修士学位論文

(1)

修士学位論文

題名

Jakubec-Hirabayashi 型行列式の一般化

指導教授津村博文教授

平成 29 年 1 月 1 0 日提出

首都大学東京大学院

理工学研究科数理情報科学専攻学修番号 15878304

氏名岩波祥平

(2)

学位論文要旨

(

修士

(

理学

))

数理情報科学専攻15878304 論文著者名岩波祥平論文題名：Jakubec-Hirabayashi型行列式の一般化

虚Abel体の相対類数の行列式表示の研究において, 2009^年にJakubec^は奇素数 p^に対し以下の関係式を示した([4]).

det

([(p−a)(p−b) p

])

1≤a,b≤(p−1)/2

=± h⁻_p. (1)

ここで実数xに対し[x]はxの整数部分, h⁻_p はQ(ζp)の相対類数である.

この関係式は 2015 年に Hirabayashiによって一般の円分体へ拡張されている ([3]).

f ≥3を自然数(ただしf ̸≡ 2 (mod 4)), L= Q(ζ_f)とする. X_L⁻ はLのDirichlet指標 (すなわちf を法とするDirichlet指標)の奇指標全体の集合とし,これら指標は常に原始的であるとする. gL を以下で定める:

g_L= ∏

χ∈X_L⁻

∏

p|f p:prime

(1−χ(p)).

さらにf に対しδ1 とδ2 をそれぞれ次のように定める:

δ₁ =♯{a∈Z: 1≤a≤[f /2], (a, f) = 1, a² ≡ −1 (mod f)},

δ2 =♯{(a, b)∈Z×Z: 1≤a < b≤[f /2], (ab, f) = 1, ab ≡ ±1 (mod f)}. このとき関係式(1)の一般化として次が示された.

det

([(f −a)(f −b) f

])

1≤a,b≤[f /2]

(ab,f)=1

= (−1)^δ¹^+δ²2f g_L h⁻_L

Q_Lw_L. (2)

ただしQLはLのunit index, wLはLに属する1のべき根の数である.

本論文では, Hirabayashi([3])と同様の手法を用いることによって任意のLの虚の部分体に対してもその相対類数の行列式表示を与えた. Kronecker-Weberの定理により,今回の結果から一般の虚Abel体に対してJakubec-Hirabayashi型の行列式表示を得たことになる.

(3)

整数xに対しR(x)を整数でR(x) ≡x (mod f), 0 ≤R(x) < f を満たすものとする. またH を(Z/fZ)^∗ = {a : 1 ≤ a ≤ f −1, (a, f) = 1} ^{の部分群で}−1を含まないとする.このときH に対応するのは虚Abel体で,それをK とする. H⁺ = ⟨{−1} ∪H⟩^とし S ⊂ {1,2, ..., f−1}^をGf/H⁺の完全代表系で要素を小さいものからとるようにする.ただしf が偶数かつ ^f₂ −1 ̸∈ H⁺ のときは,その代表としては ^f₂ −1をとるようにしておく.さらにδ₁^∗とδ^∗₂ をそれぞれ次のように定める:

δ₁^∗ =♯{s∈ S :s² ∈H⁺\H},

δ₂^∗ =♯{(s1, s2)∈ S × S :s1 < s2, s1s2 ∈H⁺}. 主結果.

det (∑

c∈H

([(f −a)(f −R(bc)) f

]

−(f −1−a)

[2R(bc) f

]))

a,b∈S

= (−1)^δ^∗¹^+δ²^∗F g_K h⁻_K QKwK

.

ただし

F =











3f −4∓(f−2) f :^奇数, 2∈H⁺ (±2∈H),

2f f :奇数, 2̸∈H⁺,

2f −2±(f−2) f :偶数, ^f₂ −1∈H⁺ (±(^f₂ −1)∈H), 2f f :偶数, ^f₂ −1̸∈H⁺.

参考文献

[1] L. Carlitz and F. R. Olson, Maillet’s determinant, Proc. Amer. Math. Soc. 6 (1955), 265–269.

