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体の乗法群の有限部分群(10/03に修正)のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

体の乗法群の有限部分群について

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では体Kの乗法群K×の有限部分群が巡回群であることを示す。この文章ではわかりやすさのために自然数の整除関係を⪯と書くことにする。つまりnがmの約数の時にn⪯mと書くのである。≤と⪯の違いに注意せよ。また、この文書において体とは可換体を指すことに注意せよ。

定義 1.

群Gの元aの位数ord⁢(a)を an=eとなる最小のnとして定義する。このようなnが存在しない場合にはord⁢(a)=∞とする。

命題 2.

群Gの元aについてord⁢(a)=n=x⁢yとすると

ord⁢(ax)=y

となる。

証明.

まず、(ax)y=ax⁢y=eなので、y⪯ord⁢(ax)である。 そして、ax⋅ord⁢(ax)=(ax)ord⁢(ax)=eなのでx⋅ord⁢(ax)⪯nとなる。以上からy⪯ord⁢(ax)⪯yなのでy=ord⁢(ax)である。 ∎

準備のために次の整数に関する簡単な補題を証明する。

補題 3.

自然数n,mに対してx,y,s,tが存在してn=s⁢x、m=t⁢y、 gcd⁡(x,y)=1、x⁢y=lcm⁡(n,m)を充す。

証明.

自然数n,mに対して k個の素数p1,p2,…,pkと a1,a2,…,ak∈ℤ≥0と b1,b2,…,bk∈ℤ≥0が存在して

n=p1a1⁢p2a2⁢⋯⁢pkak
m=p1b1⁢p2b2⁢⋯⁢pkbk

と書ける。 このとき

lcm⁡(n,m)=p1max⁡(a1,b1)⁢p2max⁡(a2,b2)⁢⋯⁢pkmax⁡(ak,bk)

である。

ci={aiai=max⁡{ai,bi}⁢のとき0そ⁢の⁢他

とし

di=ci−xi

と定義する。そして

ei={bibi>ai⁢のとき0そ⁢の⁢他

で

fi=bi−zi

とする。 そして

x=p1c1⁢⋯⁢p1c2⁢⋯⁢pkck
s=p1d1⁢⋯⁢p2d2⁢⋯⁢pkdk
y=p1e1⁢⋯⁢p2e2⁢⋯⁢pkek
t=p1f1⁢⋯⁢p2f2⁢⋯⁢pkfk

と定義すると、明らかにn=s⁢x、m=t⁢y、 gcd⁡(x,y)=1を満たし、また、定義から

x⁢y=(p1c1⁢⋯⁢p1c2⁢⋯⁢pkck)⁢(p1e1⁢⋯⁢p2e2⁢⋯⁢pkek)=p1max⁡(a1,b1)⁢p2max⁡(a2,b2)⁢⋯⁢pkmax⁡(ak,bk)=lcm⁡(n,m)

を充す。 ∎

定理 4.

群Gの元a,bはa⁢b=b⁢aを充し、ord⁢(a)=n,ord⁢(b)=mとし、l=lcm⁡(n,m)とする。この時c∈Gが存在して

ord⁢(c)=l

となる。

証明.

まずgcd⁡(n,m)=1の時、c=a⁢bとおき、r=ord⁢(c)とおくとl=n⁢mよりとaとbの可換性より

cl=al⁢bl=e⁢e=e

なのでr⪯lでありまた

e=cn⁢r=an⁢r⁢bn⁢r=e⁢bn⁢r=bn⁢r

よりm⪯n⁢rところでn,mは互いに素なのでm⪯rとなる。同様にn⪯rもわかるので結局l⪯r(最小公倍数の性質である。)よってord⁢(c)=l
一般の場合はn=s⁢x,m=t⁢y,g.c.d.(x,y)=1⁢x⁢y=lと表せるのでasとbtを上の場合に当てはめれば結論が得られる。 ∎

注意.

また非可換な二元については定理4は成り立たないことに注意せよ。例えば三次の対称群などを考えよ。

定理4をアーベル群に適用すると次のことがわかる。

系 5.

有限可換群Gの元の≤に関する最大値をNとすると、これはGの元が取りうる位数の中で⪯に関しても最大値となっている。つまり有限可換群Gのある元xが存在して

∀a∈G⁢ord⁢(a)⪯ord⁢(x)

となるということである。

証明.

上の定理をGの元に次々に適用すればわかる。

∎

定理 6.

体Kの乗法群K×の有限部分群は巡回群

証明.

GをK×の有限部分群とする。Gの最大位数を持つ元をaとし、ord⁢(a)=Nと置く。Gの任意の元sについてord⁢(s)⪯Nなので

sN=1

となる。つまりGの任意の元はK上の多項式xN−1の根である。xN−1の根の個数は高々N個なので

|G|≤N

である。ところでN≤|G|でもあるからN=|G|よってaはGを生成する。つまりGは巡回群。 ∎