二次体

二次体 (にじたい、) は、有理数体上、2次の代数体のことである。任意の二次体は、平方因子を含まない 0, 1 以外の整数 d を用いて、 と表現される。もし、d > 0 である場合、実二次体 (real quadratic field)、d < 0 の場合、虚二次体 (imaginary quadratic field) という。

 性質 
 体論・環論 
任意の二次体は、ガロア拡大体であり、ガロア群は巡回群となる。
その整数環がノルムユークリッド整域となる二次体  は、d = −11, −7, −3, −2, −1, 2, 3, 5, 6, 7, 11, 13, 17, 19, 21, 29, 33, 37, 41, 57, 73 だけである。
その整数環が一意分解整域となる虚二次体  は、d = −1, −2, −3, −7, −11, −19, −43, −67, −163 だけである。
任意の二次体 K に対して、有理素数有理整数である素数のこと。 p は、以下のいずれかを満たす。
 ( は、相異なる K の素イデアル)。　(このとき、p は、K で完全分解であるという。)
 ( は、K の素イデアル)。　(このとき、p は、K で不分解であるという。)
 は、K の素イデアルである。　(このとき、p は、K で不分岐であるという。)

 二次体の判別式 
二次体  の判別式を D としたとき、

従って、d ≡ 1 (mod 4) のときは、、それ以外のときは、 が、 の整基底となる。

 二次体の単数 
EK を、二次体  の単数群としたとき、
d = − 1 のとき：EK = { ± 1, ± i } 。
d = −3 のとき：EK = { ± 1, ± ω, ± ω2 } 　(ω = (− 1 + √)/2) 。
d < 0 かつ、d ≠ − 1, − 3 のとき：EK = { ± 1 } 。
d > 0 のとき： 　(ε0 は基本単数)。

D を、二次体  の判別式とし、自然数 x*, y* を、
x2 − Dy2 = ± 4x2 − Dy2 = − 4 に有理整数解を持たない場合に限り、x*, y* を x2 − Dy2 = 4 の解として選ぶ。平方因子を持たない0, 1 以外の整数 a および、c = ± 1, ± 4 に対して、x2 − ay2 = c の形の不定方程式をペル方程式という。の最小の有理整数解としたとき、(x* + y*√)/2 は、K の基本単数である。

 に対する基本単数
d2356710111314基本単数         

 二次体と円分体 
任意の二次体 K に対して、ある整数 n が存在して、  。ここで、 は、1 の原始 n 乗根であるn として、K の判別式の絶対値とすると、このことが成立する。。
特に、n = 2q (q ≥ 3) とすれば、円分体  には、 が含まれる。
上記のことは、クロネッカー＝ウェーバーの定理の特別な場合である。さらに、基礎体を有理数体ではなく、虚二次体にしたときに同様なことが言えるかを問うたのが、クロネッカーの青春の夢(の特別な場合)である。

 二次体と初等整数論 
二次体と初等整数論との関係を述べる。

 平方剰余の相互法則 
 をルジャンドル記号とすると、次が成立する。

平方因子を持たない素数 a と、2a と互いに素な素数 p に対して、
   は、 上で、相異なる2つの素イデアルの積で表される。

このことから、二次体上で、どの様な素数が2つの素イデアルで分解されるかを考察することで、平方剰余の相互法則、第1補充法則、第2補充法則を示すことができる。

 二次形式 
有理整数係数の二元二次形式の類数を H(D) (D は、二次形式の判別式) とし、
二次体  の(代数体としての)類数を、hK とすると、H(D) = hK である。つまり、有理整数係数の二元二次形式の類と、二次形式の判別式で作られる二次体のイデアル類とは、一対一の対応を付けることができる。

 二次体の類数 
 ディリクレの類数公式 
二次体 K の判別式を D とし、χ を  に対するクロネッカーの指標 をクロネッカーの記号としたとき、 で与えられるディリクレ指標のことを、クロネッカーの指標という。とする。K に対する ディリクレの L 関数を用いて、K の類数 hK は

で与えられる。ただし、κ は、

で与えられる 0 でない実数である。ここで、w は、K に含まれる 1 のベキ根の数、ε0 は、K の基本単数とする。

さらに上式は、以下の形で有限和の形で表現することが可能である。

K が実二次体のとき
.
K が虚二次体のとき
.

ただし、ε0 は、K の基本単数、d = |D|、w は、K に含まれる 1 のベキ根の数とする。

これらの式を総称してディリクレの類数公式L関数を用いない式に対して、ディリクレの類数公式ということもある。という。

類数を表す式は、他にも、デデキントのゼータ関数の  での留数で表現するものも知られている。

 を、二次体 K のデデキントのゼータ関数とすると、以下の式が成立する。
。
ただし、κ は、上記、ディリクレの類数公式で与えられた κ である。

 類数に関するガウスの予想 

ガウスは、二元二次形式の研究により、二次形式の類数について、いくつかの予想を残している。今日、これらを総称して、類数に関するガウスの予想という。特に、予想4 のことをガウスの予想とすることも多い。
ここでは、ガウスが挙げた予想について、二次体での言葉に翻訳して述べる。

K を二次体とし、DK, hK を K の判別式、類数としたとき、 ならば、 である。
類数が 1 である実二次体は、無限に存在する。
与えられた自然数 k に対して、類数が k である虚二次体は有限個しか存在しない。
類数が 1 である虚二次体  は、d が以下の場合に限る。
1, 2, 3, 7, 11, 19, 43, 67, 163.

予想 1 について。

予想が成立することは、1934年にハイルブロン (H. Heilbronn) が証明し、ジーゲル (C. L. Siegel) により、類数の増大度について、以下の様な結果が得られた。
。

予想 2 について。

現在でも、この予想が成立するか否かは不明である。もっと一般に、類数が 1 である代数体が無限に存在するかも分かっていない。

予想 3 について。

1973年に、ザギエ (D. Zagier) とグロス (B. Gross) によって、予想が成り立つことが証明された。

予想 4 について。

この予想は、まず、ヘーグナー (K. Heegner) によって、この予想が成立することが証明されたが、彼の証明には、不備があり、その誤りが訂正されたのは1968年である。そのため、この予想を最初に証明したのは、ベイカー (A. Baker) とスターク (H. M. Stark) であるとされる。(1966年の証明)

その後、類数が 2 である虚二次体 がベイカーとスタークにより解決され、現在までに、類数が100以下の虚二次体が決定している。

 注釈 

 参考文献 

 外部リンク 
 (類数が 25 以下の虚二次体のリストアップされている。しかし、d が二次体の判別式であることに注意)
List of Class Numbers (d < 1000 の虚二次体の類数のリスト)

 関連項目 
二次形式
代数体
円分体
ガロア拡大での素イデアルの分解

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Category:数学に関する記事