反例:次数より多くの根をもつ多項式

$\mathbb{H}$ で $u=bi+cj+dk$($b,c,d\in\mathbb{R}$)とおくと、$ij=-ji$、$jk=-kj$、$ki=-ik$ により交差項が打ち消し合って
$$ u^2=-(b^2+c^2+d^2) $$
となる。したがって $b^2+c^2+d^2=1$ を満たす無数の $u$ がすべて $x^2+1=0$ の根である。体の上の多項式の根が次数以下の個数しかないことの証明では、$f(a)=0$ から $f(x)=(x-a)g(x)$ と因数分解し、$x$ に別の根 $b$ を代入して $(b-a)g(b)=0$ を得る。この「代入して積を保つ」操作は、$b$ が係数と交換しないと成り立たない。この反例が外す条件は「係数の環が可換である」であり、破れる結論は「$n$ 次多項式の根は高々 $n$ 個」である。

性質

斜体の上のベクトル空間の基底と次元

基底の存在と次元の一意性

$D$ を斜体、$V$ を $D$ の上の左ベクトル空間とする。

  1. $v_1,\dots,v_m$ が $V$ を生成し、$w_1,\dots,w_n\in V$ が一次独立ならば、$n\le m$ である。
  2. $V$ が有限個の元で生成されるなら、その有限個の生成元の中から基底を選べる。とくに $V$ は有限個の元からなる基底をもち、基底の元の個数は基底の取り方によらない。この個数を $V$ の 次元 といい、$\dim_DV$ と書く。
  3. $V$ が $n$ 個の元からなる基底をもち、$D$ が $q$ 個の元からなる有限な斜体なら、$V$ はちょうど $q^n$ 個の元をもつ。
生成元を一つずつ取り替える

まず次のことに注意する。生成元 $u_1,\dots,u_l$ が一次従属で、$\sum_ia_iu_i=0$、$a_j\neq0$ とすると、左から $a_j^{-1}$ を掛けて
$$ u_j=-\sum_{i\neq j}a_j^{-1}a_iu_i $$
となるので、$u_j$ を除いた残りも $V$ を生成する。
1:$k=0,1,\dots,n$ について、「$k\le m$ であり、$v_i$ の番号を付け替えると、$w_1,\dots,w_k,v_{k+1},\dots,v_m$ が $V$ を生成する」ことを $k$ についての帰納法で示す。$k=0$ では仮定そのものである。$k< n$ で成り立つとして、生成系を使って
$$ w_{k+1}=\sum_{i\le k}a_iw_i+\sum_{i>k}b_iv_i $$
と書く。すべての $b_i$ が $0$ なら($k=m$ で $v$ が残っていない場合を含む)、$w_{k+1}-\sum_{i\le k}a_iw_i=0$ となって $w$ の一次独立性に反する。よって $k< m$ であり、ある $b_i$ は $0$ でない。番号を付け替えて $b_{k+1}\neq0$ とすると、
$$ v_{k+1}=b_{k+1}^{-1}\Bigl(w_{k+1}-\sum_{i\le k}a_iw_i-\sum_{i>k+1}b_iv_i\Bigr) $$
なので、$v_{k+1}$ は $w_1,\dots,w_{k+1},v_{k+2},\dots,v_m$ の一次結合であり、これらが $V$ を生成する。$k+1\le m$ もいま示した。$k=n$ のときの主張から $n\le m$ である。
2:有限個の生成元から、一次従属である限り最初の注意で 1 つずつ元を除いていくと、有限回で一次独立な生成系、すなわち基底が残る。基底 $e_1,\dots,e_m$ と $f_1,\dots,f_n$ があれば、$e$ が生成系で $f$ が一次独立なので 1 により $n\le m$、役割を入れ替えて $m\le n$ である。
3:基底 $e_1,\dots,e_n$ について、写像 $D^n\to V$、$(a_1,\dots,a_n)\mapsto\sum_ia_ie_i$ は、生成系であることから全射、一次独立であることから単射である。よって $|V|=|D|^n=q^n$ である。

議論は体の場合と同じであり、使ったのは「$0$ でない係数を左から掛けて消せる」ことだけである。斜体の上の行列の階数や連立一次方程式の掃き出し法も、同じ理由で体の場合と同様に扱える。

中心と中心化環

中心化環は斜体

$D$ を斜体とし、部分集合 $S\subset D$ について $C_D(S):=\{x\in D\mid \text{すべての }s\in S\text{ について }xs=sx\}$ とおく。

  1. $C_D(S)$ は $D$ の部分環であって、$0$ でない元の逆元を含む。すなわち $C_D(S)$ は斜体である。
  2. $D$ の中心 $Z(D)=C_D(D)$ は体であり、$D$ は $Z(D)$ 上の可除多元環である。
  3. $Z(D)\subset C_D(S)$ であり、$D$ は $C_D(S)$ の上の左ベクトル空間である。
逆元を両側から掛ける