[2] F. Hazama,Demjanenko matrix, class number, and Hodge group, J. Number The- ory 34 (1990), 174–177.

[3] M. Hirabayashi, A generalization of Jakubec’s formula, Math. Slovaca 65(2015), 215–227.

[4] S. Jakubec,On some new estimates forh⁻(Q(ζp)), Acta Arith.137(2009), 43–50.

[5] L. C. Washington, Introduction to Cyclotomic Fields, Springer-Verlag, New-York (1982).

(4)

1 ^序文

N, Z, Q, R^{をそれぞれ自然数},整数,有理数,実数全体の集合とする.自然数nに対し ζ_nを1の原始n乗根とする.

1.1

^はじめに

代数的整数論の重要な研究対象の一つとして代数体の類数がある.またCM 体に対し, 類数を最大実部分体の類数で割った商は有理整数で相対類数というが,これも重要な不変量である.

本論文では,主に虚Abel体の相対類数の考察に集中する.虚Abel体K に対し, 相対類数h⁻_K に関する公式として以下の定理がある.

定義 1.1 (一般Bernoulli数). Dirichlet指標χに対し,その導手をf(χ)とするとき,

f(χ)∑

a=1

χ(a)te^at e^f(χ)t−1 =

∑∞ n=0

B_n(χ)tⁿ n!

によって一般Bernoulli数{B_n(χ)}^{が定義される}. 定理 1.2 (解析的類数公式(Washington,[15])).

h⁻_K =Q_Kw_K ∏

χ∈X_K⁻

(

−1 2B₁(χ)

) .

ここでQKはK^のunit index, wK はK^に属する1^{のべき根の数}, X_K⁻^はK^のDirichlet 指標の奇指標全体である.

この定理の関係式からh⁻_K を具体的に求めることができる.しかしながら,この定理を背景として相対類数に関する様々な行列式による表示が得られていることにも注目したい. 特に虚Abel体の中でも素数次の円分体K =Q(ζp) (p :^奇素数)^{の場合であれば}X_K⁻ ^の決定も行わずに行列式の計算のみで相対類数を求めることができる.

そのような種々の行列式表示の研究において, Jakubec-Hirabayashi型の行列式を拡張し,一般の虚Abel体に対し相対類数の行列式表示を導いたのが本論文の主結果である.

(6)

1.2

^{種々の行列式表示}

n を自然数とする. また整数 x に対し, R_n(x) を整数で R_n(x) ≡ x (mod n), 0 ≤ Rn(x) < nを満たすものとし, x^′ を整数でxx^′ ≡1 (mod n), 1 ≤ x^′ < n を満たすものとする.^このときMaillet^行列式D(n)^{は以下で定義される}.

定義 1.3 (Maillet^行列式).

D(n) = det(Rn(ab^′))₁_≤_a,b<n/2

(ab,n)=1

.

次に(x, n) = 1である整数xに対しCn(x)を,

C_n(x) = {

1 if 1≤R_n(x)< ⁿ₂, 0 otherwise

とする.このときDemjanenko行列∆_nは次で定義される. 定義 1.4 (Demjanenko行列).

∆_n= (C_n(ab))₁_≤_a,b<n/2

(ab,n)=1

.

これらの行列式についてn= p (p :^奇素数)とするとそれぞれが関係式をもつ.^簡単のためh⁻_p =h⁻_Q_(ζ

p)としておく. 定理 1.5 (Carlitz-Olson,[1]).

D(p) =± p^p−3² h⁻_p. 定理 1.6 (Hazama,[5]).

det∆_p =± ∏

χ∈X_Q⁻₍

ζp)

(2−χ(2))· h⁻_p p .

これら定理から K = Q(ζp) としたときの相対類数 h⁻_K に関して異なる二つの行列式の関係式を得たことになる. なお定理 1.5 の拡張として n = p^m の場合, すなわち K = Q(ζp^m) の場合をK¨unov´a([12]) が, K が任意の導手である虚 Abel 体の場合

を Girstmair([6]) が示している. 定理 1.6 においては K の導手が奇数である場合を

Dohmae([2])が示している.

