二重数(dual number)とは、可換環 $R$ に $\varepsilon^2=0$ をみたす元 $\varepsilon$ を付け加えた環 $R[\varepsilon]=R[x]/(x^2)$ の元 $a+b\varepsilon$ のことで、$\varepsilon$ は「$2$ 乗が無視できる無限小」の代数的なモデルである。体上の $2$ 次元の可換代数は $2$ 次拡大体、$k\times k$、二重数環のちょうど一つに同型で、実数上では複素数・分解型複素数と並ぶ。多項式について $f(a+b\varepsilon)=f(a)+f'(a)b\varepsilon$ が成り立ち、自動微分の原理になる。与えられた準同型を持ち上げる二重数環への準同型は導分と一対一に対応し、接ベクトルや 1 次変形を記述する道具として代数幾何学で使われる。
二重数(dual number)とは、$a+b\varepsilon$($a,b$ は実数など)の形の数で、新しい記号 $\varepsilon$ が $\varepsilon\ne0$、$\varepsilon^2=0$ をみたすものである。複素数 が $i^2=-1$ をみたす $i$ を付け加えて作られるのと同じように、二重数は「$0$ ではないが $2$ 乗すると $0$ になる量」を付け加えて作られる。$\varepsilon$ は「$2$ 乗が無視できるほど小さい量」、すなわち無限小の代数的なモデルである。
この性質から、二重数の計算には微分が自然に現れる。たとえば $(a+b\varepsilon)^3=a^3+3a^2b\varepsilon$ であり、$\varepsilon$ の係数に $x^3$ の導関数 $3x^2$ が出てくる。一般に多項式 $f$ について $f(a+b\varepsilon)=f(a)+f'(a)b\varepsilon$ が成り立ち(thm-dual-numbers-polynomial)、これは数値計算の自動微分の原理になっている。代数学ではこの観察が「二重数への準同型 $=$ 導分」という対応(thm-dual-numbers-derivations)に整理され、代数幾何学では接ベクトルを $\operatorname{Spec}$ の言葉で表す道具になる。
以下、環は単位元をもつ可換環とし、環の準同型は単位元を保つものとする。
$R$ を可換環とする。多項式環 $R[x]$ をイデアル $(x^2)$ で割った剰余環
$$
R[\varepsilon]:=R[x]/(x^2),\qquad \varepsilon:=x\bmod (x^2)
$$
を $R$ 上の 二重数の環(ring of dual numbers)または 二重数環 といい、その元を 二重数 という。双対数、双対数環 ともいう。$R=\mathbb{R}$ のとき $\mathbb{R}[\varepsilon]$ の元を実二重数という。
$R[x]$ の元を $x^2$ で割った余りは $1$ 次以下なので、$R[\varepsilon]$ の各元は $a+b\varepsilon$($a,b\in R$)とただ一通りに書ける。すなわち $R[\varepsilon]$ は $1,\varepsilon$ を基底とする階数 $2$ の自由加群であり、積は
$$
(a+b\varepsilon)(c+d\varepsilon)=ac+(ad+bc)\varepsilon
$$
で与えられる。$a$ を 実部(スカラー部分)、$b$ を 無限小部分 と呼ぶことがある。$\varepsilon\mapsto0$ で定まる全射準同型 $\pi\colon R[\varepsilon]\to R$、$a+b\varepsilon\mapsto a$ はつねに使うので記号を固定しておく。$\pi$ の核は $R\varepsilon$ であり、$(R\varepsilon)^2=0$ である。つまり $R[\varepsilon]$ は $R$ の平方零拡大で、$R\to R[\varepsilon]$ が $\pi$ の切断になっている(分裂している)。
複素共役にならって $\overline{a+b\varepsilon}:=a-b\varepsilon$ とおくと、$(a+b\varepsilon)\overline{(a+b\varepsilon)}=a^2$ である。この「ノルム」は無限小部分を見ないので、二重数の大きさは実部だけで測られる。
$R$ を可換環とする。
要点:$\pi\colon R[\varepsilon]\to R$ が可逆・冪零を保ち、$\varepsilon$ が冪零なので、可逆性・冪零性・素イデアルはすべて実部だけで決まる。
1. $a$ が可逆なら $(a+b\varepsilon)(a^{-1}-a^{-2}b\varepsilon)=1+(-a^{-1}b+a^{-1}b)\varepsilon=1$。逆に $(a+b\varepsilon)(c+d\varepsilon)=1$ なら実部を比べて $ac=1$。
2. $\pi$ は準同型なので冪零元を冪零元に写し、$a+b\varepsilon$ が冪零なら $a$ も冪零。逆に $a$ が冪零なら、$a$ と $b\varepsilon$ は可換な冪零元なので和 $a+b\varepsilon$ も冪零である($a^n=0$ なら $(a+b\varepsilon)^{n+1}$ の二項展開の各項は $a^n$ か $\varepsilon^2$ を因子にもつ)。
