フロベニウス準同型

可換代数体論においてフロベニウス自己準同型フェルディナント・ゲオルク・フロベニウスに由来)は、素数特性pを持つ可換環特殊自己準同型であり有限含む重要な類である[1] [2]自己準同型は、すべての元をそのp乗に写す。特定の文脈では自己同型となるが、一般にはそうではない。[3] [4]

意味

Rを素特性pを持つ可換環とする例えば、正特性の整域は常に素特性を持つ)。フロベニウス準同型Fは次のように定義される 。

Rの任意のrに対して、 Rの乗法を遵守します

F (1)も1 である。さらに、 Rの加法も考慮する。式( r + s ) p は二項定理を用いて展開できる。pは素数なので、 pを割り切れるが、 q < pの場合にはqを割り切れない。したがって、二項係数の明示的な公式の分子は割り切れるが、分母は割り切れない。

1 ≤ kp − 1の場合。したがって、 r ps pを除くすべての項の係数はpで割り切れるため、0となる。[5]したがって

これは、Fが環準同型であることを示しています

φ  : RSが特性pの環の準同型ならば

F RF SがRSのフロベニウス自己準同型である場合、これは次のように書き直すことができます。

これは、フロベニウス自己準同型が特性p環のカテゴリ上の恒等関数からそれ自身への自然な変換であることを意味します。

Rが冪零元を持たない環である場合、フロベニウス自己準同型は単射である。すなわち、F ( r ) = 0はr p = 0を意味し、これは定義によりrが高々p位の冪零であることを意味する。実際、これは必要十分条件である。なぜなら、 r が任意の冪零元である場合、その冪の1つは高々 p位の冪零となるからである。特に、R が体である場合、フロベニウス自己準同型は単射である。

フロベニウス写像は、Rが体のときでも、必ずしも射影的ではありません。たとえば、K = F p ( t )を単一の超越元を伴うp個の元からなる有限体とします。これと同値で、K はF pに係数を持つ有理関数の体です。するとFの像にはtが含まれません。もし t が含まれれば、pq ( t ) p / r ( t ) ptに等しい有理関数q ( t ) / r ( t )が存在することになります。しかし、このp乗の次数(分子と分母の次数の差)はp deg( q ) − p deg( r )であり、これはpの倍数です。特に、tの次数である 1 にはなり得ません。これは矛盾であるため、t はFの像には含まれません

Kが完全体と呼ばれるのは、その標数が 0 であるか、または正の標数であり、かつそのフロベニウス自己準同型が自己同型である場合である。例えば、すべての有限体は完全体である。

フロベニウス準同型の不動点

有限体F pを考えてみましょう。フェルマーの小定理により、 F pすべての元x はx p = xを満たします。これは、多項式X pXの根でもあります。したがって、 F pの元はこの方程式のp個の根を決定し、この方程式は次数pを持つため、任意の拡大に対してp個を超える根を持つことはありません。特に、KがF p代数的拡大(代数的閉包や他の有限体など)である場合、 F pはKのフロベニウス自己同型の固定体になります

R をp > 0の標数環とする。Rが整域ならば同様の推論により、フロベニウスの不動点は素体の元となる。しかし、Rが整域でない場合、X pXはp 個以上の根を持つ可能性がある。例えば、R = F p × F pのとき、このような状況になる。

有限体上のフロベニウス自己同型写像​​のn次反復によっても同様の性質が成り立つ: のすべての元は の根であるので、Kが の代数的拡大でありFがKのフロベニウス自己同型写像​​である場合、 F nの不動体はである。R-代数である領域である場合、フロベニウスのn次反復の不動点はの像の元である