(7)

また Tsumura([13])はK の導手は任意として両方の行列式の一般化ともいえるパラメータつきのDemjanenko行列を構成し関係式を証明した. Endˆo([3])も異なるパラメータつきの行列を構成し,一般Bernoulli数の積の行列式表示としての一般化を与えている.

ここで以上の主要な行列式以外にJakubecによって得られた関係式がある. 定理 1.7 (Jakubec,[11]).

det

([(p−a)(p−b) p

])

1≤a,b≤(p−1)/2

=± h⁻_p. ここで実数xに対し, [x]をその整数部分とする.

この定理1.7についてはHirabayashiが一般の円分体へ拡張している. f ≥3を自然数 (ただしf ̸≡2 (mod 4)), L=Q(ζf)とする. gLを以下で定める:

g_L= ∏

χ∈X_L⁻

∏

p|f p:prime

(1−χ(p)).

ここでDirichlet指標は常に原始的であるとする.^さらにf ^に対しδ1 とδ2 をそれぞれ次のように定める:

δ1 =♯{a∈Z: 1≤a≤[f /2], (a, f) = 1, a² ≡ −1 (mod f)},

δ₂ =♯{(a, b)∈Z×Z: 1≤a < b≤[f /2], (ab, f) = 1, ab ≡ ±1 (mod f)}. このとき,定理1.7の一般化として次が示されている.

定理 1.8 (Hirabayashi,[9]).

det

([(f −a)(f −b) f

])

1≤a,b≤[f /2]

(ab,f)=1

= (−1)^δ¹^+δ²2f gL

h⁻_L Q_Lw_L.

本論文では,^定理 1.8 について同様の手法を用いることによって任意のL^{の虚の部分体} に対してもその相対類数の行列式表示を与える(第2節の定理2.1を参照).

定理 (Kronecker-Weber). Q^{上の有限次}Abel拡大体はある円分体に含まれる.

この定理より,今回の結果から一般の虚Abel体に対してJakubec-Hirabayashi型の行列式表示を得たことになる. この結果を利用して,第3節ではいくつかの虚Abel体についてその相対類数の具体的な行列式表示を与える.

(8)

2 ^主結果

f ≥3, f ̸≡ 2 (mod 4)としL= Q(ζf)の部分体を考える. 簡単のためR(x) = Rf(x) としておく. H をGf = (Z/fZ)^∗ ={a: 1≤a ≤f−1, (a, f) = 1}^{の部分群で}−1を含まないとし,指数はmとする.このときH に対応するのは虚Abel体で,それをKとする. またH⁺ = ⟨{−1} ∪H⟩^とするとH⁺ に対応するのは K の最大実部分体K⁺ = K ∩R となる. K のDirichlet指標の奇指標全体はX_K⁻ ={χ ∈X_L⁻ :χ(H) = 1}^とかける.

2.1

^主結果

S ⊂ {1,2, ..., f −1}^をGf/H⁺ の完全代表系で要素を小さいものからとるようにする. ただしf が偶数かつ ^f₂ −1̸∈H⁺のときは,その代表としては ^f₂ −1をとるようにしておく.さらにδ₁^∗とδ^∗₂ をそれぞれ次のように定める:

δ₁^∗ =♯{s∈ S :s² ∈H⁺\H},

δ₂^∗ =♯{(s1, s2)∈ S × S :s1 < s2, s1s2 ∈H⁺}. 定理 2.1.

det (∑

c∈H

([(f −a)(f −R(bc)) f

]

−(f −1−a)

[2R(bc) f

]))

a,b∈S

= (−1)^δ^∗¹^+δ²^∗F g_K h⁻_K Q_Kw_K. ただし

F =











3f −4∓(f−2) f :奇数, 2∈H⁺ (±2∈H),

2f f :奇数, 2̸∈H⁺,

2f −2±(f−2) f :偶数, ^f₂ −1∈H⁺ (±(^f₂ −1)∈H), 2f f :偶数, ^f₂ −1̸∈H⁺.