3. $\varepsilon^2=0$ なので、どの素イデアル $\mathfrak{P}$ も $\varepsilon$ を含み、$\mathfrak{P}\supset R\varepsilon=\ker\pi$ である。素イデアルの対応は剰余環 $R[\varepsilon]/R\varepsilon\cong R$ の素イデアルとの対応 $\mathfrak{P}\mapsto\pi(\mathfrak{P})$ に帰着し、その逆が $\mathfrak{p}\mapsto\pi^{-1}(\mathfrak{p})=\mathfrak{p}+R\varepsilon$ である。この対応は包含を保つので、閉集合 $V(\cdot)$ どうしも対応し、同相写像になる。
4. $I$ を $0$ でも全体でもないイデアルとする。$I$ は可逆元を含まないので、1 から $I$ の元は $b\varepsilon$ の形である。$b\varepsilon\in I$、$b\ne0$ なら $\varepsilon=b^{-1}(b\varepsilon)\in I$ で、$I=k\varepsilon$ となる。$k\varepsilon$ はただ一つの極大イデアルで、3 から素イデアルもこれだけなので Krull 次元は $0$。$\varepsilon\ne0$ は冪零なので被約でなく、$\varepsilon\cdot\varepsilon=0$ なので整域でない。$\square$
体 $k$ 上の二重数環は、正則局所環 にならない最も簡単な局所環でもある。$\mathfrak{m}=k\varepsilon$ について $\mathfrak{m}^2=0$ なので $\mathfrak{m}/\mathfrak{m}^2=k\varepsilon$ は $1$ 次元だが、$\dim k[\varepsilon]=0$ である(正則局所環 の例「反例:2 直線の交わる点の局所環」の後半)。幾何学的には、$\operatorname{Spec}k[\varepsilon]$ は $1$ 点だけからなるが、その点に「長さ $1$ の向き」が付いた 太った点 である。
実数の上の $2$ 次元の「数の体系」は、$i^2=-1$、$j^2=1$、$\varepsilon^2=0$ の $3$ 通りしかない。これは体の上の一般的な分類定理の特別な場合である。
$k$ を体、$A$ を $k$ 上 $2$ 次元の可換な $k$ 代数とする。このとき $1$ 変数のモニックな $2$ 次多項式 $f\in k[T]$ があって $A\cong k[T]/(f)$ であり、$A$ は次のちょうど一つに同型である。
$\dim_kA=2>0$ なので $A\ne0$ で、$k\to A$、$\lambda\mapsto\lambda\cdot1$ は単射である。$x\in A$ を $k\cdot1$ に入らない元とすると、$1,x$ は一次独立だから $A$ の基底である。したがって $x^2=px+q$ をみたす $p,q\in k$ がただ一組あり、$f(T):=T^2-pT-q$ とおく。$k$ 代数の準同型 $k[T]\to A$、$T\mapsto x$ は像が基底 $1,x$ を含むので全射で、$f$ を $0$ に写す。よって全射 $k[T]/(f)\to A$ が得られ、両辺とも $k$ 上 $2$ 次元なので同型である。
$f$ の根の様子で場合を分ける。
$\mathbb{R}\times\mathbb{R}$ は $j:=(1,-1)$ とおくと $j^2=1$ をみたし、$\mathbb{R}[j]/(j^2-1)$ と書ける(分解型複素数・双曲数と呼ばれる)。$3$ つの体系は、共役($i$、$j$、$\varepsilon$ の係数の符号を変えたもの)との積 $z\bar z$ が $1$ になる数を掛けたときの平面の変換で見分けられる。
| 体系 | 関係式 | 「単位」の元 | 掛け算が表す平面の変換 |
|---|---|---|---|
| $\mathbb{C}$ | $i^2=-1$ | $\cos\theta+i\sin\theta$ | 回転 |
| $\mathbb{R}\times\mathbb{R}$ | $j^2=1$ | $\cosh s+j\sinh s$ | 双曲回転(Lorentz 変換の形) |
| $\mathbb{R}[\varepsilon]$ | $\varepsilon^2=0$ | $1+\theta\varepsilon$ | ずれ $(a,b)\mapsto(a,b+\theta a)$ |
最後の行は $(1+\theta\varepsilon)(a+b\varepsilon)=a+(b+\theta a)\varepsilon$ から分かる。$a$ を時刻、$b$ を位置と読むと、これは等速運動する観測者への座標変換(Galilei 変換)$(t,x)\mapsto(t,x+vt)$ の形である。
体の標数が $2$ でなければ平方完成によって $f=T^2-D$ の形にでき、$D$ が $0$ でない平方数、$0$、平方数でない、に応じて上の 2・3・1 になる。標数 $2$ では平方完成ができないが、上の証明は根の様子だけを使うのでそのまま通る(たとえば $\mathbb{F}_2[T]/(T^2+T+1)\cong\mathbb{F}_4$、$\mathbb{F}_2[T]/(T^2+1)\cong\mathbb{F}_2[\varepsilon]$)。
$R$ を可換環、$f(x)=\sum_{n=0}^{N}c_nx^n\in R[x]$ とし、$f'(x)=\sum_{n=1}^{N}nc_nx^{n-1}$ をその形式的な導関数とする。任意の $a,b\in R$ について
$$
f(a+b\varepsilon)=f(a)+f'(a)\,b\,\varepsilon .
