Lemma

第3章同種写像と等分点

目安 11〜14 時間定理など 20演習 10 問
ここまでの道

この章の目標

  • 曲線の射の次数・分離次数・分岐指数を理解し、フロベニウス射が次数 qq の純非分離な射であることを示せる
  • 同種写像が群の準同型であることを Pic⁡0\operatorname{Pic}^0 を使って証明できる
  • 双対同種写像の性質から deg⁡[m]=m2\deg [m] = m^2 と次数の二次形式性を導き、ハッセの定理で使う不等式を述べられる
  • 等分多項式で [m][m] を計算し、標数が mm を割らないとき E[m]≅(Z/mZ)2E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 であることを証明できる
  • 2-同種写像とヴェルの公式で具体的な同種写像を計算できる
  • ヴェイユ対の性質から「E[m]⊂E(K)E[m] \subset E(K) ならば μm⊂K\mu_m \subset K」を証明し、自己準同型環とテイト加群の概要を説明できる

前提:第2章、14-algebraic-geometry 第8章、04-algebra 第8章。3.10 節では ℓ\ell 進整数(15-algebraic-number-theory 第5章)を使う。

楕円曲線は曲線であると同時に群でもある。二つの楕円曲線を比べるには、曲線の射であって単位元を単位元に移すもの――同種写像――を考えるのが自然である。基本的な例は mm 倍写像 [m][m] と、有限体上のフロベニウス射 ϕq\phi_q である。[m][m] の核 E[m]E[m](mm 等分点の群)の構造は、楕円曲線の数論のほとんどすべての場面に現れる。第4章では ∣E(Fq)∣=deg⁡(1−ϕq)\lvert E(\mathbb{F}_q) \rvert = \deg(1 - \phi_q) と本章の次数の二次形式性からハッセの定理を導き、第7章ではねじれ部分群を、第8章では 2-同種写像を使ってモーデル–ヴェイユの定理を証明する。

本章では、曲線の射の次数を関数体の拡大次数として定義し、同種写像が準同型であることを示したうえで、双対同種写像(主張)から deg⁡[m]=m2\deg[m] = m^2 を導き、等分多項式で [m][m] を具体的に書いて E[m]≅(Z/mZ)2E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 を得る。曲線の一般論から来る深い事実(射の分岐、双対同種写像の存在と加法性、ヴェイユ対の性質)は主張として引用し、引用箇所を明示する。

この章の約束. KK は完全体とする(標数 0 の体と有限体は完全体である。04 第8章 定理 8.39)。曲線とは K‾\overline{K} 上の非特異射影曲線のことで、射・関数体・点はすべて K‾\overline{K} 上で考える。楕円曲線 EE はワイエルシュトラス方程式で与え、EE と書いて E(K‾)E(\overline{K}) も表す。p=char⁡Kp = \operatorname{char} K(p=0p = 0 もありうる)とする。文献 AEC は Silverman, The Arithmetic of Elliptic Curves を指す。

3.1 曲線の射と次数

φ ⁣:C1→C2\varphi\colon C_1 \to C_2 を曲線の射とする。φ\varphi が定数でなければ全射であり(14 第8章 定理 8.2 の後の注意)、引き戻し φ∗ ⁣:K‾(C2)→K‾(C1)\varphi^{\ast}\colon \overline{K}(C_2) \to \overline{K}(C_1), f↦f∘φf \mapsto f \circ \varphi は体の単射で、K‾(C1)\overline{K}(C_1) は φ∗K‾(C2)\varphi^{\ast}\overline{K}(C_2) の有限次拡大になる(どちらも K‾\overline{K} 上超越次数 1 の有限生成拡大体)。

定義 3.1(射の次数, degree)定数でない射 φ\varphi に対し deg⁡φ=[K‾(C1):φ∗K‾(C2)]\deg \varphi = [\overline{K}(C_1) : \varphi^{\ast}\overline{K}(C_2)] を次数という。この拡大が分離拡大・純非分離拡大のとき、φ\varphi を分離的 (separable)・純非分離的 (purely inseparable) といい、分離的でないとき非分離的という。拡大の分離次数・非分離次数を deg⁡sφ\deg_s \varphi, deg⁡iφ\deg_i \varphi と書く(deg⁡φ=deg⁡sφ⋅deg⁡iφ\deg \varphi = \deg_s \varphi \cdot \deg_i \varphi)。定数写像の次数は 00 とする。P∈C1P \in C_1 での分岐指数は、φ(P)\varphi(P) での局所パラメータ tt により eφ(P)=ord⁡P(φ∗t)e_\varphi(P) = \operatorname{ord}_P(\varphi^{\ast}t) と定める(14 第8章 定義 8.4)。

ここで有限次拡大 L/ML/M の分離次数とは、MM 上分離的な LL の元全体がなす中間体 LsL_s(これが中間体になることは標準的な事実)について [Ls:M][L_s : M]、非分離次数は [L:Ls][L : L_s] である。後者は pp のべき(標数 0 なら 1)で、特に標数 0 では射はすべて分離的である。

命題 3.2(主張)定数でない射 φ ⁣:C1→C2\varphi\colon C_1 \to C_2, ψ ⁣:C2→C3\psi\colon C_2 \to C_3 について

  1. 任意の Q∈C2Q \in C_2 で ∑P∈φ−1(Q)eφ(P)=deg⁡φ\sum_{P \in \varphi^{-1}(Q)} e_\varphi(P) = \deg \varphi。
  2. 有限個を除くすべての Q∈C2Q \in C_2 で ∣φ−1(Q)∣=deg⁡sφ\lvert \varphi^{-1}(Q) \rvert = \deg_s \varphi。
  3. eψ∘φ(P)=eφ(P)eψ(φ(P))e_{\psi \circ \varphi}(P) = e_\varphi(P) e_\psi(\varphi(P))。deg⁡\deg, deg⁡s\deg_s, deg⁡i\deg_i は合成について乗法的である。
  4. deg⁡φ=1\deg \varphi = 1   ⟺  \iff φ\varphi は同型。

(1) は 14 第8章 定理 8.5、(2) と (3) の前半は AEC II.2.6、(4) は 14 第8章 定理 8.2(曲線と関数体の対応)による。deg⁡\deg の乗法性は拡大次数の乗法性(04 第8章 定理 8.3)である。

例 3.3 標数 ≠2\neq 2 で E ⁣:y2=f(x)E\colon y^2 = f(x)(ff は相異なる 3 根をもつモニックな 3 次式)とし、x ⁣:E→P1x\colon E \to \mathbb{P}^1 を (x,y)↦[x:1](x, y) \mapsto [x : 1], O↦[1:0]O \mapsto [1 : 0] とする。K‾(E)=K‾(x)(y)\overline{K}(E) = \overline{K}(x)(y) は K‾(x)\overline{K}(x) の 2 次拡大なので deg⁡x=2\deg x = 2。f(x0)≠0f(x_0) \neq 0 なら x0x_0 の逆像は (x0,±y0)(x_0, \pm y_0) の 2 点、f(x0)=0f(x_0) = 0 なら (x0,0)(x_0, 0) の 1 点で分岐指数 2(yy が局所パラメータで、x−x0x - x_0 は y2y^2 と単元の積)、∞\infty の逆像は OO で分岐指数 2 である。命題 3.2(1) と整合する。

補題 3.4 標数 ≠2\neq 2 とし、Ei ⁣:y2=fi(x)E_i\colon y^2 = f_i(x)(fif_i は相異なる 3 根をもつモニックな 3 次式)とする。射 φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 が、定数でない R=u/v∈K‾(x)R = u/v \in \overline{K}(x)(u,v∈K‾[x]u, v \in \overline{K}[x] は互いに素)と 00 でない S∈K‾(x)S \in \overline{K}(x) によって φ(x,y)=(R(x),yS(x))\varphi(x, y) = (R(x), yS(x)) と書けるとする。

  1. deg⁡φ=[K‾(x):K‾(R)]=max⁡(deg⁡u,deg⁡v)\deg \varphi = [\overline{K}(x) : \overline{K}(R)] = \max(\deg u, \deg v)。
  2. R′≠0R' \neq 0(有理関数としての微分)ならば φ\varphi は分離的である。

証明. t=Rt = R は K‾\overline{K} 上超越的である。(1) F(T)=u(T)−tv(T)F(T) = u(T) - t v(T) は xx を根にもち、TT について次数 d=max⁡(deg⁡u,deg⁡v)d = \max(\deg u, \deg v) である。FF は K‾[t,T]\overline{K}[t, T] の元として tt について 1 次で、tt を含まない因子は u,vu, v の公約数だから定数であり、FF は K‾[t][T]\overline{K}[t][T] の原始的な既約元である。04-algebra 第6章 定理 6.20 より FF は K‾(t)[T]\overline{K}(t)[T] で既約で、[K‾(x):K‾(t)]=d[\overline{K}(x) : \overline{K}(t)] = d。次に φ∗K‾(E2)=K‾(t,yS)\varphi^{\ast}\overline{K}(E_2) = \overline{K}(t, yS) で、(yS)2=f2(t)(yS)^2 = f_2(t), yS∉K‾(x)yS \notin \overline{K}(x) より [K‾(t,yS):K‾(t)]=2[\overline{K}(t, yS) : \overline{K}(t)] = 2。[K‾(x,y):K‾(x)]=2[\overline{K}(x, y) : \overline{K}(x)] = 2 と合わせて deg⁡φ=2d/2=d\deg \varphi = 2d/2 = d。

(2) M=K‾(t,yS)M = \overline{K}(t, yS) とおくと、y=yS/S(x)∈M(x)y = yS/S(x) \in M(x) より M(x)=K‾(E1)M(x) = \overline{K}(E_1)。F′(x)=u′(x)−tv′(x)=v(x)R′(x)≠0F'(x) = u'(x) - t v'(x) = v(x)R'(x) \neq 0 なので xx は F∈M[T]F \in M[T] の単根であり、xx の MM 上の最小多項式は微分が 00 でないから分離的である(04 第8章 命題 8.36)。M(x)M(x) はその分解体に含まれ、分解体は MM のガロア拡大(04-algebra 第9章 定理 9.6)なので、M(x)/MM(x)/M は分離拡大である。□\square

3.2 フロベニウス射

標数 p>0p > 0, q=prq = p^r(r≥1r \geq 1)とする。EE の係数 aia_i を aiqa_i^q に替えた曲線を E(q)E^{(q)} と書く。方程式を qq 乗すると(qq 乗写像は環準同型)、(x,y)∈E(x, y) \in E なら (xq,yq)∈E(q)(x^q, y^q) \in E^{(q)} である。