注意 1. 左辺の行列式について,行と列それぞれの要素は同じ並び方である (その並び方は任意である).

注意 2. このF の値はH に依存していることに加え,完全代表系S ^{のとり方にも依存し} ている.仮定したS^{のとり方については},左辺の行列式の形に対してS^{をそうとれば}F は消えず,かつ上記のように値が具体的に求まるように決めてあるということである(S ⊂Z を任意にとる場合については第4節を参照).

(9)

注意 3. Hが自明群である場合,すなわちK =Lとなる場合はとり方から S ={1≤a≤[f /2] : (a, f) = 1}^である.よって左辺の行列式において

[2R(b) f

]

= 0 , b∈ S

である.右辺についてもδ^∗_i =δ_i (i= 1,2)でありf の偶奇によらずF = 2f となるため, この定理はHirabayashiの定理1.8のある一般化といえる.

2.2

補題とその証明

定理 2.1の証明の前に二つの補題を証明する. χ ∈ X_K⁻ に対し, S(χ), T(χ), T^∗(χ)をそれぞれ以下で定義する.

定義 2.2.

S(χ) =

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a)a, T(χ) =

[f /2]∑

a=1 (a,f)=1

χ(a), T^∗(χ) = ϕ(f) m

∑

a∈S

χ(a).

ここでϕ^はEuler^{の関数である}. 補題 2.3.

T^∗(χ) = 2∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[2R(ac) f

]

+T(χ).

証明.

T^∗(χ)= ∑

a∈S

∑

c∈H

χ(ac) = ∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)>f /2

χ(ac) + ∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)<f /2

χ(ac)

= 2∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)>f /2

χ(ac) + ∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)<f /2

χ(ac) − ∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)>f /2

χ(ac)

= 2∑

a∈S

χ(a) ∑

c∈H R(ac)>f /2

1 + ∑

a∈S

∑

c∈H R(ac)<f /2

χ(ac) + ∑

a∈S

∑

c∈H R(a(−c))<f /2

χ(a(−c))

= 2∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[2R(ac) f

]

+T(χ).

(10)

補題 2.4. b∈Z, (b, f) = 1に対し, (1)f が奇数の場合,

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([bR(ac) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=−S(χ)

2f (b−2 + ¯χ(b)−(b−1) ¯χ(2)), (2.1)

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([b(f −R(ac)) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=−S(χ)

2f (3b−2−χ(b)¯ −(b−1) ¯χ(2)). (2.2) (2)f が偶数の場合,

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([bR(ac) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=−S(χ) 2f

(

−1 + ¯χ(b) + (b−1)χ (f

2 −1 ))

, (2.3)

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([b(f −R(ac)) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=−S(χ) 2f

(

2b−1−χ(b) + (b¯ −1)χ (f

2 −1 ))

. (2.4)

ここでχ¯はχの複素共役の指標( ¯χ(a) =χ(a), a∈Gf)である. 証明. Hirabayashi([9]) の類似の手法を用いる.最初に次の等式を示す:

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

= b−χ(b)¯

2f S(χ) + b−1

2 T^∗(χ). (2.5)

b

fS(χ)= 1 f

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a)ba= 1 f

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) ([ba

f ]

f +R(ba) )

=

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) [ba

f ]

+ χ(b)¯ f

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a)a

=

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) [ba

f ]

+ χ(b)¯

f S(χ)

(11)

より

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) [ba

f ]

= b−χ(b)¯

f S(χ). (2.6)

他方[

b(f−R(a)) f

]

=b−1−[

bR(a) f

]に注意して

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) [ba

f ]

=∑

a∈S

∑

c∈H

χ(ac)

[bR(ac) f

]

+∑

a∈S

∑

c∈H

χ(a(−c))

[bR(a(−c)) f

]

=∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

−∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[b(f −R(ac)) f

]

= 2∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

−(b−1)∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

1

= 2∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

−(b−1)T^∗(χ).