フロベニウス写像を反復すると、 Rの要素のシーケンスが得られます

この反復シーケンスは、フロベニウス閉包とイデアルのタイト閉包を定義するときに使用されます。

ガロア群の生成元として

有限体の拡大のガロア群は、フロベニウスの自己同型写像​​の反復によって生成される。まず、基底体が素体F pである場合を考える。F q をq個の元の有限体としq = p nとする。 F qフロベニウス自己同型写像​​ Fは素体F pを固定するので、ガロア群Gal( F q / F p )の元となる。実際、q − 1個の元を持つ巡回体であるため、ガロア群は巡回体であり、 Fは生成元であることがわかる。 F jは元xに作用してそれをx p jに送るためFの位数はn である。体上にあるため、複数の根しか持てない。 F qのすべての自己同型写像​​はFのべき乗であり、生成元はiがn互いに素であるべき乗F iである。

ここで有限体F q f をF qの拡大として考えますここでq = p nは上記の通りです。n > 1 の場合、 F q fフロベニウス自己同型Fは基底体F qを固定しませんが、そのn番目の反復F nは固定します。ガロア群Gal( F q f  / F q )は位数fの巡回群であり、 F nによって生成されます。これはGal( F q f  / F p )のF nによって生成される部分群です。Gal ( F q f  / F q )の生成元は、 iがfと互いに素であるF niです

フロベニウス自己同型は絶対ガロア群の生成元ではない

このガロア群は有限整数と同型であるので

これらは巡回的ではない。しかし、フロベニウス自己同型はF qの任意の有限拡大のガロア群の生成元であるため、絶対ガロア群の任意の有限商の生成元でもある。したがって、フロベニウス自己同型は絶対ガロア群上の通常のクルル位相における位相的生成元である。

スキームのフロベニウス

スキームに対するフロベニウス射を定義する方法はいくつかあります。最も基本的な方法は絶対フロベニウス射です。しかし、絶対フロベニウス射は基底スキームを考慮していないため、相対的な状況ではうまく動作しません。フロベニウス射を相対的な状況に適応させる方法はいくつかあり、それぞれ特定の状況で有用です。

φ : XS をスキームの射とし、S と X の絶対フロベニウス射をそれぞれ F S と F X で表す。X ( p )F SよるXの基底変換と定義するすると可換なり、平方は直交射となる。射F X / Sは相対フロベニウス射である。

絶対フロベニウス写像

X が特性p > 0のスキームであると仮定します。 X開いたアフィン部分集合U = Spec Aを選びます。環AはF p代数なので、フロベニウス自己準同型が存在します。VがUの開いたアフィン部分集合であれば、フロベニウスの自然性により、 U上のフロベニウス射は、 Vに制限されると、 V上のフロベニウス射になります。したがって、フロベニウス射は接着してXの自己準同型を与えます。この自己準同型はX絶対フロベニウス射と呼ばれF Xと表記されます。定義により、これはXとそれ自身との同相写像です。絶対フロベニウス射は、 F pスキームのカテゴリ上の恒等関数からそれ自身への自然な変換です。

XS -スキームで、 Sのフロベニウス射が恒等写像である場合、絶対フロベニウス射はS -スキームの射となる。しかし、一般にはそうではない。例えば、環 を考える。XS はどちらSpec Aに等しく、構造写像XSは恒等写像であるとする。A上のフロベニウス射はa をa p写す。これは -代数の射ではない。もしそうであれば、bを掛けることは、フロベニウス自己準同型を適用することと可換である。しかし、これは以下の理由で正しくない。

前者はAが持つ -代数構造におけるbの作用であり、後者はフロベニウスによって誘導される の作用である。したがって、 Spec A上のフロベニウス射は-スキームの射ではない

絶対フロベニウス射は、次数pの純粋に分離不可能な射である。その微分はゼロである。これは積を保存する。つまり、任意の2つのスキームXYに対して、F X × Y = F X × F Yが成立する。

フロベニウスによるスカラーの制限と拡張

φ  : XSがS -スキームXの構造射であるとする。基本スキームSはフロベニウス射F Sを持つ。φF Sを合成するとS -スキームX Fが得られ、これはフロベニウスによってスカラーの制限と呼ばれる。スカラーの制限は実際には関数である。なぜなら、S -射XYはS -射X FY Fを誘導するからである

