有限次元ベクトル空間には基底があり、次元だけで分類できます。可換群では整数倍しか許されないため、有限位数の成分が残ります。Smith標準形は整数行列を「整数上で許される行基本変形」により対角化し、有限生成可換群を巡回群の直積へ分解します。
このページは加法記法を使います。
$$
\mathbb Z^r=\{(a_1,\ldots,a_r)\mid a_i\in\mathbb Z\}
$$
を階数 $r$ の自由可換群という。可換群 $A$ が有限生成可換群|有限生成であるとは、ある $a_1,\ldots,a_r\in A$ により
$$
A=\mathbb Za_1+\cdots+\mathbb Za_r
$$
と書けることをいう。
生成元を選ぶと全射
$$
\pi:\mathbb Z^r\to A,\qquad
(n_1,\ldots,n_r)\mapsto\sum n_ia_i
$$
を得ます。核 $R$ は生成元間の関係式全体で、第一同型定理から
$$A\cong\mathbb Z^r/R.$$
$\mathbb Z^r$ の任意の部分群は有限生成である。
$r$ に関する帰納法を使う。$r=0$ は明らか。$R\le\mathbb Z^r$ を最後の座標へ射影すると、その像は $\mathbb Z$ の部分群なので $d\mathbb Z$ と書ける。
$d=0$ なら $R\subset\mathbb Z^{r-1}\times\{0\}$ で、帰納法から有限生成。$d>0$ なら、最後の座標が $d$ である $v\in R$ を一つ取る。射影の核
$$
K=R\cap(\mathbb Z^{r-1}\times\{0\})
$$
は帰納法により有限個 $k_1,\ldots,k_s$ で生成される。任意の $x\in R$ の最後の座標は $qd$ と書け、$x-qv\in K$。従って
$$
R=\langle k_1,\ldots,k_s,v\rangle.
$$
□
この補題により $R$ の有限生成元を列に並べた整数行列 $M$ が存在して
$$A\cong\mathbb Z^r/\operatorname{im}M$$
と書けます。
行列式が $\pm1$ の整数正方行列をunimodular行列といいます。逆行列も整数行列です。行または列について
任意の整数 $m\times n$ 行列 $M$ に対し、unimodular行列 $U,V$ が存在して
$$
UMV=\operatorname{diag}(d_1,\ldots,d_t,0,\ldots,0),
$$
ただし
$$
d_i>0,\qquad d_1\mid d_2\mid\cdots\mid d_t.
$$
非零対角成分 $d_i$ は一意である。
$M=0$ なら終わり。非零なら行・列交換と符号変更で正の非零成分を $(1,1)$ へ移す。その値を $d$ とする。
第一列の成分 $a$ を $a=qd+r$、$0\le r< d$ と除法する。対応する行から第一行の $q$ 倍を引けば、その成分を $r$ にできる。$r\ne0$ なら行交換により $(1,1)$ の正の値をより小さくできる。同じ操作を第一行の列成分にも行う。正整数は無限に減少しないので、有限回後に $(1,1)$ 成分 $d_1$ が第一行・第一列の全成分を割る。整数倍を引いて第一行・第一列を
$$
\begin{pmatrix}
d_1&0\\
0&M_1
\end{pmatrix}
$$
の形にする。
もし $d_1$ が $M_1$ の成分 $a$ を割らなければ、その成分を含む行を第一行へ加える。第一行には $d_1$ と $a$ が現れ、Euclidの互除法に対応する列操作により $(1,1)$ 成分を $\gcd(d_1,a)< d_1$ にできる。これは上の減少過程が終了したことに反する。従って $d_1$ は $M_1$ の全成分を割る。
$M_1$ に同じ操作を帰納的に施すと対角形を得る。$d_1$ が $M_1$ の全成分を割るため、次の非零対角成分 $d_2$ も $d_1$ の倍数。以下同様に divisibility chain が得られる。
一意性を示す。$\Delta_k(M)$ を全 $k\times k$ 小行列式の最大公約数(全部0なら0)とする。整数基本変形後の各小行列式は元の小行列式の整数線形結合であり、逆変形も整数基本変形なので $\Delta_k$ は不変。Smith形では divisibility chain により
$$
\Delta_k=d_1d_2\cdots d_k.
$$
従って
$$
d_1=\Delta_1,\qquad
d_k=\Delta_k/\Delta_{k-1}
$$
で各 $d_k$ が決まり、一意。□
任意の有限生成可換群 $A$ は
$$
A\cong
\mathbb Z^s\oplus
\mathbb Z/d_1\mathbb Z\oplus\cdots\oplus
\mathbb Z/d_t\mathbb Z
$$
と書ける。ここで
$$
1< d_1\mid d_2\mid\cdots\mid d_t.