1:$x,y$ が $s$ と交換すれば $x\pm y$、$xy$ も $s$ と交換し、$0,1$ も交換するので、$C_D(S)$ は部分環である。$x\in C_D(S)$、$x\neq0$、$s\in S$ なら、$xs=sx$ の両辺に左右から $x^{-1}$ を掛けて $sx^{-1}=x^{-1}s$ を得る。よって $x^{-1}\in C_D(S)$ である。
2:$Z(D)$ の元どうしは交換するので、1 により $Z(D)$ は可換な斜体、すなわち体である。$Z(D)$ は中心なので、包含写像により $D$ は $Z(D)$ 上の多元環になる。
3:中心の元はすべての元と交換するので $Z(D)\subset C_D(S)$ である。$C_D(S)$ は $D$ の部分環なので、左からの積により $D$ は左 $C_D(S)$ 加群、すなわち左ベクトル空間である。

たとえば $\mathbb{H}$ で $q=a+bi+cj+dk$ とすると、$ij=k$、$ji=-k$、$ik=-j$、$ki=j$ から $iq-qi=-2dj+2ck$ なので、$i$ と交換する四元数は $c=d=0$ のものに限る。したがって $C_{\mathbb{H}}(\{i\})=\mathbb{R}+\mathbb{R}i\cong\mathbb{C}$ であり、$\mathbb{H}$ はこの $\mathbb{C}$ の上の 2 次元の左ベクトル空間である。$\mathbb{H}$ の中心は $\mathbb{R}$ である(四元数)。

Wedderburn の小定理

有限な斜体が可換であることを、Witt の方法で証明する。準備として円分多項式の性質をまとめる。$n\ge1$ について、複素数のうち乗法群 $\mathbb{C}^\times$ での位数がちょうど $n$ のもの($1$ の原始 $n$ 乗根)の全体を $\mu_n^{*}$ とし、
$$ \Phi_n(x):=\prod_{\zeta\in\mu_n^{*}}(x-\zeta) $$
を 円分多項式 という。たとえば $\Phi_1(x)=x-1$、$\Phi_2(x)=x+1$、$\Phi_4(x)=x^2+1$ である。

円分多項式の性質
  1. $x^n-1=\prod_{d\mid n}\Phi_d(x)$ が成り立つ。ここで $d$ は $n$ の正の約数全体を動く。
  2. $\Phi_n(x)$ は整数係数のモニック多項式である。
  3. $d\mid n$、$d< n$ ならば、$(x^n-1)/(x^d-1)$ は整数係数の多項式であって、整数係数の多項式の範囲で $\Phi_n(x)$ で割り切れる。
  4. 整数 $q\ge2$ と $n\ge2$ について $|\Phi_n(q)|>q-1$ である。
根を位数で分類する

1:$x^n-1$ の根は $e^{2\pi\sqrt{-1}\,l/n}$($0\le l< n$)の $n$ 個で、互いに異なる。それぞれの位数は $n$ の約数 $d$ であり、逆に $d\mid n$ なら位数 $d$ の元の $n$ 乗は $1$ である。よって $x^n-1$ の根の全体は、$d\mid n$ にわたる $\mu_d^{*}$ の互いに交わらない和集合であり、1 が成り立つ。
2:$n$ についての帰納法で示す。$\Phi_1=x-1$ である。$n\ge2$ で $d< n$ のときに正しいとすると、$g(x):=\prod_{d\mid n,\,d< n}\Phi_d(x)$ は整数係数のモニック多項式である。モニック多項式による割り算は整数係数のまま実行できるので、$x^n-1=g(x)h(x)+r(x)$、$\deg r< \deg g$ となる整数係数の $h,r$ がある。一方 1 より $x^n-1=g(x)\Phi_n(x)$ であり、複素数係数の多項式の割り算の商と余りは一意なので、$r=0$、$\Phi_n=h$ である。$\Phi_n$ がモニックであることは定義から明らかである。
3:$d\mid n$ なら $d$ の約数はすべて $n$ の約数なので、1 より
$$ \frac{x^n-1}{x^d-1}=\prod_{e\mid n,\ e\nmid d}\Phi_e(x) $$
である。$d< n$ なら $n\nmid d$ なので右辺には $e=n$ の因子 $\Phi_n(x)$ が現れ、残りの因子の積も 2 により整数係数である。
4:$\zeta\in\mu_n^{*}$ は $|\zeta|=1$ で、$n\ge2$ なので $\zeta\neq1$、したがって実部は $1$ より小さい。よって
$$ |q-\zeta|^2=q^2-2q\operatorname{Re}\zeta+1>q^2-2q+1=(q-1)^2 $$
であり、$|q-\zeta|>q-1\ge1$ である。$\mu_n^{*}$ は少なくとも 1 つの元 $e^{2\pi\sqrt{-1}/n}$ を含むので、これらの積の絶対値 $|\Phi_n(q)|$ は $q-1$ より大きい。