定義 3.5(フロベニウス射, Frobenius morphism)ϕq ⁣:E→E(q)\phi_q\colon E \to E^{(q)}, (x,y)↦(xq,yq)(x, y) \mapsto (x^q, y^q), O↦OO \mapsto O を qq 乗フロベニウス射という。EE が Fq\mathbb{F}_q 上定義されていれば E(q)=EE^{(q)} = E で、ϕq\phi_q は EE の自己準同型(3.3 節)である。

命題 3.6 ϕq\phi_q は純非分離的で、deg⁡ϕq=q\deg \phi_q = q である。特に ϕq\phi_q は点の上では全単射だが、曲線の同型ではない。

証明. K‾\overline{K} は完全体なので、ϕq∗K‾(E(q))=K‾(xq,yq)\phi_q^{\ast}\overline{K}(E^{(q)}) = \overline{K}(x^q, y^q) は K‾(E)q:={fq∣f∈K‾(E)}\overline{K}(E)^q := \lbrace f^q \mid f \in \overline{K}(E) \rbrace に等しい。体の同型 f↦fqf \mapsto f^q は K‾(x)\overline{K}(x) を K‾(xq)\overline{K}(x^q) に写すので [K‾(E)q:K‾(xq)]=[K‾(E):K‾(x)]=2[\overline{K}(E)^q : \overline{K}(x^q)] = [\overline{K}(E) : \overline{K}(x)] = 2。補題 3.4(1) の証明の前半(R=xqR = x^q)より [K‾(x):K‾(xq)]=q[\overline{K}(x) : \overline{K}(x^q)] = q。よって

deg⁡ϕq=[K‾(E):K‾(E)q]=[K‾(E):K‾(x)] [K‾(x):K‾(xq)][K‾(E)q:K‾(xq)]=2q2=q\deg \phi_q = [\overline{K}(E) : \overline{K}(E)^q] = \frac{[\overline{K}(E) : \overline{K}(x)]\,[\overline{K}(x) : \overline{K}(x^q)]}{[\overline{K}(E)^q : \overline{K}(x^q)]} = \frac{2q}{2} = q

各 f∈K‾(E)f \in \overline{K}(E) は (T−f)q=Tq−fq∈K‾(E)q[T](T - f)^q = T^q - f^q \in \overline{K}(E)^q[T] の根なので、拡大は純非分離である。全射性は定数でない射だから、単射性は a↦aqa \mapsto a^q が単射だからで、次数 q>1q > 1 なので同型ではない(命題 3.2(4))。□\square

注意 3.7 標数 pp では、EE からの定数でない任意の射 ψ\psi は、q=deg⁡iψq = \deg_i \psi として ψ=λ∘ϕq\psi = \lambda \circ \phi_q(λ\lambda は E(q)E^{(q)} からの分離的な射)と分解する(AEC II.2.12。一般の曲線でも同様)。

3.3 同種写像

定義 3.8(同種写像, isogeny)楕円曲線の射 φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 で φ(O)=O\varphi(O) = O となるものを同種写像という。定数でない同種写像があるとき E1E_1 と E2E_2 は同種 (isogenous) であるという。同種写像全体を Hom⁡(E1,E2)\operatorname{Hom}(E_1, E_2)、End⁡(E)=Hom⁡(E,E)\operatorname{End}(E) = \operatorname{Hom}(E, E) を自己準同型環、その可逆元の群を Aut⁡(E)\operatorname{Aut}(E) と書く。

群演算 E×E→EE \times E \to E は射なので(AEC III.3.6)、(φ+ψ)(P)=φ(P)+ψ(P)(\varphi + \psi)(P) = \varphi(P) + \psi(P) も同種写像で、Hom⁡(E1,E2)\operatorname{Hom}(E_1, E_2) はアーベル群になる。End⁡(E)\operatorname{End}(E) の積は合成である。

例 3.9 (1) [m]P=P+⋯+P[m]P = P + \cdots + P(mm 個)、[−m]=−[m][-m] = -[m]、[0]P=O[0]P = O。(2) フロベニウス射 ϕq\phi_q。(3) Q≠OQ \neq O の平行移動 τQ(P)=P+Q\tau_Q(P) = P + Q は曲線の同型だが同種写像ではない。(4) 標数 ≠2\neq 2 で y2=x3−xy^2 = x^3 - x の [i](x,y)=(−x,iy)[i](x, y) = (-x, iy)(i2=−1i^2 = -1)。

定理 3.10(同種写像は準同型)同種写像 φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 は群の準同型である。

証明. φ\varphi が定数なら φ=[0]\varphi = [0] である。定数でないとき、因子の押し出し φ∗ ⁣:Div⁡(E1)→Div⁡(E2)\varphi_{\ast}\colon \operatorname{Div}(E_1) \to \operatorname{Div}(E_2), ∑nP(P)↦∑nP(φ(P))\sum n_P (P) \mapsto \sum n_P (\varphi(P)) は次数を保つ準同型で、ノルム N=NK‾(E1)/φ∗K‾(E2)N = N_{\overline{K}(E_1)/\varphi^{\ast}\overline{K}(E_2)} について

φ∗(div⁡f)=div⁡((φ∗)−1N(f))(f∈K‾(E1)×)\varphi_{\ast}(\operatorname{div} f) = \operatorname{div}\bigl((\varphi^{\ast})^{-1} N(f)\bigr) \qquad (f \in \overline{K}(E_1)^{\times})

が成り立つ(主張。AEC II.3.6)。よって φ∗\varphi_{\ast} は準同型 Pic⁡0(E1)→Pic⁡0(E2)\operatorname{Pic}^0(E_1) \to \operatorname{Pic}^0(E_2) を誘導する。第2章の群法則(定理 2.10)より κi ⁣:Ei→Pic⁡0(Ei)\kappa_i\colon E_i \to \operatorname{Pic}^0(E_i), P↦[(P)−(O)]P \mapsto [(P) - (O)] は群の同型で、φ(O)=O\varphi(O) = O から φ∗(κ1(P))=[(φ(P))−(O)]=κ2(φ(P))\varphi_{\ast}(\kappa_1(P)) = [(\varphi(P)) - (O)] = \kappa_2(\varphi(P))。すなわち φ=κ2−1∘φ∗∘κ1\varphi = \kappa_2^{-1} \circ \varphi_{\ast} \circ \kappa_1 は準同型の合成である。□\square

したがって ker⁡φ\ker \varphi は部分群で(φ≠0\varphi \neq 0 なら有限)、分配法則 φ∘(ψ1+ψ2)=φ∘ψ1+φ∘ψ2\varphi \circ (\psi_1 + \psi_2) = \varphi \circ \psi_1 + \varphi \circ \psi_2 により End⁡(E)\operatorname{End}(E) は環になり、φ∘[m]=[m]∘φ\varphi \circ [m] = [m] \circ \varphi である。任意の射 α ⁣:E1→E2\alpha\colon E_1 \to E_2 は同種写像 τ−α(O)∘α\tau_{-\alpha(O)} \circ \alpha と平行移動 τα(O)\tau_{\alpha(O)} の合成である。

系 3.11 標数 ≠2\neq 2、EiE_i を補題 3.4 のとおりとする。00 でない同種写像 φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 は、定数でない RR と 00 でない SS(∈K‾(x)\in \overline{K}(x))で φ(x,y)=(R(x),yS(x))\varphi(x, y) = (R(x), yS(x)) と書ける。

証明. φ(−P)=−φ(P)\varphi(-P) = -\varphi(P) より、x∘φx \circ \varphi は [−1]∗[-1]^{\ast}(y↦−yy \mapsto -y で与えられる K‾(E1)\overline{K}(E_1) の K‾(x)\overline{K}(x) 上の自己同型)で不変、y∘φy \circ \varphi は符号を変える。K‾(E1)=K‾(x)⊕yK‾(x)\overline{K}(E_1) = \overline{K}(x) \oplus y\overline{K}(x) なので x∘φx \circ \varphi, (y∘φ)/y∈K‾(x)(y \circ \varphi)/y \in \overline{K}(x)。x∘φx \circ \varphi が定数 cc なら像は xx 座標が cc の点(高々 2 点)と OO からなる有限集合、y∘φ=0y \circ \varphi = 0 なら像は E2[2]E_2[2](4 点)に含まれ、いずれも全射でないので φ\varphi は定数になる。□\square

命題 3.12 (1) m≠0m \neq 0 なら [m][m] は定数でない。(2) Hom⁡(E1,E2)\operatorname{Hom}(E_1, E_2) はねじれのない Z\mathbb{Z} 加群で、End⁡(E)\operatorname{End}(E) は零因子をもたない標数 0 の環である。

証明. (1) 標数 ≠2\neq 2 で示す(標数 2 は AEC III.4.2)。E ⁣:y2=f(x)E\colon y^2 = f(x) とし、ff の根 ee について T=(e,0)T = (e, 0) は位数 2 の点である(第2章 命題 2.13(1))。mm が奇数なら [m]T=T≠O[m]T = T \neq O。ker⁡[2]\ker[2] は高々 4 点なので [2][2] は定数でない。m=2km′m = 2^k m'(m′m' 奇数)なら [m]=[2]k∘[m′][m] = [2]^k \circ [m'] は全射の合成である。(2) φ≠0\varphi \neq 0 は全射なので ψ∘φ=0\psi \circ \varphi = 0 なら ψ=0\psi = 0。これと (1) から [m]∘φ=0[m] \circ \varphi = 0, m≠0m \neq 0 なら φ=0\varphi = 0。□\square

定理 3.13 φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 を 00 でない同種写像とする。

  1. すべての Q∈E2Q \in E_2 で ∣φ−1(Q)∣=deg⁡sφ\lvert \varphi^{-1}(Q) \rvert = \deg_s \varphi、すべての P∈E1P \in E_1 で eφ(P)=deg⁡iφe_\varphi(P) = \deg_i \varphi。特に ∣ker⁡φ∣=deg⁡sφ\lvert \ker \varphi \rvert = \deg_s \varphi。
  2. φ\varphi が分離的なら、φ\varphi は不分岐で ∣ker⁡φ∣=deg⁡φ\lvert \ker \varphi \rvert = \deg \varphi。