$$
$s$ と $d_1,\ldots,d_t$ は $A$ から一意に決まる。
$A\cong\mathbb Z^r/\operatorname{im}M$ と表示する。Smith標準形を取り、基底変更で
$$
M=\operatorname{diag}(d_1,\ldots,d_t,0,\ldots,0)
$$
としてよい。商では最初の $t$ 個の基底元に関係式 $d_ie_i=0$ が課され、残りには関係がない。従って
$$
A\cong\bigoplus_{i=1}^t\mathbb Z/d_i\mathbb Z
\oplus\mathbb Z^{r-t}.
$$
$d_i=1$ の因子は自明群なので除く。
一意性を群そのものから示します。有限位数元全体
$$
T(A)=\{a\in A:na=0\text{ となる }n\ge1\text{ がある}\}
$$
は部分群で、上の分解では有限巡回因子の直和そのものです。従って $A/T(A)\cong\mathbb Z^s$。さらに
$$
(A/T(A))/p(A/T(A))\cong(\mathbb Z/p\mathbb Z)^s
$$
なので、$s$ はこの $\mathbb F_p$ ベクトル空間の次元として $A$ だけから決まります。
次に各素数 $p$ と $k\ge1$ に対し
$$
T(A)[p^k]=\{a\in T(A):p^ka=0\}
$$
を考えます。$d_i$ の $p$ 進指数を $v_p(d_i)$ とすると
$$
|T(A)[p^k]|
=p^{\sum_i\min(k,v_p(d_i))}.
$$
よって
$$
b_{p,k}
=\log_p|T(A)[p^k]|-\log_p|T(A)[p^{k-1}]|
$$
は、$p^k$ が $d_i$ を割るような添字 $i$ の個数です。したがって全 $b_{p,k}$ から $v_p(d_i)$ の多重集合が復元できます。
各素数について指数を小さい順に並べ、因子数が足りないときは先頭を指数0で補います。条件 $d_1\mid\cdots\mid d_t$ により、同じ位置の素数冪を掛け合わせるしかなく、各 $d_i$ が一意に復元されます。従って $s$ と $d_1,\ldots,d_t$ は $A$ から一意に決まります。□
自由階数 $s$ は、$A$ の中で整数係数について独立な無限位数元の最大個数としても特徴づけられます。上の証明ではテンソル積を使わず、有限群 $A/pA$ の次元と $p^k$ 倍で消える元の個数だけで一意性を読み取りました。
関係式
$$
2x+4y=0,\qquad 6x+8y=0
$$
で生成される群を考えます。表示行列は
$$
M=\begin{pmatrix}2&4\\6&8\end{pmatrix}.
$$
第一列の3倍を第二行から引くと
$$
\begin{pmatrix}2&4\\0&-4\end{pmatrix},
$$
第一列の2倍を第二列から引くと
$$
\begin{pmatrix}2&0\\0&-4\end{pmatrix}.
$$
符号を変えてSmith形 $\operatorname{diag}(2,4)$。従って
$$
A\cong\mathbb Z/2\mathbb Z\oplus\mathbb Z/4\mathbb Z.
$$
$$
A=\langle x,y\mid 6x+9y=0\rangle
$$
を巡回群と自由群の直和へ分解せよ。
表示行列は列ベクトル $(6,9)^T$。Euclidの互除法によるunimodular行操作で $(3,0)^T$ へ変形できる。したがって一方の基底元に関係式 $3e_1=0$ があり、もう一方は自由:
$$
A\cong\mathbb Z/3\mathbb Z\oplus\mathbb Z.
$$
□
位数 $72=2^3\cdot3^2$ の有限可換群を、同型を除いてすべて列挙せよ。
$2^3$ 部分は
$$C_8,\quad C_4\oplus C_2,\quad C_2^3,$$
$3^2$ 部分は
$$C_9,\quad C_3^2.$$
異なる素数部分は直積し、各選択は一意なので、組合せは $3\cdot2=6$ 個:
$$
C_8\oplus C_9,\ C_8\oplus C_3^2,
$$
$$
C_4\oplus C_2\oplus C_9,\
C_4\oplus C_2\oplus C_3^2,
$$
$$
C_2^3\oplus C_9,\
C_2^3\oplus C_3^2.
$$
□
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