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56 CHAPTER3.THEエ4TH PROBLEM−OF H工LBERT

ドキュメント内 関西学院大学リポジトリ (ページ 58-65)

in apo1ynomia1expressionofプ,and the monomia1( 1… 、)±%斗1ユー1apPears in a po1ynomia1expression ofδ(9)、Sinceδ(9)consists of terms

      ・。b・…・肌b}斗1バ…μ、。。cれ・1/挑    (3.2)

for 1 <づ<ηand

      b1.. b刊 ±.. t・1.. ・帆 ・九十1−1       工1    . 几   1    二じ几V1     μ几  V九十1     っ

we must have cη十1=Z−1and−there exists5such that c、=1and c{=0 for a11乞≠8,for七he1ast term camot cance1withδ(以十1).By comparing the exponents ofエ、in(1)and(2)for乞=5,we have t=亡十1+6,but this is a

COntradiCtiOn.口

   Arguing as in the above1emma,we can prove the fo11owing1emma.

1Lemma3.3.8.W肋伽ηo亡α向㎝50∫Tんeorθm3.3.4フ乞∫αm㎝om乞αl oμんθ

∫・㎜工。αμ肌十。吻η。。ω肋4>0α〃θα・・伽αρ・伽・mlα1θ・岬・・1・η・伽,∈M。

α8㎝θ1θmθ械。ゾRノ伽ηα〉O.

Prooヅ SupPose thatα=0. Since dμη十1does not a.PPear in anyδ(d均)or anyδ(伽),it fo11ows from the equa1i七y

       δ(9几。。切几。。)=1(・。…・肌)㌔肌。。 一1払。。   (3.3)

      十(termS nOt COntaining吻肌十1)

that there exists a monomia1U=z1b1_ 、b几g1c1_蝪十1c・十1吻九十1with

      (ろ。,_,6η,・。ゾ.、,・肌十。)≠(0,_,0,0_,0,1)

in a po1ynomia1expression of m,and the monomia1( 1_ η)亡%十1〜 1切η十1 apPears in a po1ynomia1expression ofδ(り).Since a term in a po王ynomia1 expression ofδ(η)containing dg肌十1is

      ・。b・…・、b}十1ツ。c・…μれ。。c冗・・吻、。。/挑   (3.4)

for 1 〈づ<ηor

      ・。b・…・、bηぺ…・、士眈。・…μれ。几μ、。。c帆・・ 1切、。。,

we must have cn+1=Z_1and there exists5such that c、:1and c{=O for a1い≠8.By comparing the exponents of 、in(3)and(4)for乞=5,

亡=亡十1+6,butthisisacontradiction.口

3.3.D工FFERENnAL−M ODσLE8

57

   Now we give the proof of Theorem3.3.4.

Pヅ。oヅSuppose that Mo=λm1+.一一十λm、.There exists a su舐。ient1y Iarge integer q such that no monomia1ofthe form 1α垢十1切、十1with Z≧g appears in a po1ynomia1expression ofany肌{.Since∂α∈Mo for anyα∈λ,it fo11ows from Lemma3.3.6that Mo contains an e1ement of the form

      m=( 1%十1q+(terms of1ower degree in%斗1))勿れ十1        +(termS nOt COntaining吻n+1).

Then m=α1m1+_十α、肌、for someαづ∈λ.By the choice of g,those termsα〃乞which contribute to prod−uce the term 1㌶斗1吻肌十10f m have 七he coe伍。ien七α{containing the term所砥十1withα>0.By Lemma3.3,7 and Lemma3.3.8app1ied toαづand肌respec七ive1y that the coe伍。ient of

帆十14吻叶1inmisnotequa1to 1.Thisisacontradiction.口

   We obtain the fo11owing counterexamp1es to Prob1em1.1.2by making use of the counterexamp1es to the fourteenth prob1em of Hi1bert given by Freudenburg[8]and Daig1e−Freudenburg[3].

Theorem3.3.9.〃B=ψ,g,8,亡,u,ω16eαρo伽。m乞αZヅ初g㎝ e伽ε

δ∈LNDた(B)6Vδ( )=δ(ひ):0フδ(5)二 3,δ(亡)=ひ35,δ(u)=μ3tαηd δ(り)二π2V2。工θ老M=ΩB/だろθ流e m0仇Zθ加rωα切0肌ω流ηα之刎mZδ一mOdωθ 5主用伽rθ.Tん㎝MO乞 0老α伽伽佃9θ肌erα亡edんm0〃θ.