証明. Q,Q′∈E2Q, Q' \in E_2 に対し φ(R)=Q′−Q\varphi(R) = Q' - Q となる RR をとると、P↦P+RP \mapsto P + R は φ−1(Q)\varphi^{-1}(Q) から φ−1(Q′)\varphi^{-1}(Q') への全単射(定理 3.10)なので、ファイバーの元の個数はすべて等しく、命題 3.2(2) より deg⁡sφ\deg_s \varphi である。また φ∘τR=τφ(R)∘φ\varphi \circ \tau_R = \tau_{\varphi(R)} \circ \varphi に命題 3.2(3) を使うと(平行移動の分岐指数は 1)eφ(P+R)=eφ(P)e_\varphi(P + R) = e_\varphi(P) で、eφe_\varphi は定数 ee。命題 3.2(1) より edeg⁡sφ=deg⁡φe \deg_s \varphi = \deg \varphi、e=deg⁡iφe = \deg_i \varphi。(2) は deg⁡iφ=1\deg_i \varphi = 1 の場合である。□\square

3.4 双対同種写像と次数の二次形式

定理 3.14(双対同種写像, dual isogeny、主張)φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 を次数 m≥1m \geq 1 の同種写像とする。φ^∘φ=[m]\hat{\varphi} \circ \varphi = [m] となる同種写像 φ^ ⁣:E2→E1\hat{\varphi}\colon E_2 \to E_1 がただ一つ存在する(双対同種写像)。[0]^=[0]\widehat{[0]} = [0] と約束すると、同種写像 φ,ψ ⁣:E1→E2\varphi, \psi\colon E_1 \to E_2, λ ⁣:E2→E3\lambda\colon E_2 \to E_3 について

  1. φ∘φ^=[deg⁡φ]\varphi \circ \hat{\varphi} = [\deg \varphi](E2E_2 上)。
  2. λ∘φ^=φ^∘λ^\widehat{\lambda \circ \varphi} = \hat{\varphi} \circ \hat{\lambda}。
  3. φ+ψ^=φ^+ψ^\widehat{\varphi + \psi} = \hat{\varphi} + \hat{\psi}。
  4. deg⁡φ^=deg⁡φ\deg \hat{\varphi} = \deg \varphi, φ^^=φ\hat{\hat{\varphi}} = \varphi。

参照:AEC III.6.1, III.6.2。証明の方針. φ^=κ1−1∘φ∗∘κ2\hat{\varphi} = \kappa_1^{-1} \circ \varphi^{\ast} \circ \kappa_2(φ∗\varphi^{\ast} は因子の引き戻し、κ1−1\kappa_1^{-1} は次数 0 の因子 ∑nP(P)\sum n_P (P) の類を和 ∑nPP\sum n_P P に写す)とおく。φ∗((Q))=∑φ(P)=Qeφ(P)(P)\varphi^{\ast}((Q)) = \sum_{\varphi(P) = Q} e_\varphi(P) (P) と定理 3.13 から、Q=φ(P0)Q = \varphi(P_0) なら φ−1(Q)=P0+ker⁡φ\varphi^{-1}(Q) = P_0 + \ker \varphi を使って φ^(Q)=deg⁡iφ(∑P∈φ−1(Q)P−∑R∈ker⁡φR)=(deg⁡φ)P0\hat{\varphi}(Q) = \deg_i \varphi \bigl(\sum_{P \in \varphi^{-1}(Q)} P - \sum_{R \in \ker \varphi} R\bigr) = (\deg \varphi)P_0 となる。難しいのは、これが射であること(AEC は [m][m] を φ\varphi で割る形で構成する)と加法性 (3) で、証明は AEC III.6 節を参照。(1) は φ∘φ^∘φ=[m]∘φ\varphi \circ \hat{\varphi} \circ \varphi = [m] \circ \varphi と φ\varphi の全射性から、(4) は系 3.15 と (1)、一意性から従う。□\square

系 3.15 任意の m∈Zm \in \mathbb{Z} について [m]^=[m]\widehat{[m]} = [m]、deg⁡[m]=m2\deg [m] = m^2。

証明. [±1][\pm 1] は次数 1 で [±1]∘[±1]=[1][\pm 1] \circ [\pm 1] = [1] なので [±1]^=[±1]\widehat{[\pm 1]} = [\pm 1]。定理 3.14(3) と帰納法で [m]^=[m]\widehat{[m]} = [m]。すると [deg⁡[m]]=[m]^∘[m]=[m2][\deg [m]] = \widehat{[m]} \circ [m] = [m^2] で、命題 3.12(1) より deg⁡[m]=m2\deg [m] = m^2。□\square

系 3.16(次数は正定値二次形式)φ,ψ∈Hom⁡(E1,E2)\varphi, \psi \in \operatorname{Hom}(E_1, E_2) に対し ⟨φ,ψ⟩=deg⁡(φ+ψ)−deg⁡φ−deg⁡ψ\langle \varphi, \psi \rangle = \deg(\varphi + \psi) - \deg \varphi - \deg \psi は Z\mathbb{Z} 双線形な対称形式で、⟨φ,φ⟩=2deg⁡φ\langle \varphi, \varphi \rangle = 2 \deg \varphi である。deg⁡φ≥0\deg \varphi \geq 0 で、等号は φ=0\varphi = 0 のときに限る。さらに

∣deg⁡(φ−ψ)−deg⁡φ−deg⁡ψ∣≤2deg⁡φ⋅deg⁡ψ\lvert \deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi \rvert \leq 2\sqrt{\deg \varphi \cdot \deg \psi}

証明. 定理 3.14(3) と分配法則より

[⟨φ,ψ⟩]=(φ+ψ)^∘(φ+ψ)−φ^∘φ−ψ^∘ψ=φ^∘ψ+ψ^∘φ[\langle \varphi, \psi \rangle] = \widehat{(\varphi + \psi)} \circ (\varphi + \psi) - \hat{\varphi} \circ \varphi - \hat{\psi} \circ \psi = \hat{\varphi} \circ \psi + \hat{\psi} \circ \varphi

右辺は φ\varphi, ψ\psi のそれぞれについて加法的で、n↦[n]n \mapsto [n] は単射なので ⟨⋅,⋅⟩\langle \cdot, \cdot \rangle は双線形である。系 3.15 より ⟨φ,φ⟩=deg⁡([2]∘φ)−2deg⁡φ=2deg⁡φ\langle \varphi, \varphi \rangle = \deg([2] \circ \varphi) - 2\deg \varphi = 2\deg \varphi。不等式:整数 m,nm, n について

0≤deg⁡(mφ−nψ)=m2deg⁡φ−mn⟨φ,ψ⟩+n2deg⁡ψ0 \leq \deg(m\varphi - n\psi) = m^2 \deg \varphi - mn \langle \varphi, \psi \rangle + n^2 \deg \psi

deg⁡ψ>0\deg \psi > 0 としてよい。n2n^2 で割ると、すべての有理数 rr について deg⁡φ⋅r2−⟨φ,ψ⟩r+deg⁡ψ≥0\deg \varphi \cdot r^2 - \langle \varphi, \psi \rangle r + \deg \psi \geq 0 で、連続性から実数 rr でも成り立つ。deg⁡φ>0\deg \varphi > 0 なら判別式が 00 以下、deg⁡φ=0\deg \varphi = 0 なら 1 次以下の式が常に 00 以上なので ⟨φ,ψ⟩=0\langle \varphi, \psi \rangle = 0。いずれにせよ ⟨φ,ψ⟩2≤4deg⁡φdeg⁡ψ\langle \varphi, \psi \rangle^2 \leq 4 \deg \varphi \deg \psi で、deg⁡(φ−ψ)−deg⁡φ−deg⁡ψ=−⟨φ,ψ⟩\deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi = -\langle \varphi, \psi \rangle から主張を得る。□\square

第4章のハッセの定理(定理 4.7)では、この不等式を φ=[1]\varphi = [1], ψ=ϕq\psi = \phi_q に使う。

3.5 等分多項式

[m][m] を座標で書く。この節では標数 ≠2,3\neq 2, 3、E ⁣:y2=x3+Ax+BE\colon y^2 = x^3 + Ax + B とする。

定義 3.17(等分多項式, division polynomial)A,B,x,yA, B, x, y の多項式 ψm\psi_m(m≥0m \geq 0)を

ψ0=0,ψ1=1,ψ2=2y,ψ3=3x4+6Ax2+12Bx−A2,ψ4=4y (x6+5Ax4+20Bx3−5A2x2−4ABx−8B2−A3),ψ2m+1=ψm+2ψm3−ψm−1ψm+13(m≥2),ψ2m=ψm2y(ψm+2ψm−12−ψm−2ψm+12)(m≥3)\begin{aligned} \psi_0 &= 0, \quad \psi_1 = 1, \quad \psi_2 = 2y, \quad \psi_3 = 3x^4 + 6Ax^2 + 12Bx - A^2, \\ \psi_4 &= 4y\,(x^6 + 5Ax^4 + 20Bx^3 - 5A^2x^2 - 4ABx - 8B^2 - A^3), \\ \psi_{2m+1} &= \psi_{m+2}\psi_m^3 - \psi_{m-1}\psi_{m+1}^3 \quad (m \geq 2), \\ \psi_{2m} &= \frac{\psi_m}{2y}\bigl(\psi_{m+2}\psi_{m-1}^2 - \psi_{m-2}\psi_{m+1}^2\bigr) \quad (m \geq 3) \end{aligned}

で定め(y2y^2 は x3+Ax+Bx^3 + Ax + B に置き換える)、ψ−1=−1\psi_{-1} = -1 として

ϕm=xψm2−ψm+1ψm−1,ωm=ψm+2ψm−12−ψm−2ψm+124y(m≥1)\phi_m = x\psi_m^2 - \psi_{m+1}\psi_{m-1}, \qquad \omega_m = \frac{\psi_{m+2}\psi_{m-1}^2 - \psi_{m-2}\psi_{m+1}^2}{4y} \qquad (m \geq 1)

とおく。ψm\psi_m を mm 等分多項式という。

記号は Washington, Elliptic Curves: Number Theory and Cryptography の 3.2 節に合わせた。添字が整数 mm の ϕm\phi_m は、添字が qq のフロベニウス ϕq\phi_q とは別物である(m=pm = p のように添字だけでは区別できないときは、そのつど断る)。

補題 3.18 (1) mm が奇数なら ψm∈Z[A,B,x]\psi_m \in \mathbb{Z}[A, B, x]、偶数なら ψm∈2yZ[A,B,x]\psi_m \in 2y\mathbb{Z}[A, B, x]。特に ψm2\psi_m^2 と ϕm\phi_m は xx だけの多項式である。(2) xx の多項式として ϕm=xm2+(低次)\phi_m = x^{m^2} + (\text{低次}), ψm2=m2xm2−1+(低次)\psi_m^2 = m^2x^{m^2 - 1} + (\text{低次})。