例えば、特性p > 0の環AとA上の有限に提示された代数を考える

AのRに対する作用は次のように表されます。

ここで、 α は多重添字である。X = Spec Rとすると、X FはアフィンスキームSpec Rとなるが、その構造射Spec R → Spec A、ひいてはAのRへの作用は異なる。

フロベニウスによるスカラーの制約は単なる合成であるため、フロベニウス射に関する適切な仮定の下では、 Xの多くの性質がX Fに継承される。例えば、XS F が両方とも有限型であれば、 X Fも有限型である

フロベニウスによるスカラーの拡張次のように定義されます。

S因子への射影により、X ( p )はSスキームとなる文脈からSが明らかでない場合は、 X ( p )はX ( p / S )と表記される。スカラーの制限と同様に、スカラーの拡張は関手である。すなわち、SXYはSX ( p )Y ( p )を決定する

前と同様に、環AとA上の有限提示代数Rを考え、再びX = Spec Rとします。すると、

X ( p )のグローバルセクションは次の形式になります。

ここで、αは多重添字であり、すべてのa b iはAの元である。Acがこのセクションに及ぼす作用は次のようになる

その結果、X ( p )は次の式と同型となる。

ここで、次の場合:

それから:

任意のA代数Rについても同様の記述が成り立ちます

スカラーの拡大は基底変換であるため、極限と余積が保存されます。これは特に、X が有限極限(例えば群スキーム)で定義された代数構造を持つ場合、 X ( p )も有限極限で定義された代数構造を持つことを意味します。さらに、基底変換であるということは、スカラーの拡大が有限型、有限表示、分離、アフィンなどの性質を保存することを意味します。

スカラーの拡張は基底の変更に関して適切に動作します。射S ′ → Sが与えられたとき、自然な同型が存在します。

相対的フロベニウス

X を構造φを持つS -スキームとする。X相対フロベニウス射は次の射である。

プルバック X ( p )の普遍的な性質によって定義されます(上の図を参照)。

絶対フロベニウス射は自然であるため、相対フロベニウス射はSスキームの射です。

たとえば、A代数を考えてみましょう。

我々は持っています:

相対フロベニウス写像は次のように定義される準同型R ( p )Rである。

相対フロベニウスは、 X ( p / S ) × S S( X × S S ′) ( p / S ′)の自然同型の下で、次の意味で基底変換と互換性があります。

相対フロベニウス写像は普遍同相写像である。X S開浸漬ならば、恒等写像となる。X SがO Sのイデアル層Iによって決定される閉浸漬ならばX ( p )はイデアル層I pによって決定され、相対フロベニウス写像はO S / I pO S / I へ拡大写像となる

XがS上非分岐であるための必要条件は、F X / Sが非分岐であり、かつF X / Sが単射である場合のみです。XS上エタールであるための必要条件は、F X / Sがエタールであり、かつF X / Sが同型である場合のみです。

算術フロベニウス

SスキームX算術フロベニウス射は次の射である。

定義:

つまり、F Sの1 Xによる基本変更です。

繰り返しますが、次の場合:

すると算術フロベニウスは準同型となる。

R ( p )を次のように書き直すと

この準同型は次のようになります。

幾何学的フロベニウス

Sの絶対フロベニウス写像が逆写像 によって可逆であると仮定する。S -スキームと表記する。すると、 Xのスカラーはによって拡張される

もし:

次にスカラーを拡張すると次のようになります。

もし:

次のように書きます。

そして同型性が存在します:

SスキームX幾何学的フロベニウス射は次の射である。

定義:

これは の1 Xによる基本変更です

上記のARの例を続けると、幾何学的フロベニウスは次のように定義されます。

R (1/ p )を で書き直すと、幾何学的フロベニウスは次のようになります。

ガロア作用としての算術的および幾何学的フロベニウス

Sのフロベニウス射が同型であると仮定する。すると、それはSの自己同型群の部分群を生成する。S = Spec k有限体のスペクトルである場合、その自己同型群は素体上の体のガロア群であり、フロベニウス射とその逆はどちらも自己同型群の生成元となる。さらに、X ( p )X (1/ p )はXと同一視できる。算術的および幾何的なフロベニウス射はXの自己準同型であり、 kのガロア群のXの作用につながる