$$
両辺とも $f$ について $R$ 線形なので、$f=x^n$ のときに示せばよい。$n=0$ では両辺とも $1$ である。$n\ge1$ では二項定理により
$$
(a+b\varepsilon)^n=\sum_{j=0}^{n}\binom{n}{j}a^{n-j}b^j\varepsilon^j=a^n+na^{n-1}b\,\varepsilon
$$
である。$j\ge2$ の項は $\varepsilon^j=0$ により消える。右辺は $f(a)+f'(a)b\varepsilon$ の $f=x^n$ の場合にほかならない。$\square$
この定理は、無限小部分が「$1$ 次の変化」をちょうど記録することを述べている。$\varepsilon^2=0$ が $2$ 次以上の項をすべて捨てるので、Taylorの定理 の $1$ 次の近似が、近似ではなく等式として成り立つ。分母が可逆な有理式でも同じで、$g(a)$ が $R$ の可逆元なら、prop-dual-numbers-basic の 1 の逆元の公式から
$$
\frac{f}{g}(a+b\varepsilon)=\frac{f(a)+f'(a)b\varepsilon}{g(a)+g'(a)b\varepsilon}=\frac{f(a)}{g(a)}+\frac{f'(a)g(a)-f(a)g'(a)}{g(a)^2}\,b\,\varepsilon
$$
となり、商の微分公式が計算だけから出てくる。
$f(x)=x^3-2x$ の $x=2$ での値と微分係数を同時に求める。$\mathbb{R}[\varepsilon]$ で $2+\varepsilon$ を代入すると
$$
(2+\varepsilon)^3-2(2+\varepsilon)=(8+12\varepsilon)-(4+2\varepsilon)=4+10\varepsilon
$$
なので $f(2)=4$、$f'(2)=10$ である(実際 $f'(x)=3x^2-2$)。計算機では、実数の組 $(a,b)$ に上の積を入れた型を用意し、$x=a+\varepsilon$ から出発して四則演算を順に行えば、最後の無限小部分が導関数の値になる。
多項式でない関数 $g$(微分可能な実関数)は、$g(a+b\varepsilon):=g(a)+g'(a)b\varepsilon$ と 定義して 二重数に延長する。この定義は合成と両立する:
$$
g\bigl(h(a+b\varepsilon)\bigr)=g\bigl(h(a)+h'(a)b\varepsilon\bigr)=g(h(a))+g'(h(a))h'(a)\,b\,\varepsilon
$$
であり、これは $g\circ h$ を直接延長したものと一致する(連鎖律 そのものである)。たとえば $\sin\bigl((a+\varepsilon)^2\bigr)=\sin(a^2+2a\varepsilon)=\sin a^2+2a\cos(a^2)\,\varepsilon$ となる。
$N=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix}$ とおくと $N^2=0$ なので、$a+b\varepsilon\mapsto aI+bN=\begin{pmatrix}a&b\\0&a\end{pmatrix}$ は $R[\varepsilon]$ から $2$ 次正方行列の環への単射な環準同型である。thm-dual-numbers-polynomial は、Jordan標準形 の $2$ 次の Jordan ブロックに多項式を施す公式
$$
f\begin{pmatrix}a&1\\0&a\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}f(a)&f'(a)\\0&f(a)\end{pmatrix}
$$
と同じものである。
二重数の値をもつ準同型は、微分の代数的な形である 導分 とちょうど対応する。これが二重数を代数学・代数幾何学で使う理由である。
$R$ を可換環、$A$、$B$ を可換な $R$ 代数、$\varphi\colon A\to B$ を $R$ 代数の準同型とし、$B$ を $\varphi$ によって $A$ 加群とみる。$R$ 線形写像 $D\colon A\to B$ で
$$
D(aa')=\varphi(a)D(a')+\varphi(a')D(a)\qquad(a,a'\in A)
$$
をみたすものを $\varphi$ に沿う $R$ 導分といい、その全体を $\operatorname{Der}_R(A,B)$ と書く。$B$ 上の二重数環 $B[\varepsilon]$ は $R$ 代数であり、$\pi\colon B[\varepsilon]\to B$ は $\varepsilon\mapsto0$ である。
上の設定で、$D\in\operatorname{Der}_R(A,B)$ に