証明. (1) 漸化式による帰納法(Washington 3.2 節)。ψ0,…,ψ4\psi_0, \dots, \psi_4 は主張をみたす。ψ2m+1\psi_{2m+1} の漸化式の 2 項のうち、一方(mm が偶数なら ψm+2ψm3\psi_{m+2}\psi_m^3、奇数なら ψm−1ψm+13\psi_{m-1}\psi_{m+1}^3)は偶数添字の因子を 4 個もつので (2y)4(2y)^4 の倍数、他方は奇数添字の因子だけからなるので yy を含まず、y2y^2 を x3+Ax+Bx^3 + Ax + B に替えればどちらも Z[A,B,x]\mathbb{Z}[A, B, x] に入る。ψ2m\psi_{2m} の漸化式では、mm が偶数なら ψm/(2y)∈Z[A,B,x]\psi_m/(2y) \in \mathbb{Z}[A, B, x] で括弧の中の 2 項は ψm±2\psi_{m \pm 2} を因子にもつので 2y2y の倍数、mm が奇数なら括弧の中の 2 項は ψm∓12\psi_{m \mp 1}^2 を因子にもつので 4y24y^2 の倍数であり、いずれの場合も ψ2m∈2yZ[A,B,x]\psi_{2m} \in 2y\mathbb{Z}[A, B, x](m≤16m \leq 16 では計算機でも確かめた)。(2) xx に重さ 1、yy に重さ 3/23/2 を与えると、y2=x3+⋯y^2 = x^3 + \cdots の両辺の最大の重さは 3 でそろう。帰納法で「ψm\psi_m の重さ最大の項は mx(m2−1)/2m x^{(m^2 - 1)/2}(mm 奇数)または myx(m2−4)/2m y x^{(m^2 - 4)/2}(mm 偶数)で、重さは (m2−1)/2(m^2 - 1)/2」を示す。漸化式の右辺の 2 項の重さはいずれも左辺の添字 nn について (n2−1)/2(n^2 - 1)/2 になり(例:(m+2)2−12+3⋅m2−12=(2m+1)2−12\frac{(m+2)^2 - 1}{2} + 3 \cdot \frac{m^2 - 1}{2} = \frac{(2m + 1)^2 - 1}{2})、係数は恒等式

(m+2)m3−(m−1)(m+1)3=2m+1,m2((m+2)(m−1)2−(m−2)(m+1)2)=2m(m + 2)m^3 - (m - 1)(m + 1)^3 = 2m + 1, \qquad \frac{m}{2}\bigl((m + 2)(m - 1)^2 - (m - 2)(m + 1)^2\bigr) = 2m

で引き継がれる。よって ψm2\psi_m^2 の最高次の項は m2xm2−1m^2 x^{m^2 - 1}、ϕm\phi_m の xm2x^{m^2} の係数は m2−(m+1)(m−1)=1m^2 - (m + 1)(m - 1) = 1。□\square

定理 3.19([m][m] の座標表示、主張)m≥1m \geq 1, P=(x,y)∈EP = (x, y) \in E について、有理関数として

[m]P=(ϕm(x)ψm(x)2, ωm(x,y)ψm(x,y)3)[m]P = \left( \frac{\phi_m(x)}{\psi_m(x)^2},\ \frac{\omega_m(x, y)}{\psi_m(x, y)^3} \right)

参照:Washington 3.2 節(証明は同書 9.5 節。複素数体上で ℘\wp 関数と σ\sigma 関数を使い、多項式の恒等式として一般の体に移す)、AEC 演習 3.7。

例 3.20 m=2m = 2 では、λ=(3x2+A)/(2y)\lambda = (3x^2 + A)/(2y) として x(2P)=λ2−2xx(2P) = \lambda^2 - 2x の分子 (3x2+A)2−8x(x3+Ax+B)(3x^2 + A)^2 - 8x(x^3 + Ax + B) と ϕ2=4x(x3+Ax+B)−ψ3\phi_2 = 4x(x^3 + Ax + B) - \psi_3 がともに x4−2Ax2−8Bx+A2x^4 - 2Ax^2 - 8Bx + A^2、分母は ψ22=4y2\psi_2^2 = 4y^2 である。一般には、A,BA, B を文字のままにして、m=2m = 2 の公式と帰納段階「[m]P[m]P の公式に弦の公式で PP を足すと [m+1]P[m + 1]P の公式になる」(分母を払った多項式の恒等式)を 2≤m≤72 \leq m \leq 7 で計算機(sympy と PARI/GP)により確かめた。よって定理 3.19 は m≤8m \leq 8 では検証済みである(大きな素数 pp の Fp\mathbb{F}_p 上の曲線の点では、m≤40m \leq 40 の [m]P[m]P と公式の値が一致することも確かめた)。

系 3.21 (1) ϕm\phi_m と ψm2\psi_m^2 は(xx の多項式として)共通根をもたない。 (2) p∤mp \nmid m ならば [m][m] は分離的で ∣E[m]∣=m2\lvert E[m] \rvert = m^2、さらに ψm2=m2∏P∈E[m]∖{O}(x−x(P))\psi_m^2 = m^2 \prod_{P \in E[m] \setminus \lbrace O \rbrace} (x - x(P))。

証明. (1) 定理 3.19 より x∘[m]=ϕm/ψm2x \circ [m] = \phi_m/\psi_m^2 なので、系 3.11 と補題 3.4(1) より、deg⁡[m]\deg [m] は ϕm/ψm2\phi_m/\psi_m^2 を既約分数にしたときの分子と分母の次数の大きいほうである。deg⁡ϕm=m2>deg⁡ψm2\deg \phi_m = m^2 > \deg \psi_m^2 なので、次数 δ>0\delta > 0 の共通因子があれば deg⁡[m]=m2−δ\deg[m] = m^2 - \delta となり、系 3.15 に反する。

(2) (ϕm/ψm2)′(\phi_m/\psi_m^2)' の分子 ϕm′ψm2−ϕm(ψm2)′\phi_m'\psi_m^2 - \phi_m(\psi_m^2)' の x2m2−2x^{2m^2 - 2} の係数は m2⋅m2−(m2−1)m2=m2≠0m^2 \cdot m^2 - (m^2 - 1)m^2 = m^2 \neq 0(補題 3.18)。補題 3.4(2) より [m][m] は分離的で、定理 3.13(2) と系 3.15 より ∣E[m]∣=m2\lvert E[m] \rvert = m^2。x∘[m]x \circ [m] の極は [m]−1(O)=E[m][m]^{-1}(O) = E[m] の点で、不分岐性から位数はすべて 2。P∈E[m]∖{O}P \in E[m] \setminus \lbrace O \rbrace では (1) より ϕm(x(P))≠0\phi_m(x(P)) \neq 0 なので ord⁡Pψm(x)2=2\operatorname{ord}_P \psi_m(x)^2 = 2。例 3.3 より ord⁡P(x−x(P))\operatorname{ord}_P(x - x(P)) は 2P≠O2P \neq O なら 1、2P=O2P = O なら 2 だから、x(P)x(P) は ψm2\psi_m^2 の根として前者では重複度 2(±P\pm P が共有)、後者では重複度 1 をもつ。逆に ψm2\psi_m^2 の根の上の点では x∘[m]x \circ [m] が極をもつので E[m]E[m] に属する。次数 m2−1m^2 - 1 と最高次の係数 m2m^2 を比べて主張を得る。□\square

2≤m≤52 \leq m \leq 5 では ϕm\phi_m と ψm2\psi_m^2 の終結式が Δm2(m2−1)/6\Delta^{m^2(m^2 - 1)/6}(Δ=−16(4A3+27B2)\Delta = -16(4A^3 + 27B^2))に等しいことも計算機で確かめた。(1) を等分多項式の側から直接示して deg⁡[m]=m2\deg [m] = m^2 を導く方法もある(Washington 3.2 節)が、本書では逆に系 3.15 から (1) を導いた。

注意 3.22(不変微分と分離性)第1章 命題 1.22 の不変微分 ω\omega は平行移動で不変で(τQ∗ω=ω\tau_Q^{\ast}\omega = \omega)、同種写像について (φ+ψ)∗ω=φ∗ω+ψ∗ω(\varphi + \psi)^{\ast}\omega = \varphi^{\ast}\omega + \psi^{\ast}\omega が成り立つ(AEC III.5.1, III.5.2)。射が分離的であることは φ∗ω≠0\varphi^{\ast}\omega \neq 0 と同値なので(AEC II.4.2)、[m]∗ω=mω[m]^{\ast}\omega = m\omega から「[m][m] は p∤mp \nmid m なら分離的」が、ϕq∗ω=0\phi_q^{\ast}\omega = 0 から「1−ϕq1 - \phi_q は分離的」が、標数 2, 3 も含めて従う(AEC III.5.4, III.5.5)。系 3.21(2) はその初等的な代用である。

3.6 等分点の群

定理 3.23 p∤mp \nmid m ならば E[m]≅(Z/mZ)2E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2。

証明. 系 3.21(2)(標数 2, 3 では注意 3.22 と系 3.15)より、mm の約数 dd について ∣E[d]∣=d2\lvert E[d] \rvert = d^2。E[m]E[m] は mm で消える有限アーベル群なので E[m]≅Z/n1Z⊕⋯⊕Z/nkZE[m] \cong \mathbb{Z}/n_1\mathbb{Z} \oplus \cdots \oplus \mathbb{Z}/n_k\mathbb{Z}(1<n1∣⋯∣nk∣m1 < n_1 \mid \cdots \mid n_k \mid m。04-algebra 第7章 定理 7.16)と書ける。m>1m > 1 とし素数 ℓ∣n1\ell \mid n_1 をとると、E[ℓ]≅(Z/ℓZ)kE[\ell] \cong (\mathbb{Z}/\ell\mathbb{Z})^k の位数が ℓ2\ell^2 だから k=2k = 2。n1n2=m2n_1n_2 = m^2, ni∣mn_i \mid m より n1=n2=mn_1 = n_2 = m。□\square

K=CK = \mathbb{C} なら E(C)≅C/ΛE(\mathbb{C}) \cong \mathbb{C}/\Lambda(19-riemann-surfaces 第2章)で、E[m]=1mΛ/ΛE[m] = \frac{1}{m}\Lambda/\Lambda である。定理 3.23 は、これが任意の体の上で成り立つことを主張している。

定理 3.24(主張)標数 p>0p > 0 とする。すべての e≥1e \geq 1 で E[pe]={O}E[p^e] = \lbrace O \rbrace となるか、すべての e≥1e \geq 1 で E[pe]≅Z/peZE[p^e] \cong \mathbb{Z}/p^e\mathbb{Z} となるかのどちらかである。