Theorem3.3.10.〃B=ψ,5,乏,u,り1うθαρo伽0mづαけ伽g㎝d加伽θ

δ∈LNDん(B)6Vδ( ):0,δ(5)= 3,δ(亡)=5,δ(u)=亡フαηdδ(U)=・ 2.工θ古 ハ∫=ΩB/ん6e栃θm0仇iθ加グ切α挽0ηω4流ηα君刎mZδ一m0∂ωθ5かαC切ηθ・r加η M0乞 0亡伽伽妙9θηem考θd0りeザλ.

   We can prove the above theorems in the same fashion as Theorem3.3.4

withth・1・mm・・imi1・・t・L・mm・3.3.6一 i…[8,L・mm・21・・d[9,L・mm・

7.51)and−in each case塙(M)gives the new comterexamp1e to the fourteenth prob1em of Hi1bert.

   As we have seen above,we use the di丑erentia1mod−u1eΩB/いn ord−er to con弓tmct a counterexamp1e to Prob1em1−1.2.Then R:=堆(ΩB/冶)gives a

counterexa㎡p1etothefourteenthprob1emofHi1bert.Wecangivethenatura1

δR−modu1e struc七ure to the d.i丘eren七ia1mod−u1eΩR/た,whereδR∈LND(R)is ind−uced byδ.Then we canprove in the same fashion as above thatΩ月/んgives a counterexamp1e to Prob1emユ.1.2and一理(Ω五/た)gives a counbterexamp1e 七〇thefourteenthprob1e皿。fHi1bert.We can conti㎜ethisprocess in丘nite1y many timeS.

Chapter4

A system ofinfinite1y many

generatOrS

4.1 A simp1i丘。ation of Kurod.a,s counterex−

       amp1e

In[11],Kurod−a showed−the fo11owing counterexamp1e to the fourteenth prob−

1em of Hi1bert.

Theorem4.1.1.〃B=ψ1,_,叫,μ1ゾ、一,%,%十11ろeαρ0切0m乞αZん一 αZgθうmαηd dφηeδ∈LNDん(B)6Vδ(吻)=0αη∂δ(挑)=物2∫oヅα〃1≦

乞≦η,αη∂δ(%十1)= 1…  肌.舳〃05θ仇ατ几≧4、肺θηλ:=Kerδ48ηo舌 伽伽佃9e砒m右θd0ωεヅん。

   In ord−er to prove this theorem,he made use of the fo11owing1emma.

Lem岬a4.1.2.㎜肋伽ηo左励。η3α棚α舳m帥。η3伽肋θαろ。〃θ左んθoヅθm,

伽グθe拙左5αρ08舳e加物erα5㏄ん伽左伽ん一舳6αlg伽αλC㎝右α伽8θ1θ一

mθ舳0μ加∫0rm

      ・。αμれ。ユ4+(加㎜・・ゾ1・ωθグ佃脇〜、。。)

∫oザθαc㍑≧1.

   Kuroda,s construction of the invariant e1ements can be rep1aced−by a more straightforward construction,and according1y the invariant e1emeヰs

aregivenin amoreprecisefom,Weprovethat we cantakeα:1.Name1y,

we prove the fo11owing1

58

4.ユ.

A S工MP∬F工CAnON OF KσRODA 8COσNTEREXAMPLE

59

Theorem4.1.3.〃肋伽ηo亡αれ㎝5㎝dα85u岬切㎝8伽伽αう。りe伽。rθm,

伽た一舳ろαlg伽αλC0枇α伽8θ1θ肌卯30μ加∫0ヅm        舳、。。4+(加㎜・・〃・雌幼冊〜肌十。)

∫oグθαc〃≧1,

Pヅ。oヅIn a subsequent proof,we use the f6110wing resu1t.

I−emma4.1.4.〃B=ん[ 2ゾ.、, η,μ2ゾ..,μη]αη〃θ伽eδ∈LNDん(B)6μ δ(均)=0α〃δ(μゼ)=叫2!oヅθαcんづ。丁加ηKe工δ乞8αん一αZgθ6m gθηem加d〜

・。,_,π、㎝れ2的一・ゴ2μ{(2≦乞,ゴ≦η,1≠ゴ).