$$
\psi_D\colon A\to B[\varepsilon],\qquad \psi_D(a)=\varphi(a)+D(a)\,\varepsilon
$$
を対応させる写像は、$\operatorname{Der}_R(A,B)$ から「$R$ 代数の準同型 $\psi\colon A\to B[\varepsilon]$ で $\pi\circ\psi=\varphi$ をみたすもの」全体への全単射である。
$$
\xymatrix{
& B[\varepsilon] \ar[d]^{\pi} \\
A \ar[ur]^{\psi_D} \ar[r]_{\varphi} & B
}
$$
$B[\varepsilon]=B\oplus B\varepsilon$ と $R$ 加群として分解する。$R$ 線形写像 $\psi\colon A\to B[\varepsilon]$ で $\pi\circ\psi=\varphi$ をみたすものは、$R$ 線形写像 $D\colon A\to B$ によって $\psi(a)=\varphi(a)+D(a)\varepsilon$ とただ一通りに書ける。この $\psi$ が $R$ 代数の準同型になる条件を $D$ の言葉で書き直す。
積。 $\varphi$ は積を保つので、
$$
\psi(a)\psi(a')=\varphi(a)\varphi(a')+\bigl(\varphi(a)D(a')+\varphi(a')D(a)\bigr)\varepsilon,\qquad \psi(aa')=\varphi(aa')+D(aa')\varepsilon
$$
の実部はつねに一致し、無限小部分が一致することは $D$ の Leibniz 則そのものである。
単位元と $R$ の作用。 Leibniz 則から $D(1)=D(1\cdot1)=2D(1)$、すなわち $D(1)=0$ であり、$R$ 線形性と合わせて $D(r\cdot1)=rD(1)=0$($r\in R$)である。よって $\psi_D(r\cdot1)=r\cdot1$ となり、$\psi_D$ は単位元を保つ $R$ 代数の準同型である。逆に $\psi$ が $R$ 代数の準同型なら、上の積の比較から $D$ は Leibniz 則をみたし、$D\in\operatorname{Der}_R(A,B)$ である。
以上で $D\mapsto\psi_D$ が全単射であることが示された。逆写像は $\psi\mapsto$($\psi$ の無限小部分)である。$\square$
この定理は、可換環 $A$ の $A$ 加群 $M$ による自明な平方零拡大 $A\oplus M$($M^2=0$)への持ち上げが $M$ への導分と対応するという一般的な事実の、$M=B$ の場合である(Mat89 §25、p. 191)。$\operatorname{Der}_R(A,B)$ はさらに Kähler微分 の加群 $\Omega_{A/R}$ からの $A$ 線形写像と対応する。
$R$ を可換環、$B$ を可換な $R$ 代数とする。
要点:$x_i\mapsto a_i+b_i\varepsilon$ の無限小部分は $x_i$ で $b_i$ をとる導分で、生成元での値が同じ導分は一致する。
1. 多項式環の普遍性から $R$ 代数の準同型 $\psi\colon R[x_1,\dots,x_n]\to B[\varepsilon]$、$x_i\mapsto a_i+b_i\varepsilon$ があり、$\pi\circ\psi$ は代入 $\mathrm{ev}_a\colon F\mapsto F(a)$ に一致する(生成元で一致するから)。thm-dual-numbers-derivations により $\psi=\mathrm{ev}_a+D\varepsilon$、$D\in\operatorname{Der}_R(R[x],B)$、$D(x_i)=b_i$ と書ける。一方 $D'(F):=\sum_ib_i\,\partial F/\partial x_i(a)$ も $\mathrm{ev}_a$ に沿う $R$ 導分である(形式的偏微分の積の公式に $\mathrm{ev}_a$ を施す)。$D-D'$ は導分で $x_i$ をすべて $0$ に写すので、Leibniz 則と単項式の次数についての帰納法から、すべての単項式を $0$ に写し、$R$ 線形性から $D=D'$。よって $\psi(F)=F(a)+D'(F)\varepsilon$ であり、これが 1 の式である。
2. $A$ からの準同型 $\psi$ は、$R[x]$ からの準同型で $F_1,\dots,F_r$ を $0$ に写すものと一対一に対応する。$\pi\circ\psi=\varphi$ は $\psi(\bar x_i)=a_i+b_i\varepsilon$ の形であることと同値で、1 から $\psi(F_j)=F_j(a)+\sum_i\partial_iF_j(a)b_i\varepsilon=\sum_i\partial_iF_j(a)b_i\varepsilon$ である。これが $0$ になる条件が方程式である。$\square$