参照:AEC III.6.4。証明の方針. ∣E[pe]∣=deg⁡s[pe]=(deg⁡s[p])e\lvert E[p^e] \rvert = \deg_s [p^e] = (\deg_s [p])^e である。[p]=ϕ^p∘ϕp[p] = \hat{\phi}_p \circ \phi_p で ϕp\phi_p は純非分離的だから、deg⁡s[p]=deg⁡sϕ^p\deg_s [p] = \deg_s \hat{\phi}_p は deg⁡ϕ^p=p\deg \hat{\phi}_p = p の約数で、11 か pp。pp なら ∣E[pe]∣=pe\lvert E[p^e] \rvert = p^e で、pp 等分点 E[p]E[p] が巡回群なので pp 群 E[pe]E[p^e] も巡回群である。□\square

前者の曲線を超特異 (supersingular)、後者を通常 (ordinary) という(第4章 定義 4.16・定理 4.17)。

例 3.25 補題 3.18(1) より ψm\psi_m は整数係数なので、 mod p\bmod p で還元すれば標数 pp の等分多項式になる。計算機で求めると y2=x3+x+1y^2 = x^3 + x + 1 では ψ5≡2(x2+2x+4)5(mod5)\psi_5 \equiv 2(x^2 + 2x + 4)^5 \pmod 5、y2=x3+1y^2 = x^3 + 1 では ψ5≡4(mod5)\psi_5 \equiv 4 \pmod 5, ψ7≡3(x3+3)7(mod7)\psi_7 \equiv 3(x^3 + 3)^7 \pmod 7、y2=x3−xy^2 = x^3 - x では ψ7≡6(mod7)\psi_7 \equiv 6 \pmod 7 である。系 3.21 の証明と同じ議論(x∘[p]x \circ [p] の極の位数は 2deg⁡i[p]2\deg_i[p])で、E[p]∖{O}E[p] \setminus \lbrace O \rbrace の点の xx 座標はちょうど ψp\psi_p の根で、重複度は deg⁡i[p]\deg_i [p] である。たとえば最初の例では x2+2x+4x^2 + 2x + 4 の 2 根が 4 点を与えて ∣E[5]∣=5\lvert E[5] \rvert = 5 となり、指数 5 は deg⁡i[5]=5\deg_i [5] = 5 を表す。ψp\psi_p が定数なら E[p]={O}E[p] = \lbrace O \rbrace(超特異)である。

3.7 2-同種写像とヴェルの公式

位数 2 の点 (0,0)(0, 0) を核とする同種写像は、第8章の降下法(8.5 節)の主役である。

命題 3.26(2-同種写像)標数 ≠2\neq 2, a,b∈Ka, b \in K, b(a2−4b)≠0b(a^2 - 4b) \neq 0 とし、E ⁣:y2=x(x2+ax+b)E\colon y^2 = x(x^2 + ax + b), E′ ⁣:Y2=X(X2−2aX+a2−4b)E'\colon Y^2 = X(X^2 - 2aX + a^2 - 4b) とする。

φ(x,y)=(y2x2, y(b−x2)x2),φ^(X,Y)=(Y24X2, Y(a2−4b−X2)8X2)\varphi(x, y) = \left( \frac{y^2}{x^2},\ \frac{y(b - x^2)}{x^2} \right), \qquad \hat{\varphi}(X, Y) = \left( \frac{Y^2}{4X^2},\ \frac{Y(a^2 - 4b - X^2)}{8X^2} \right)

は次数 2 の分離的な同種写像 φ ⁣:E→E′\varphi\colon E \to E', φ^ ⁣:E′→E\hat{\varphi}\colon E' \to E で、ker⁡φ\ker \varphi, ker⁡φ^\ker \hat{\varphi} はどちらも {O,(0,0)}\lbrace O, (0, 0) \rbrace であり、φ^∘φ=[2]E\hat{\varphi} \circ \varphi = [2]_E, φ∘φ^=[2]E′\varphi \circ \hat{\varphi} = [2]_{E'} が成り立つ。

証明. 2 つの 3 次式の判別式は b2(a2−4b)b^2(a^2 - 4b), 16b(a2−4b)216b(a^2 - 4b)^2 で 00 でない。φ\varphi が E′E' に入ること:X=y2/x2=(x2+ax+b)/xX = y^2/x^2 = (x^2 + ax + b)/x, X−a=(x2+b)/xX - a = (x^2 + b)/x より

X2−2aX+a2−4b=(X−a)2−4b=(x2−b)2x2,X(X2−2aX+a2−4b)=y2(x2−b)2x4=Y2X^2 - 2aX + a^2 - 4b = (X - a)^2 - 4b = \frac{(x^2 - b)^2}{x^2}, \qquad X(X^2 - 2aX + a^2 - 4b) = \frac{y^2(x^2 - b)^2}{x^4} = Y^2

E′E' は (a,b)(a, b) を (−2a,a2−4b)(-2a, a^2 - 4b) に替えた同じ形の曲線なので、E′E' に同じ構成を施して y2=x(x2+4ax+16b)y^2 = x(x^2 + 4ax + 16b) に行き、同型 (x,y)↦(x/4,y/8)(x, y) \mapsto (x/4, y/8) で EE に移したものが φ^\hat{\varphi} である。次数と核:x∘φ=(x2+ax+b)/xx \circ \varphi = (x^2 + ax + b)/x は既約分数で微分 1−b/x2≠01 - b/x^2 \neq 0 だから、補題 3.4 より次数 2 で分離的。x∘φx \circ \varphi は OO と (0,0)(0, 0) で極をもつので、定理 3.13(2) より核はこの 2 点である。φ^\hat{\varphi} も同様。

φ^∘φ=[2]\hat{\varphi} \circ \varphi = [2]:φ^(φ(P))\hat{\varphi}(\varphi(P)) の xx 座標は Y24X2=y2(b−x2)2/x44y4/x4=(x2−b)24y2\dfrac{Y^2}{4X^2} = \dfrac{y^2(b - x^2)^2/x^4}{4y^4/x^4} = \dfrac{(x^2 - b)^2}{4y^2}。加法公式で λ=(3x2+2ax+b)/(2y)\lambda = (3x^2 + 2ax + b)/(2y) とすると、x(2P)=λ2−a−2xx(2P) = \lambda^2 - a - 2x の分子は (3x2+2ax+b)2−4(a+2x)(x3+ax2+bx)=(x2−b)2(3x^2 + 2ax + b)^2 - 4(a + 2x)(x^3 + ax^2 + bx) = (x^2 - b)^2 で一致する。よってほとんどすべての PP で φ^(φ(P))=±2P\hat{\varphi}(\varphi(P)) = \pm 2P であり、yy 座標の比 ρ=y(φ^φ(P))/y(2P)∈K‾(x)\rho = y(\hat{\varphi}\varphi(P))/y(2P) \in \overline{K}(x) は無限個の点で ±1\pm 1 をとるので定数 ±1\pm 1 である。f=x3+ax2+bxf = x^3 + ax^2 + bx とおき、yy で割った yy 座標を x→∞x \to \infty で比べる(分子・分母の最高次の係数の比)と

y(φ^φ(P))y=(b−x2)((a2−4b)x4−f2)8x2f2→18,y(2P)y=3x2+2ax+b2f(x−(x2−b)24f)−1→98−1=18\frac{y(\hat{\varphi}\varphi(P))}{y} = \frac{(b - x^2)\bigl((a^2 - 4b)x^4 - f^2\bigr)}{8x^2f^2} \to \frac{1}{8}, \qquad \frac{y(2P)}{y} = \frac{3x^2 + 2ax + b}{2f}\left(x - \frac{(x^2 - b)^2}{4f}\right) - 1 \to \frac{9}{8} - 1 = \frac{1}{8}

なので ρ=1\rho = 1。最後に φ∘φ^∘φ=[2]∘φ\varphi \circ \hat{\varphi} \circ \varphi = [2] \circ \varphi と φ\varphi の全射性から φ∘φ^=[2]\varphi \circ \hat{\varphi} = [2]。□\square

yy 座標を含む 2 つの合成の等式は、sympy で有理関数の恒等式としても確かめた。定理 3.14 の一意性から、この φ^\hat{\varphi} は φ\varphi の双対同種写像である。

例 3.27 E ⁣:y2=x3−2xE\colon y^2 = x^3 - 2x(a=0a = 0, b=−2b = -2)、E′ ⁣:Y2=X3+8XE'\colon Y^2 = X^3 + 8X。P=(2,2)P = (2, 2) について φ(P)=(1,−3)\varphi(P) = (1, -3)(9=1+89 = 1 + 8)、φ^(1,−3)=(9/4,−21/8)\hat{\varphi}(1, -3) = (9/4, -21/8)。加法公式では λ=10/4\lambda = 10/4, x(2P)=25/4−4=9/4x(2P) = 25/4 - 4 = 9/4, y(2P)=52(2−94)−2=−218y(2P) = \frac{5}{2}(2 - \frac{9}{4}) - 2 = -\frac{21}{8} で、φ^(φ(P))=2P\hat{\varphi}(\varphi(P)) = 2P が確かめられる。

定理 3.28(ヴェルの公式, Vélu's formulas、主張)標数 ≠2,3\neq 2, 3, E ⁣:y2=x3+Ax+BE\colon y^2 = x^3 + Ax + B とし、G⊂EG \subset E を有限部分群とする。G2={Q∈G∣Q≠O, 2Q=O}G_2 = \lbrace Q \in G \mid Q \neq O,\ 2Q = O \rbrace とし、G∖(G2∪{O})=R⊔(−R)G \setminus (G_2 \cup \lbrace O \rbrace) = R \sqcup (-R) となる RR をとって S=G2∪RS = G_2 \cup R とおく。Q=(xQ,yQ)∈SQ = (x_Q, y_Q) \in S について、tQ=3xQ2+At_Q = 3x_Q^2 + A(Q∈G2Q \in G_2)、tQ=2(3xQ2+A)t_Q = 2(3x_Q^2 + A)(Q∈RQ \in R)、uQ=4yQ2u_Q = 4y_Q^2 とし、t=∑Q∈StQt = \sum_{Q \in S} t_Q, w=∑Q∈S(uQ+xQtQ)w = \sum_{Q \in S} (u_Q + x_Qt_Q) とおく。このとき E′ ⁣:Y2=X3+(A−5t)X+(B−7w)E'\colon Y^2 = X^3 + (A - 5t)X + (B - 7w) は楕円曲線で、

X=x+∑Q∈S(tQx−xQ+uQ(x−xQ)2),Y=y dXdxX = x + \sum_{Q \in S} \left( \frac{t_Q}{x - x_Q} + \frac{u_Q}{(x - x_Q)^2} \right), \qquad Y = y\,\frac{dX}{dx}