式(2.6)^{と合わせて} b−χ(b)¯

f S(χ) = 2∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

−(b−1)T^∗(χ)

より式(2.5)を得る.ここで補題2.3より式(2.5)は次のようにかける:

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([bR(ac) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=b−χ(b)¯

2f S(χ) + b−1 2 T(χ).

この右辺はHirabayashi([9])の式 (3.5)の右辺と一致している.従って以降を全く同様にしてこの右辺を変形することで補題の式(2.1), (2.3)を得ることができる. また式(2.6) から

b−χ(b)¯

f S(χ)=

∑f

a=1 (a,f)=1

χ(a) [ba

f ]

= ∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[bR(ac) f

]

− ∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

[b(f −R(ac)) f

]

(12)

であるから

∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([b(f−R(ac)) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

=∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([bR(ac) f

]

−(b−1)

[2R(ac) f

])

− b−χ(b)¯ f S(χ).

式(2.1), (2.3)をそれぞれ代入して補題2.4の残りの式(2.2), (2.4)を得る.

2.3

主結果の証明

補題2.4を用いて定理 2.1 を証明する. 証明. 二つの行列を考える:

A= (∑

c∈H

([(f−b)(f −R(ac)) f

]

−(f −b−1)

[2R(ac) f

]))

b,a∈S

,

C = (

χ(a) )

a∈S χ∈X_K⁻

.

(1)f が奇数の場合補題2.4より

AC=

(∑

a∈S

χ(a)∑

c∈H

([(f −b)(f −R(ac)) f

]

−(f −b−1)

[2R(ac) f

]))

b∈S χ∈X_K⁻

= (

−S(χ)

2f (3f −3b−2 + ¯χ(b)−(f −b−1) ¯χ(2)) )

b∈S χ∈X_K⁻

である.ゆえに det(AC) = det

(

3f −3b−2 + ¯χ(b)−(f −b−1) ¯χ(2) )

b∈S χ∈X_K⁻

∏

χ∈X_K⁻

(

−S(χ) 2f

) .

tCをC の転置行列とし以下の行列の積を考える.その行列をDとおく. D=

(

3f−3b−2 + ¯χ(b)−(f −b−1) ¯χ(2) )

b∈S χ∈X_K⁻

·^tC

=



(3f −3b−2) ∑

χ∈X_K⁻

χ(a) + ∑

χ∈X_K⁻

¯

χ(b)χ(a)−(f −b−1) ∑

χ∈X_K⁻

¯

χ(2)χ(a)





b,a∈S

.

(13)

ここでまずは2 ∈ H⁺ の場合を考える. χ ∈ X_K⁻ に対しχ(2) = ±1, (符号は±2 ∈ H の符号と一致する)であるので上の式は

D=



(3f −3b−2∓(f −b−1)) ∑

χ∈X_K⁻

χ(a) + ∑

χ∈X_K⁻

¯

χ(b)χ(a)





b,a∈S

となる.

∑

χ∈X_K⁻

χ(a) =

{±^m₂ if ±a ∈H, 0 otherwise

であるから行列D の1列目をa = 1 (Sのとり方から1 ∈ S ^である)となるようにし,行も同様に並べ替えると







(3f−4∓(f −2))^m₂

∗ ^m₂

... . ..

∗ ^m₂







となる.ただし余白の要素は全て0^とする.^よって detD= (3f −4∓(f−2))·(m

2 )^m₂

, ±2∈H.

次に 2 ̸∈ H⁺ の場合は行列 D の 1 列目を a = 1, 2列目を a = 2 (S のとり方から2∈ S^である)となるようにし,行も同様に並べ替えると







(3f −4)^m₂ −(f −2)^m₂ (3f −8)^m₂ −(f −4)^m₂

∗ ∗ ^m₂

... ... . ..

∗ ∗ ^m₂





 ,

detD= det

(3f −4 −(f−2) 3f −8 −(f−4)

)

·(m 2

)^m₂

= 2f ·(m 2

)^m₂

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