$B=k$ が体のとき、2 は $\operatorname{Spec}A$ の有理点 $a$ における接ベクトルを Jacobi 行列の核として求める公式になる(接ベクトル の命題「双対数による接ベクトルの計算」)。一般のスキームについても、$k$ 上のスキーム $X$ の $k$ 有理点での Zariski接空間 は、$\operatorname{Spec}k[\varepsilon]$ から $X$ への射でその点を通るものの全体と同一視される(Zariski接空間 の定理「接ベクトルと双対数に値をとる点」、Vak25 Exercise 13.1.G、p. 363)。$\operatorname{Spec}k[\varepsilon]$ を「点とそこでの無限小の向き」とみる見方は、点を高次の無限小近傍に広げると 接錐 に、部分スキームに沿って広げると 法錐 につながる。また、スキームを $k[\varepsilon]$ 上の平坦な族に延ばすことが 変形理論 の 1 次変形であり、$k[\varepsilon]$ 上の加群の平坦性は同記事の補題「双対数の環上の平坦性」で判定できる(Vak25 Exercise 24.3.D、p. 697 も参照)。
二重数環は、可換環論の多くの条件を「ぎりぎりで」破る例として使われる。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| thm-dual-numbers-classification の「$k$ は体」 | $\mathbb{Z}$ 上の階数 $2$ の自由な代数 $\mathbb{Z}[x]/(x^2-4)$ | 整域でも、$\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}$ とも、$\mathbb{Z}[\varepsilon]$ とも同型でなく、3 通りの分類が成り立たない |
| thm-dual-numbers-classification の「$2$ 次元」 | $3$ 次元の $k[x]/(x^3)$ と $k[x,y]/(x,y)^2$ | どちらも冪零元をもつ局所環だが互いに同型でなく、冪零元をもつ型が一つに決まらない |
| thm-dual-numbers-polynomial の「$\varepsilon^2=0$」($\varepsilon^3=0$、$\varepsilon^2\ne0$ に弱める) | $R[x]/(x^3)$ で $f=x^2$、$a=0$、$b=1$ | $f(\varepsilon)=\varepsilon^2\ne0=f(0)+f'(0)\varepsilon$ となり、$1$ 次の公式が成り立たない |
| thm-dual-numbers-derivations の「$\varepsilon^2=0$」($\varepsilon^2=1$ に替える) | $A=\mathbb{R}[t]$、$B=\mathbb{R}$、$\varphi(t)=0$、$D(g)=g'(0)$、$\mathbb{R}[\varepsilon]$ の代わりに $\mathbb{R}[x]/(x^2-1)$ | $\psi=\varphi+Dx$ は積を保たず、導分が準同型に対応しない |
1 行目:$1,x$ が基底。$(x-2)(x+2)=0$、$x\pm2\ne0$ なので整域でない。$e=a+bx$ が冪等なら $e^2=(a^2+4b^2)+2abx=e$ から $b(2a-1)=0$、$\mathbb{Z}$ では $2a\ne1$ なので $b=0$、$a\in\{0,1\}$。冪等元が $0,1$ だけなので $\mathbb{Z}\times\mathbb{Z}$ と同型でない。$(a+bx)^2=0$ なら $2ab=0$ かつ $a^2+4b^2=0$ で $a=b=0$。$0$ でない元で平方が $0$ になるもの($\mathbb{Z}[\varepsilon]$ の $\varepsilon$ の行き先)がないので、$\mathbb{Z}[\varepsilon]$ と同型でない。
2 行目:$\mathfrak{m}=(x)$ では $\mathfrak{m}^2=(x^2)\ne0$、$\mathfrak{m}=(x,y)$ では $\mathfrak{m}^2=0$。局所環の同型は極大イデアルを保つので、同型でない。
4 行目:$\psi(t)=x$ なので $\psi(t)^2=x^2=1$、一方 $\psi(t^2)=\varphi(t^2)+D(t^2)x=0+0=0$。
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