は核が GG の分離的な同種写像 E→E′E \to E'(次数 ∣G∣\lvert G \rvert)を定める。

参照:Washington(第2版)の同種写像の章。有限体上のランダムな曲線と位数 2, 3, 4, 5, 7 の巡回部分群(100 例余り)で、この公式(E′E' の係数と XX, YY の式)が PARI/GP の ellisogeny の出力と一致することを確かめた。核が GG の分離的な同種写像は、行き先の同型を除いて一意である(AEC III.4.12)。

例 3.29 (1) y2=x3−xy^2 = x^3 - x, G={O,(0,0)}G = \lbrace O, (0, 0) \rbrace なら t=−1t = -1, w=0w = 0 で E′ ⁣:Y2=X3+4XE'\colon Y^2 = X^3 + 4X, X=x−1/xX = x - 1/x。命題 3.26(a=0a = 0, b=−1b = -1)の φ\varphi と YY の符号だけが違う。(2) E ⁣:y2=x3+1E\colon y^2 = x^3 + 1 の 3 等分点は ψ3=3x(x3+4)\psi_3 = 3x(x^3 + 4) の根の上にあり、(0,±1)(0, \pm 1) は有理点である。G={O,(0,±1)}G = \lbrace O, (0, \pm 1) \rbrace では R={(0,1)}R = \lbrace (0, 1) \rbrace, t=0t = 0, w=4w = 4 で

E′ ⁣:Y2=X3−27,(x,y)↦(x3+4x2, y(x3−8)x3)E'\colon Y^2 = X^3 - 27, \qquad (x, y) \mapsto \left( \frac{x^3 + 4}{x^2},\ \frac{y(x^3 - 8)}{x^3} \right)

(u=x3u = x^3 とおくと (u+4)3−27u2=(u+1)(u−8)2(u + 4)^3 - 27u^2 = (u + 1)(u - 8)^2 なので像は確かに E′E' に入る)。EE, E′E' は Cremona のラベルで 36a1, 36a3 である。また、導手 11 の曲線 11a1 =[0,−1,1,−10,−20]= [0, -1, 1, -10, -20] を位数 5 の有理点 (5,5)(5, 5) の生成する部分群で割ると 11a2 =[0,−1,1,−7820,−263580]= [0, -1, 1, -7820, -263580] になる(PARI/GP で確かめた)。

3.8 ヴェイユ対

m≥2m \geq 2, p∤mp \nmid m とする。T∈E[m]T \in E[m] に対し、因子 m(T)−m(O)m(T) - m(O) は次数 0 で和が mT=OmT = O なので、第2章の主因子の判定法(系 2.11)より div⁡(f)=m(T)−m(O)\operatorname{div}(f) = m(T) - m(O) となる ff がある。mT′=TmT' = T となる T′T' をとると、[m][m] は不分岐だから [m]∗(T)−[m]∗(O)=∑R∈E[m]((T′+R)−(R))[m]^{\ast}(T) - [m]^{\ast}(O) = \sum_{R \in E[m]} \bigl((T' + R) - (R)\bigr) で、これも次数 0、和 m2T′=Om^2T' = O なので div⁡(g)\operatorname{div}(g) と書ける。f∘[m]f \circ [m] と gmg^m は同じ因子をもつので、定数倍を調整して f∘[m]=gmf \circ [m] = g^m とできる。S∈E[m]S \in E[m] なら g(X+S)m=f([m]X+[m]S)=f([m]X)=g(X)mg(X + S)^m = f([m]X + [m]S) = f([m]X) = g(X)^m なので、g(X+S)/g(X)g(X + S)/g(X) は μm\mu_m に値をとる XX の関数で、有限個の値しかとらないから定数である。

定義 3.30(ヴェイユ対, Weil pairing)em(S,T)=g(X+S)/g(X)∈μme_m(S, T) = g(X + S)/g(X) \in \mu_m と定め、em ⁣:E[m]×E[m]→μme_m\colon E[m] \times E[m] \to \mu_m を mm 次のヴェイユ対という。

定理 3.31(ヴェイユ対の性質、主張)

  1. 双線形:em(S1+S2,T)=em(S1,T)em(S2,T)e_m(S_1 + S_2, T) = e_m(S_1, T) e_m(S_2, T), em(S,T1+T2)=em(S,T1)em(S,T2)e_m(S, T_1 + T_2) = e_m(S, T_1) e_m(S, T_2)。
  2. 交代的:em(T,T)=1e_m(T, T) = 1。したがって em(S,T)=em(T,S)−1e_m(S, T) = e_m(T, S)^{-1}。
  3. 非退化:すべての S∈E[m]S \in E[m] で em(S,T)=1e_m(S, T) = 1 ならば T=OT = O。
  4. ガロア同変:EE が KK 上定義されていれば、σ∈Gal⁡(K‾/K)\sigma \in \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) について em(S,T)σ=em(Sσ,Tσ)e_m(S, T)^{\sigma} = e_m(S^{\sigma}, T^{\sigma})(PσP^{\sigma} は座標に σ\sigma を施した点)。
  5. 両立性:S∈E[mm′]S \in E[mm'], T∈E[m]T \in E[m] なら emm′(S,T)=em(m′S,T)e_{mm'}(S, T) = e_m(m'S, T)。

参照:AEC III.8.1。文献によっては、ここでの eme_m の逆数をヴェイユ対と呼ぶ流儀もある(性質は同じ)。たとえば PARI/GP の ellweilpairing(E, S, T, m) は em(T,S)=em(S,T)−1e_m(T, S) = e_m(S, T)^{-1} を返す(バージョン 2.15.4 で、gg を具体的に作って定義どおりに計算した値と比べて確かめた。第5章 例 5.17)。

系 3.32 (1) em(S,T)e_m(S, T) が 1 の原始 mm 乗根になる S,T∈E[m]S, T \in E[m] がある。(2) EE が KK 上定義され、E[m]⊂E(K)E[m] \subset E(K) ならば μm⊂K\mu_m \subset K。

証明. (1) 位数 mm の点 TT をとる(定理 3.23)。準同型 S↦em(S,T)S \mapsto e_m(S, T) の像は巡回群 μm\mu_m の部分群 μd\mu_d(d∣md \mid m)である。すべての SS で em(S,dT)=em(S,T)d=1e_m(S, dT) = e_m(S, T)^d = 1 なので、非退化性から dT=OdT = O、よって d=md = m。

(2) (1) の S,TS, T と ζ=em(S,T)\zeta = e_m(S, T) をとる。S,T∈E(K)S, T \in E(K) なので、任意の σ∈Gal⁡(K‾/K)\sigma \in \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) について σ(ζ)=em(Sσ,Tσ)=ζ\sigma(\zeta) = e_m(S^{\sigma}, T^{\sigma}) = \zeta。ζ∉K\zeta \notin K なら、KK は完全体なので ζ\zeta の最小多項式は分離的で別の根 ζ′\zeta' をもち、04 第8章 補題 8.25 と定理 8.31 の証明の議論により σ(ζ)=ζ′\sigma(\zeta) = \zeta' となる σ\sigma がある。これは矛盾なので ζ∈K\zeta \in K、μm=⟨ζ⟩⊂K\mu_m = \langle \zeta \rangle \subset K。□\square

例 3.33 (1) Q\mathbb{Q} の 1 のべき根は ±1\pm 1 だけなので、Q\mathbb{Q} 上の楕円曲線で E[m]⊂E(Q)E[m] \subset E(\mathbb{Q}) となるのは m≤2m \leq 2 に限る。y2=x3−xy^2 = x^3 - x では E[2]={O,(0,0),(±1,0)}⊂E(Q)E[2] = \lbrace O, (0, 0), (\pm 1, 0) \rbrace \subset E(\mathbb{Q})。(2) y2=x3+1y^2 = x^3 + 1 の 3 等分点の座標を Q\mathbb{Q} に添加した体は Q(23,ζ3)\mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) で(問題 3.3)、μ3\mu_3 を含む。(3) Fq\mathbb{F}_q 上では、p∤mp \nmid m のとき「E[m]⊂E(Fq)E[m] \subset E(\mathbb{F}_q) ならば m∣q−1m \mid q - 1」となる(μm\mu_m は位数 mm で、Fq×\mathbb{F}_q^{\times} は位数 q−1q - 1 の巡回群)。これが第4章の群構造の定理(定理 4.14)の鍵である。

3.9 自己準同型環

定理 3.34(自己準同型環の分類、主張)End⁡(E)\operatorname{End}(E) は (i) Z\mathbb{Z}、(ii) 虚二次体の整環、(iii) 定符号四元数環の整環 のいずれかに同型である。標数 0 では (iii) は起こらない。

参照:AEC III.9 節。整環 (order) とは、Q\mathbb{Q} 上有限次元の代数の部分環で、有限生成 Z\mathbb{Z} 加群であり全体を Q\mathbb{Q} 上張るものをいう。定符号四元数環とは、α2,β2\alpha^2, \beta^2 が負の有理数で βα=−αβ\beta\alpha = -\alpha\beta となる Q+Qα+Qβ+Qαβ\mathbb{Q} + \mathbb{Q}\alpha + \mathbb{Q}\beta + \mathbb{Q}\alpha\beta の形の非可換な代数である。証明の鍵は、End⁡(E)\operatorname{End}(E) が階数 4 以下の自由 Z\mathbb{Z} 加群であること(テイト加群(3.10 節)への作用が単射であることから従う。AEC III.7 節)と、φ↦φ^\varphi \mapsto \hat{\varphi} が反自己同型で φ^φ=[deg⁡φ]\hat{\varphi}\varphi = [\deg \varphi] が正定値な「ノルム」になること(系 3.16)である。(ii), (iii) のとき EE は虚数乗法 (complex multiplication, CM) をもつという。標数 p>0p > 0 で (iii) が起こるのは EE が超特異(3.6 節)のときに限り(AEC V.3.1、第4章 定理 4.17)、そのとき End⁡(E)\operatorname{End}(E) は pp だけで決まる定符号四元数環(pp と ∞\infty だけで分岐するもの)の極大整環(包含について極大な整環)になる(ドイリング。主張)。

例 3.35 (1) 標数 ≠2\neq 2 で E ⁣:y2=x3−xE\colon y^2 = x^3 - x の [i][i] は [i]∘[i]=[−1][i] \circ [i] = [-1] をみたす自己同型である。[i]^=[i]−1=−[i]\widehat{[i]} = [i]^{-1} = -[i] と定理 3.14(2), (3)、系 3.15 から、a,b∈Za, b \in \mathbb{Z} について [deg⁡(a+b[i])]=(a−b[i])(a+b[i])=a2+b2[\deg(a + b[i])] = (a - b[i])(a + b[i]) = a^2 + b^2。よって Z[i]⊂End⁡(E)\mathbb{Z}[i] \subset \operatorname{End}(E) である。標数 0 では End⁡(E)\operatorname{End}(E) は Q(i)\mathbb{Q}(i) の整環で、整環は整数環 Z[i]\mathbb{Z}[i] に含まれるので End⁡(E)=Z[i]\operatorname{End}(E) = \mathbb{Z}[i]。