Wedderburn の小定理

有限な斜体は可換であり、したがって有限体である。

類等式と円分多項式の大きさを比べる

$D$ を有限な斜体とし、$Z:=Z(D)$ とおく。prop-dr-centralizer の 2 により $Z$ は有限体なので、その元の個数を $q$($q\ge2$)とする。$D$ は $Z$ の上のベクトル空間なので、thm-dr-dimension の 3 により $|D|=q^n$($n=\dim_ZD$)である。$n=1$ なら $D=Z$ は可換なので、$n\ge2$ と仮定して矛盾を導く。
各 $x\in D$ について $C(x):=C_D(\{x\})$ とおく。prop-dr-centralizer により $C(x)$ は $Z$ を含む斜体であり、$Z$ の上のベクトル空間として $|C(x)|=q^{d(x)}$ と書ける。さらに $D$ は $C(x)$ の上の左ベクトル空間なので、ある $e$ について $q^n=|D|=|C(x)|^e=q^{d(x)e}$ となり、$d(x)\mid n$ である。$x\notin Z$ なら $C(x)\neq D$ なので $d(x)< n$ である。
有限群 $G:=D^\times$ に類等式(共役(群論)の系「類等式」)を当てる。$G$ の元で $G$ のすべての元と交換するものは、$0$ とも交換するので $D$ のすべての元と交換し、$G$ の中心は $Z^\times=Z\setminus\{0\}$ である。また $x\in G$ の $G$ での中心化群は $C(x)^\times$ である。中心に含まれない共役類の代表元を $x_1,\dots,x_r$ とし、$d_i:=d(x_i)$ とおくと、
$$ q^n-1=(q-1)+\sum_{i=1}^r\frac{q^n-1}{q^{d_i}-1},\qquad d_i\mid n,\quad d_i< n $$
が成り立つ。lem-dr-cyclotomic の 1 と 3 に $x=q$ を代入すると、整数 $\Phi_n(q)$ は $q^n-1$ を割り切り、各 $(q^n-1)/(q^{d_i}-1)$ も割り切る。したがって $\Phi_n(q)$ は $q-1$ を割り切る。$q-1\ge1$ なので $|\Phi_n(q)|\le q-1$ でなければならないが、これは lem-dr-cyclotomic の 4 に反する。よって $n=1$ であり、$D$ は可換である。

この定理から、$1\neq0$ で $0$ でない零因子をもたない有限環は体であることが従う(体の注意「非可換の場合」は、そのような環が斜体であることまでを示している)。

外す条件反例成り立たなくなること
有限である$\mathbb{H}$斜体だが可換でない(thm-dr-wedderburn)
$0$ でない元が可逆$\mathbb{F}_2$ 上の $M_2(\mathbb{F}_2)$有限な環だが可換でない($E_{12}E_{21}\neq E_{21}E_{12}$)
係数が斜体$\mathbb{Z}$ 加群 $\mathbb{Z}$ の生成系 $\{2,3\}$生成系から基底を選べない($3\cdot2-2\cdot3=0$ で、どちらか一方では生成しない)(thm-dr-dimension)
左イデアルが $0$ と全体だけ$M_2(k)$両側イデアルは $0$ と全体だけだが斜体でない(prop-dr-characterization)

補足

射影平面の座標

斜体 $D$ の上の 3 次元の左ベクトル空間 $D^3$ の 1 次元部分空間を点、2 次元部分空間を直線とみなすと、体の場合と同じ形で射影平面の座標が得られる。Desargues の定理のベクトルによる証明は掛け算の順序の入れ替えを使わないので、斜体を成分にしても成り立つ(Desarguesの定理 の注意「射影平面と斜体」)。一方、Pappus の定理の証明には座標の掛け算の可換性が使われる(Pappusの六角形定理 の注意「座標の掛け算の可換性」)。

文献

斜体の定義と Hamilton の四元数の例は DF04 §7.1(pp. 224–225)にある。Wedderburn の小定理の Witt による証明は DF04 §13.6 Exercise 13(pp. 556–557)に演習の形で概略が示されており、ここでの証明はその筋に沿って、円分多項式の性質と次元の議論を補って組み立てたものである。Voight は四元数環の場合を Voi21 第 3 章の演習 16(p. 44)で扱っている。

関連項目

参考文献

[1]
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, 3rd ed., John Wiley & Sons, 2004, §7.1(division ring の定義と Hamilton の四元数、pp. 224–225)、§13.6 Exercise 13(Wedderburn の定理の Witt による証明の概略、pp. 556–557)
[2]
John Voight, Quaternion Algebras (Graduate Texts in Mathematics 288), 1st ed., Springer, 2021, 第 3 章演習 16(有限体上の四元数環は斜体でない、p. 44)

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