   We canprovethis1emmabythesame argument as in[10,Theorem1.21,

   Now,for each monomia1m= 1α1_叫α帆μ1b1_%十1b肌十1,d−e丘ne τ(m)=[㌢1+…十[昔1一(6・十・十6η)1

where we write[α]=max{η∈Z Iη≦α}for anyα∈R.Let∫1,η十1=

1%十1一 2…  〃1and工etノ=;,ゴ=軌2的一句2坊for each pair(乞,ゴ)with 1≦づ,ゴ≦ηand乞≠ゴ・It is easy to see that a11ofプ1、η斗1,叫and∫{,ゴbe1ong七〇 λ=Kerδ.Letλ be theん一suba1gebra generated−by∫1,肌十1,η(1≦1≦η)and

∫ ,ゴ(1≦乞,ゴ≦η,4≠ゴ).Sinceλis factoria11y c1osed in8,i.e.,α=ろ162∈λ with61,62∈B imp1ies61,62∈λ,it su伍。es to show that there exists∫∈

…hth・t∫。,、。。L∫i・・fth・f・・皿

      ・。勾、。。4+バ1(t・・m・・f1・w・・d・g…i・μ、十。)

      二・・4■1(何れ十・乏十(t・・m・・f1・w・・d・g…i・ツ、。。)).

We have

∫。,、。。㌧・。㌦肌。。L佃4■1g、。。乏一1・。・、μ。

        ・(1)^・(・2・・沽・…

十(一1)〉・ぺμ。4

and we construct∫∈λ which,when subtracted−from∫1,、斗14,cance1s the terms in∫1,、十140fdegree<4_1inπ1and produces on1y the.terms ofdegree

≧4_1in 1.Name1y,as the e1ementプ1,、十14_プ,we construct an e1ement in〃。f七he form

  4     4       4−1      乏一2

19れ十1 +9!_1μれ十1   +94_2V肌十1   +・  十90,

60

σHAPTER4.工NF工NITELY−MANY GENERATOR8

where g4∈吋 1,...,叫,μ1ゾ、.,ひ帆]and 1ゼ■1divides every g壱.

   By the d−escend−ing induction on r,we suppose that we obtain an e1ement in〃。f the form

   G、:・。㌦、。。老十9に。μ、。。ゼー1+9ゼー。ツ、。。ゼー2+…十9、ツ、十。「十…十9.

with g{∈ψ1ゾ.., 、,眈,...,g、]and g4−1,..。,g、十1divisib1e by 14■1.We show that G,is mod−i丘ed by an e1ement of〃so that a new g,is divisib1e by

14−1without changing the terms g4_1ゾ..,g、十ユ.Furthermore,we suppose the fo11owing conditions are sa七is丘ed一.

(1)F・・0≦1≦4−1,ifw・w・it・g1一Σゴ州・%・仇,ゴwit川,ゴ∈

     ん[ 2ゾ。., η,g2ゾ..,gη],thenづ十ゴ十2%,ゴ=24.

(2)We haveん{,o=…=11{,{一1=0for0≦づ≦4−1,i.e.,for each

      1〜1q{・ゴ〜,ゴapPearing in g{,we haveゴ≧乞.

 (3)For each monomia1肌=エ1ゴ 2α2_ 几α冊μ1わユ...μ、6冊μ肌十1{with61=酌,ゴ      in%斗1㌦1〜1〜ん{,ゴ,we have

      (i)2τ(m)≧トト3a・dα。ゾ..,α。a…11oddint・g・・sifゴ≡4−1

         (m・d2),

      (ii)2τ(m)≧4一ゴandα2ゾー.,αれare a11even integers ifゴミ4(mod−2)、

In order to improve the term g,in such a way thatん、,o=..一=ん、,4_2=O,we suppose by a d−oubIe induction thatん、,o=_:ん、,ρ_1=0andん、,ρ≠0with

r≦ρ≦4_2.Withthishypothesistakenintoaccount,wedenotethepo1yno−

mia1G,by G、,、.Thebeginningpo1ynomia1for ind−uctionis G乏_2,目=!1,肌十ユゼ,

f・・whi・hgF(一1)4−4(1)・・乞(α・・、μ・)4−4,伽,F(一1)4.{(1)(… 、)4−4,

ん{,ゴ:0(4≠ゴ)a.nd軌,{=4一乞for0≦乞,ゴ≦4_1.One can check easi1y that th・、・b・・・…diti・・・・・…ti・台・df・・G。.。,。.。:∫。,れ。。4.