(2) 標数 ≠2,3\neq 2, 3 で E ⁣:y2=x3+1E\colon y^2 = x^3 + 1, ρ(x,y)=(ζ3x,y)\rho(x, y) = (\zeta_3 x, y)(ζ3\zeta_3 は 1 の原始 3 乗根)とする。xy≠0xy \neq 0 の点 PP では、P,ρ(P),ρ2(P)P, \rho(P), \rho^2(P) は直線 Y=yY = y と EE の 3 交点なので和は OO。よって同種写像 1+ρ+ρ21 + \rho + \rho^2 は [0][0] で、ρ2+ρ+1=0\rho^2 + \rho + 1 = 0。(1) と同様に deg⁡(a+bρ)=a2−ab+b2\deg(a + b\rho) = a^2 - ab + b^2 で、Z[ζ3]⊂End⁡(E)\mathbb{Z}[\zeta_3] \subset \operatorname{End}(E)。1−ρ1 - \rho は次数 3、核は ρ(P)=P\rho(P) = P となる点 {O,(0,±1)}\lbrace O, (0, \pm 1) \rbrace で、例 3.29(2) と同じ核である(Y2=X3−27Y^2 = X^3 - 27 は EE の −3-3 による二次ツイストで、Q(−3)\mathbb{Q}(\sqrt{-3}) 上 EE に同型)。

(3) EE が Fq\mathbb{F}_q 上定義されていれば ϕq∈End⁡(E)\phi_q \in \operatorname{End}(E) で、第4章の定理 4.8(2) で ϕq2−aqϕq+q=0\phi_q^2 - a_q\phi_q + q = 0 を示す。p≡3(mod4)p \equiv 3 \pmod 4 なら y2=x3−xy^2 = x^3 - x の End⁡(E)\operatorname{End}(E) は可換でなく (iii) の型になる(問題 3.8)。

3.10 テイト加群とガロア表現(紹介)

ℓ≠p\ell \neq p を素数とする。[ℓ] ⁣:E[ℓn+1]→E[ℓn][\ell]\colon E[\ell^{n+1}] \to E[\ell^n] による射影極限 Tℓ(E)=lim←⁡nE[ℓn]T_\ell(E) = \varprojlim_n E[\ell^n] を ℓ\ell 進テイト加群 (Tate module) という。定理 3.23 より Tℓ(E)≅Zℓ2T_\ell(E) \cong \mathbb{Z}_\ell^2(Zℓ\mathbb{Z}_\ell は ℓ\ell 進整数環)で、C\mathbb{C} 上では Tℓ(E)≅Λ⊗ZℓT_\ell(E) \cong \Lambda \otimes \mathbb{Z}_\ell と「格子の代数的な代わり」になる。EE が KK 上定義されていれば GK=Gal⁡(K‾/K)G_K = \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) が各 E[ℓn]E[\ell^n] に作用し、ℓ\ell 進ガロア表現

ρE,ℓ ⁣:GK→Aut⁡(Tℓ(E))≅GL⁡2(Zℓ),ρˉE,ℓ ⁣:GK→Aut⁡(E[ℓ])≅GL⁡2(Fℓ)\rho_{E, \ell}\colon G_K \to \operatorname{Aut}(T_\ell(E)) \cong \operatorname{GL}_2(\mathbb{Z}_\ell), \qquad \bar{\rho}_{E, \ell}\colon G_K \to \operatorname{Aut}(E[\ell]) \cong \operatorname{GL}_2(\mathbb{F}_\ell)

を得る(後者は  mod ℓ\bmod \ell 還元)。ヴェイユ対のガロア同変性から、行列式は円分指標になる:σ(ζℓ)=ζℓdet⁡ρˉE,ℓ(σ)\sigma(\zeta_\ell) = \zeta_\ell^{\det \bar{\rho}_{E,\ell}(\sigma)}(ℓ\ell 進版も同様。AEC III.8 節)。たとえば y2=x3+1y^2 = x^3 + 1 では Q(E[3])=Q(23,ζ3)\mathbb{Q}(E[3]) = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) なので ρˉE,3\bar{\rho}_{E,3} の像は S3\mathfrak{S}_3 に同型で、行列式が自明でない元はちょうど ζ3\zeta_3 を動かす元である。

有限体上ではフロベニウス ϕq\phi_q が Tℓ(E)T_\ell(E) に作用し、その固有多項式は X2−aqX+qX^2 - a_qX + q になる(AEC V.2 節)。これは第4章の点の個数の公式(定理 4.9・注意 4.11)の線形代数的な意味である。ρE,ℓ\rho_{E,\ell} の像の大きさ(セールの開像定理)は第9章の定理 9.24 で、保型形式との関係(モジュラー性)は第10章の定理 10.5 で扱う。

まとめ

  • 曲線の射の次数は関数体の拡大次数で、分離次数と非分離次数に分かれる。フロベニウス射 ϕq\phi_q は次数 qq の純非分離な射である。
  • 同種写像は群の準同型である(Pic⁡0\operatorname{Pic}^0 を経由)。00 でない同種写像では ∣ker⁡φ∣=deg⁡sφ\lvert \ker \varphi \rvert = \deg_s \varphi、分離的なら ∣ker⁡φ∣=deg⁡φ\lvert \ker \varphi \rvert = \deg \varphi。
  • 双対同種写像(主張)から deg⁡[m]=m2\deg [m] = m^2 と「次数は正定値二次形式」が従い、∣deg⁡(φ−ψ)−deg⁡φ−deg⁡ψ∣≤2deg⁡φdeg⁡ψ\lvert \deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi \rvert \leq 2\sqrt{\deg \varphi \deg \psi} を得る。
  • 等分多項式で [m]P=(ϕm/ψm2,ωm/ψm3)[m]P = (\phi_m/\psi_m^2, \omega_m/\psi_m^3)(主張、m≤8m \leq 8 で検証)。ϕm\phi_m と ψm2\psi_m^2 は互いに素で、p∤mp \nmid m なら [m][m] は分離的。
  • p∤mp \nmid m なら E[m]≅(Z/mZ)2E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2。標数 pp では E[pe]E[p^e] は 00(超特異)か Z/peZ\mathbb{Z}/p^e\mathbb{Z}(通常)。
  • y2=x(x2+ax+b)y^2 = x(x^2 + ax + b) の 2-同種写像とその双対の合成は [2][2]。有限部分群を核とする同種写像はヴェルの公式で書ける。
  • ヴェイユ対は双線形・交代的・非退化・ガロア同変で、E[m]⊂E(K)E[m] \subset E(K) ならば μm⊂K\mu_m \subset K。
  • End⁡(E)\operatorname{End}(E) は Z\mathbb{Z}、虚二次体の整環、四元数環の整環のいずれか。y2=x3−xy^2 = x^3 - x は Z[i]\mathbb{Z}[i]、y2=x3+1y^2 = x^3 + 1 は Z[ζ3]\mathbb{Z}[\zeta_3] を含む。テイト加群からガロア表現 ρE,ℓ\rho_{E,\ell} が得られる。

演習問題

問題 3.1 ★ 系 3.16 を使って、同種写像 φ,ψ ⁣:E1→E2\varphi, \psi\colon E_1 \to E_2 について中線定理 deg⁡(φ+ψ)+deg⁡(φ−ψ)=2deg⁡φ+2deg⁡ψ\deg(\varphi + \psi) + \deg(\varphi - \psi) = 2\deg \varphi + 2\deg \psi を示せ。

解答

双線形性より deg⁡(φ±ψ)=deg⁡φ+deg⁡ψ+⟨φ,±ψ⟩=deg⁡φ+deg⁡ψ±⟨φ,ψ⟩\deg(\varphi \pm \psi) = \deg \varphi + \deg \psi + \langle \varphi, \pm\psi \rangle = \deg \varphi + \deg \psi \pm \langle \varphi, \psi \rangle で、2 式を足せばよい。たとえば y2=x3−xy^2 = x^3 - x の [1][1], [i][i] では deg⁡(1+[i])+deg⁡(1−[i])=4\deg(1 + [i]) + \deg(1 - [i]) = 4 で、例 3.35(1) より実際どちらも 2 である。

問題 3.2 ★ E ⁣:y2=x3−xE\colon y^2 = x^3 - x(Q\mathbb{Q} 上)の ψ3\psi_3 を求め、E(Q)E(\mathbb{Q}) に位数 3 の点がないことを示せ。

解答

A=−1A = -1, B=0B = 0 として ψ3=3x4−6x2−1\psi_3 = 3x^4 - 6x^2 - 1。系 3.21(2) より、E[3]∖{O}E[3] \setminus \lbrace O \rbrace の点の xx 座標はちょうど ψ3\psi_3 の根である。有理根の候補 ±1,±1/3\pm 1, \pm 1/3 での値は −4-4, −44/27-44/27 で、どれも根でない。有理点なら xx 座標は有理数なので、位数 3 の有理点はない(根は x2=1±2/3x^2 = 1 \pm 2/\sqrt{3})。

問題 3.3 ★★ E ⁣:y2=x3+1E\colon y^2 = x^3 + 1(Q\mathbb{Q} 上)の E[2]E[2], E[3]E[3] の点をすべて求め、等分点の座標を Q\mathbb{Q} に添加した体 Q(E[2])\mathbb{Q}(E[2]), Q(E[3])\mathbb{Q}(E[3]) と Q\mathbb{Q} 上の次数を求めよ。系 3.32 と矛盾しないことを確かめよ。

解答

x3+1=(x+1)(x2−x+1)x^3 + 1 = (x + 1)(x^2 - x + 1) より E[2]={O,(−1,0),((1±−3)/2,0)}E[2] = \lbrace O, (-1, 0), ((1 \pm \sqrt{-3})/2, 0) \rbrace, Q(E[2])=Q(−3)\mathbb{Q}(E[2]) = \mathbb{Q}(\sqrt{-3}) で次数 2。ψ3=3x(x3+4)\psi_3 = 3x(x^3 + 4) より、x=0x = 0 から (0,±1)(0, \pm 1)、x=−43ζ3kx = -\sqrt[3]{4}\zeta_3^k(k=0,1,2k = 0, 1, 2)から y2=−3y^2 = -3, y=±−3y = \pm\sqrt{-3}。合わせて 8 点と OO で 9 点(定理 3.23 と一致)。23=(43)2/2\sqrt[3]{2} = (\sqrt[3]{4})^2/2, −3=2ζ3+1\sqrt{-3} = 2\zeta_3 + 1 より Q(E[3])=Q(23,ζ3)\mathbb{Q}(E[3]) = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) で、これは x3−2x^3 - 2 の分解体なので次数 6(04 第8章 例 8.28(1))。系 3.32 より μ3⊂Q(E[3])\mu_3 \subset \mathbb{Q}(E[3]) のはずで、実際 ζ3\zeta_3 を含む。