Kの集合X ( K )を考える。この集合にはガロア作用が伴う。各点x は構造層からKへの準同型O XKに対応し、これはxにおける留数体k(x)を介して因数分解される。そしてxへのフロベニウスの作用はフロベニウス射を留数体に適用したものである。このガロア作用は算術フロベニウスの作用と一致する。合成射は

は合成射と同じである:

算術フロベニウスの定義により、ガロア群の点への作用はXの自己準同型として明示的に示される。

局所体に対するフロベニウス

局所体非分岐 有限拡大 L/Kが与えられたとき、対応する留数体の拡大にフロベニウス自己準同型を誘導するフロベニウス自己準同型の概念が存在する[6]

L/K が局所体の非分岐拡大で、 K の整数環 O K がK整数 その唯一最大イデアルφで割った剰余体がq位の有限体(qは素数のべき乗)となるようなものと仮定する。 Φ が L の素数で φ 上にある場合L / K分岐あるということは、定義により、 Lの整数をΦで割ったもの( Lの剰余体)が、 Kの剰余体を拡張したq fの有限体になることを意味する(fL / Kの次数)。 Lの整数環O Lの元に対するフロベニウス写像を、 L自己同型s Φとして定義することができる

グローバルフィールドのフロベニウス

代数的整数論においてフロベニウス元は、 L / Kにおいて不分岐なL素イデアルΦに対する有限ガロア拡大である大域体の拡大L / Kに対して定義される。拡大は不分岐なので、Φ分解群は留数体の拡大のガロア群である。したがって、フロベニウス元は、局所的な場合と同様に、 Lの整数環の元に対して次のように定義できる。

ここでq剰余体O K /(Φ∩O K )の位数である。

フロベニウスのリフトはp微分に対応しています。

多項式

x 5x − 1

判別式を持つ

19 × 151 ,

そして素数 3 で非分岐であり、また 3 を法として既約でもある。したがって、その根ρを3進数体Q 3に付加すると、 Q 3非分岐拡大Q 3 ( ρ )が得られる。ρ 3最も近い根を求めることで、フロベニウス写像によるρの像を見つけることができ、これはニュートン法で行うことができる。このようにして整数環Z 3 [ ρ ]の元を得る。これは3進整数Z 3を係数とするρの次数 4 の多項式である。3としてこの多項式は

これはQ上の代数的であり、 QをQ 3埋め込むことによって正しい大域フロベニウス像となる。さらに、係数は代数的であり、結果も代数的に表現できる。しかし、係数は120次、つまりガロア群の位数であり、p進数の結果で十分であれば明示的な計算がはるかに容易になることを示す。

L/Kが大域体のアーベル拡大ならば、それが基底体Kの素数φのみに依存するため、より強い合同性 が得られる。例えば、 βをQに付加して得られる拡大Q ( β )を考えてみよう。

Q。この拡張は5次の巡回的拡張であり、根は

整数nに対して、その根はβチェビシェフ多項式である。

β 2 − 2、β 3 − 3 ββ 5 − 5 β 3 + 5 β

2、3、5といった素数に対するフロベニウス写像の結果を与え、11や22n +1 (分解可能)の形に等しくない、より大きな素数に対しても同様の結果与えます。フロベニウス写像が、 pを法として根βのp乗に等しい結果を与えることは一目瞭然です

参照

参考文献

  1. ^ Lang.代数. pp. 180, 246.
  2. ^ ハーショーン『代数幾何学』21ページ。
  3. ^ アーティン。代数第 2 版。 pp.3.8、355ページ、M5、511ページ。
  4. ^ Weil (1995).基礎数論. 系2: pp 18, 定義5: pp 20.
  5. ^これは 新入生の夢として知られています
  6. ^ Fröhlich, A. ; Taylor, MJ (1991).代数的数論. Cambridge studies in advanced math. 第27巻. Cambridge University Press . p. 144. ISBN 0-521-36664-X. Zbl  0744.11001。
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