   We exp1ain the process ofimproving g、.Since g、十1is divisib1e byぺ一1

and

     δ( 。ρμ。q叫、,幽。。「)=・・ρバ,仏。・「δ(ん、,ρ)

     十(terms of degree>ρin 1)十(terms of degree<r in脇十1),

we have

0=δ(G、,ρ)=工・pバ,仏。・「δ(ん、,ρ)

十(terms of degree>ρin 1)十(terms of degree≠r i耳%斗1)

4.ユ.A8工MP∬F工CAT工ON OF KσRODA SσOσNTEREXAMPLE

61

and−henceδ(ん、,ρ):O.Lemma4.1.4imp1ies thatん。,ρis a sum ofpo1ynomia1s of the form

       …あ…・肌d一■九,ゴ〜

      包,ゴ∈{2,_,肌}

with c∈たan−d non−negative integers凶,ち,ゴ.Note that a11of d2,_,dη are odd integers(resp.even integers)if p≡4_1(mod2)(resp.ifρ≡4

(mod−2)).Infact,sincethe contributions ofthe九,ゴto the exponent d2,_,dη are even,the remark fo11ows from the conditions(i)and一(ii)of(3).Now we

・h・・・…y・…fth・・b…p61y・・mi・1…d1・tH一π、,ゴ、{。,...,几}カ,!{・ゴ Then,for each monom三a1m in妬十1「 1ρμ1q・町2d2_ 几dη∬,we have in view

・f(i)・nd(ii)of(3),

・伽・㌧・)一・τ(・)・ ^lll−31㌶:1一^。 ;d2),

where mu1tip1ying山畑 2あ_ 肌dn by any物2坊(づ≠1),μ、十10r 1does not change the va1ue ofτ.Note thaけ≦ρ≦4−2and一七hat ifρ…4−1(mod2),

thenρ≦4−3and hence4一ρ一3≧0.Thus we haveτ(μ!q… 2d2…  、∂れ)≧0 and there exists an e1ement F∈〃。f the form

F一・・。ρ一「∫。,、。。「允,。q2…∫、,。q一・。あ一2q2…・、d一一2%

=・・。ρハ。伽・・μ、。。「・。あ…・、、d・

  十(terms of degree>ρin 1)十(terms of degree<r in%十1),

where g2+_十%=g、,ρ.We can prove that G、,p_FH satisies the same cond−itions as G、,ρdoes except for the conditionん、,ρ≠0but the number of nonzero terms inん、,ρgets sma11er,We prove this be1ow.By repeating this proces§丘nite1y many times,we obtain a new G,satisfying the condition ん、,ρ=O.Further,continuing this process丘nite1y many times,we obtain a modi丘ed G,satisfying the conditionん、,o=…=ん、,4_2=0,i.e、,g,is divisib1e by 14−1.Hence by induction on r,we comp1ete a proof.

   Now we show that G、,ρ_FH satis丘es the same conditions as G。,ρdoes but the number of nonzero monomia1terms inん、,ρbecomes1ess.We have on1y to show that each monomia1in F satis丘es七he cond−itions(!)一(3)since none of%十1, 1andμ1appears in∬and mu1tip1ication of any monomia1in H to a monomia1does not chage the va1ue ofτ.Each nonzero monomia1mF

62       CHAPTER4.工NF工N工TELγMANy.GENERATOR8

in F is of the form

      π

   π・ρ一「(舳。・)「・(・・…舳)「2・・あ一2q2・が一2q¶(凶・)α{(π・2ωβ{

      4=2

withヅ1+ザ2斗andα{十β4=%for乞=2,.、.,η.We choose one岬and

1etω,z1,and zn+1be the exponents of 1,μ1,a.ndμη斗1inη7F respective1y・

Then we have

      ω=ρ一r+ヅ1+2β2+… 十2βn=ρ一ザ2+2β2+… 十2βη,

      Z1=ヅ2+α2+…十αηand Zれ十1=r1.

First we prove mF satis丘es七he cond−i七ions(1)and一(2).Indeed一,we have       zη斗1+ω十2z1=ρ十ヅ1+r2+2(α2+β2)十… 十2(αη十βη)

       =ρ十÷十2g。十…十2q几=叶・十2g、,ρ=24

and一

      ω一z九十!=ρ一(r1+r2)十2(β2+… 十βη)

      二ρ一ヅ十2(β2+…十βη)≧P−r≧0.

   In ord−er to prove that mF sa.tis丘es the cond−ition(3),we consider four

CaSeS

 (a)ρ…4_1(mod−2)and r2=2u+1  (b)ρ≡4_1(mod2)and r2:2伽  (c)・ρ≡4(mod2)and−r2=2刎十1  (d)ρ≡4(mod2)and−r2=2刎,

where u is an integer.We on1y consider the case(a).The remaining cases can be treated in a simi1ar fashion.Then we have

      ω≡4−1−2u−1+2β2+…十2βη≡4 (mod2).

The exponent of each吻(乞≠1)in mF is equa1to2u+1+4−2g乞十2α{.Since each凶is an odd integer by the condition(i)of(3),it is an even integer.In

4.2.

A GENERA∬ZAT∫ON OF THEOREM 4.ユ.3

63

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