問題 3.4 ★★ 標数 ≠2\neq 2 で E ⁣:y2=x3−xE\colon y^2 = x^3 - x とする。(1) x((1+[i])P)=−i2⋅x2−1xx((1 + [i])P) = -\frac{i}{2} \cdot \frac{x^2 - 1}{x} を示し、deg⁡(1+[i])=2\deg(1 + [i]) = 2, ker⁡(1+[i])={O,(0,0)}\ker(1 + [i]) = \lbrace O, (0, 0) \rbrace を確かめよ。(2) 命題 3.26 の φ ⁣:E→E′ ⁣:Y2=X3+4X\varphi\colon E \to E'\colon Y^2 = X^3 + 4X と同型 E′→EE' \to E, (X,Y)↦(u−2X,u−3Y)(X, Y) \mapsto (u^{-2}X, u^{-3}Y)(u2=2iu^2 = 2i)の合成は、1+[i]1 + [i] と xx 座標が一致することを示せ。

解答

(1) x≠0x \neq 0 なら PP と [i]P=(−x,iy)[i]P = (-x, iy) の xx 座標は異なり、λ=(iy−y)/(−2x)=(1−i)y/(2x)\lambda = (iy - y)/(-2x) = (1 - i)y/(2x), x(P+[i]P)=λ2−x+x=(1−i)2(x3−x)/(4x2)=−i(x2−1)/(2x)x(P + [i]P) = \lambda^2 - x + x = (1 - i)^2(x^3 - x)/(4x^2) = -i(x^2 - 1)/(2x)。分子と分母は互いに素で微分 −i2(1+x−2)≠0-\frac{i}{2}(1 + x^{-2}) \neq 0 だから、補題 3.4 より次数 2 で分離的、定理 3.13(2) より核は 2 点で、極 x=0x = 0 の点 (0,0)(0, 0) と OO である。(2) x(φ(P))=y2/x2=(x2−1)/xx(\varphi(P)) = y^2/x^2 = (x^2 - 1)/x, u−2=1/(2i)=−i/2u^{-2} = 1/(2i) = -i/2 なので一致する。同型であること:(u−3Y)2=u−6(X3+4X)(u^{-3}Y)^2 = u^{-6}(X^3 + 4X) が (u−2X)3−u−2X(u^{-2}X)^3 - u^{-2}X に等しい条件は u4=−4u^4 = -4 で、u4=(2i)2=−4u^4 = (2i)^2 = -4。よって 1+[i]1 + [i] は、±\pm を除いて φ\varphi と同型の合成である。

問題 3.5 ★ R\mathbb{R} 上の楕円曲線 EE で E[m]⊂E(R)E[m] \subset E(\mathbb{R}) となる m≥2m \geq 2 は m=2m = 2 に限ることを示し、m=2m = 2 の例を挙げよ。

解答

系 3.32(2) より μm⊂R\mu_m \subset \mathbb{R}。R\mathbb{R} に含まれる 1 のべき根は ±1\pm 1 だけなので m≤2m \leq 2。y2=x3−xy^2 = x^3 - x では E[2]={O,(0,0),(±1,0)}⊂E(R)E[2] = \lbrace O, (0, 0), (\pm 1, 0) \rbrace \subset E(\mathbb{R}) である。

問題 3.6 ★★ 標数 p≥5p \geq 5 とする。ψp\psi_p の x(p2−1)/2x^{(p^2 - 1)/2} の係数 pp が 00 になることを使って、∣E[p]∣≤p\lvert E[p] \rvert \leq p を示せ(定理 3.24 の一部の初等的な証明になる)。

解答

P∈E[p]∖{O}P \in E[p] \setminus \lbrace O \rbrace では x∘[p]=ϕp/ψp2x \circ [p] = \phi_p/\psi_p^2(ここでの ϕp\phi_p は定義 3.17 の多項式で、フロベニウス射ではない)が極をもつので ψp(x(P))=0\psi_p(x(P)) = 0。pp は奇数なので E[p]E[p] に位数 2 の点はなく、E[p]∖{O}E[p] \setminus \lbrace O \rbrace の点の xx 座標は (∣E[p]∣−1)/2(\lvert E[p] \rvert - 1)/2 個の値をとり、すべて ψp\psi_p(xx の多項式)の根である。ψp≠0\psi_p \neq 0 である(定理 3.19 の等式は分母を払って ψp2⋅(x∘[p])=ϕp\psi_p^2 \cdot (x \circ [p]) = \phi_p とも書け、右辺は最高次の係数が 11 の多項式(補題 3.18(2))なので 00 でない)。補題 3.18 の証明より ψp\psi_p の次数は (p2−1)/2(p^2 - 1)/2 以下で、その次数の係数 pp は 00 だから次数は (p2−1)/2(p^2 - 1)/2 未満。よって ∣E[p]∣<p2\lvert E[p] \rvert < p^2。E[p]E[p] は Fp\mathbb{F}_p 上のベクトル空間で ∣E[p]∣=deg⁡s[p]≤p2\lvert E[p] \rvert = \deg_s[p] \leq p^2 だから、次元は 1 以下、∣E[p]∣≤p\lvert E[p] \rvert \leq p。

問題 3.7 ★ EE を Fq\mathbb{F}_q 上の楕円曲線とする。(1) E(Fqn)=ker⁡(1−ϕqn)E(\mathbb{F}_{q^n}) = \ker(1 - \phi_q^n) を示せ。(2) ϕq\phi_q は E(F‾q)E(\overline{\mathbb{F}}_q) の全単射なのに次数は qq である。これが定理 3.13 と矛盾しない理由を述べよ。

解答

(1) ϕqn=ϕqn\phi_q^n = \phi_{q^n} で、a∈F‾qa \in \overline{\mathbb{F}}_q が Fqn\mathbb{F}_{q^n} に属することは aqn=aa^{q^n} = a と同値(04 第8章 定理 8.41(2))。よって ϕqn(P)=P  ⟺  P∈E(Fqn)\phi_q^n(P) = P \iff P \in E(\mathbb{F}_{q^n})。(2) ϕq\phi_q は純非分離的なので deg⁡sϕq=1\deg_s \phi_q = 1、deg⁡iϕq=q\deg_i \phi_q = q で、定理 3.13(1) より各ファイバーは 1 点、分岐指数はどこでも qq である。「核の位数 == 次数」は分離的な場合だけの主張である。

問題 3.8 ★★ p≡3(mod4)p \equiv 3 \pmod 4 を素数とし、E ⁣:y2=x3−xE\colon y^2 = x^3 - x を F‾p\overline{\mathbb{F}}_p 上で考える。ϕp∘[i]=−[i]∘ϕp\phi_p \circ [i] = -[i] \circ \phi_p を示し、End⁡(E)\operatorname{End}(E) が可換でないことを結論せよ。定理 3.34 のどの型か。

解答

ip=i3=−ii^p = i^3 = -i なので ϕp([i](x,y))=(−xp,−iyp)\phi_p([i](x, y)) = (-x^p, -iy^p)、[i](ϕp(x,y))=(−xp,iyp)[i](\phi_p(x, y)) = (-x^p, iy^p)。よって ϕp∘[i]=−[i]∘ϕp\phi_p \circ [i] = -[i] \circ \phi_p。可換なら 2[i]∘ϕp=02[i] \circ \phi_p = 0 だが、End⁡(E)\operatorname{End}(E) は零因子もねじれもなく(命題 3.12)、[i],ϕp≠0[i], \phi_p \neq 0 なので矛盾。(i), (ii) は可換なので (iii) の型(四元数環の整環)である。この曲線は超特異である(第4章 定理 4.18(2))。

問題 3.9 ★★ 標数 0 で E ⁣:y2=x3−xE\colon y^2 = x^3 - x の 2 等分点 Q=(1,0)Q = (1, 0) を核とする同種写像の行き先をヴェルの公式で求め、その jj 不変量を計算して EE と同型でないことを確かめよ。

解答

Q∈G2Q \in G_2 なので tQ=3−1=2t_Q = 3 - 1 = 2, uQ=0u_Q = 0, t=2t = 2, w=xQtQ=2w = x_Qt_Q = 2。E′ ⁣:Y2=X3−11X−14E'\colon Y^2 = X^3 - 11X - 14, X=x+2/(x−1)X = x + 2/(x - 1)。4(−11)3+27(−14)2=−5324+5292=−324(-11)^3 + 27(-14)^2 = -5324 + 5292 = -32 より j(E′)=1728⋅(−5324)/(−32)=287496=663≠1728=j(E)j(E') = 1728 \cdot (-5324)/(-32) = 287496 = 66^3 \neq 1728 = j(E) なので、第1章 定理 1.15(1) より(K‾\overline{K} 上でも)同型でない。E′E' は Cremona のラベルで 32a3 である(PARI/GP で確かめた)。

問題 3.10 ★★ φ ⁣:E1→E2\varphi\colon E_1 \to E_2 を分離的な同種写像で、次数が標数と異なる素数 ℓ\ell であるとする。ker⁡φ^=φ(E1[ℓ])\ker \hat{\varphi} = \varphi(E_1[\ell]) を示せ。

解答

R∈ker⁡φR \in \ker \varphi なら ℓR=φ^(φ(R))=O\ell R = \hat{\varphi}(\varphi(R)) = O なので ker⁡φ⊂E1[ℓ]\ker \varphi \subset E_1[\ell]。φ\varphi を E1[ℓ]E_1[\ell](位数 ℓ2\ell^2)に制限した核は ker⁡φ\ker \varphi(位数 ℓ\ell、定理 3.13(2))なので、像の位数は ℓ\ell。φ^(φ(P))=ℓP=O\hat{\varphi}(\varphi(P)) = \ell P = O より像は ker⁡φ^\ker \hat{\varphi} に含まれ、∣ker⁡φ^∣=deg⁡sφ^≤deg⁡φ^=ℓ\lvert \ker \hat{\varphi} \rvert = \deg_s \hat{\varphi} \leq \deg \hat{\varphi} = \ell(定理 3.14(4))なので一致する。

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