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 q q q 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 Pic 0 を 使って 証明できる
双対同種写像の 性質から deg [ m ] = m 2 \deg [m] = m^2 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] [ m ] を 計算し、標数が m m m を 割らない とき E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 E [ m ] ≅ ( Z / m 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) E [ m ] ⊂ E ( K ) ならば μ m ⊂ K \mu_m \subset K μ m ⊂ 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 ℓ 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 m m m 倍写像 [ m ] [m] [ m ] と、有限体上の フロベニウス射 ϕ q \phi_q ϕ q である。[ m ] [m] [ m ] の 核 E [ m ] E[m] E [ m ] (m m m 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 ( F q ) ∣ = deg ( 1 − ϕ q ) \lvert E(\mathbb{F}_q) \rvert = \deg(1 - \phi_q) ∣ E ( F q )∣ = deg ( 1 − ϕ 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 ] = m 2 \deg[m] = m^2 deg [ m ] = m 2 を 導き、等分 多項式で [ m ] [m] [ m ] を 具体的に 書いて E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 E [ m ] ≅ ( Z / m 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. K K K 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} 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} K 上で 考える。楕円曲線 E E E は ワイエルシュトラス方程式で 与え、 E E E と 書いて E ( K ‾ ) E(\overline{K}) E ( K ) も 表す。 p = char K p = \operatorname{char} K p = char K (p = 0 p = 0 p = 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 : C 1 → C 2 \varphi\colon C_1 \to C_2 φ : C 1 → C 2 を 曲線の 射と する。 φ \varphi φ 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 ‾ ( C 2 ) → K ‾ ( C 1 ) \varphi^{\ast}\colon \overline{K}(C_2) \to \overline{K}(C_1) φ ∗ : K ( C 2 ) → K ( C 1 ) , f ↦ f ∘ φ f \mapsto f \circ \varphi f ↦ f ∘ φ は 体の 単射で、 K ‾ ( C 1 ) \overline{K}(C_1) K ( C 1 ) は φ ∗ K ‾ ( C 2 ) \varphi^{\ast}\overline{K}(C_2) φ ∗ K ( C 2 ) の 有限次拡大に なる(どちらも K ‾ \overline{K} 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 φ に 対し deg φ = [ K ‾ ( C 1 ) : φ ∗ K ‾ ( C 2 ) ] \deg \varphi = [\overline{K}(C_1) : \varphi^{\ast}\overline{K}(C_2)] deg φ = [ K ( C 1 ) : φ ∗ 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 φ 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 s φ \deg_s \varphi deg s φ , deg i φ \deg_i \varphi deg i φ と 書く( deg φ = deg s φ ⋅ deg i φ \deg \varphi = \deg_s \varphi \cdot \deg_i \varphi deg φ = deg s φ ⋅ deg i φ )。定数写像の 次数は 0 0 0 と する。 P ∈ C 1 P \in C_1 P ∈ C 1 での 分岐指数 は、φ ( P ) \varphi(P) φ ( P ) での 局所パラメータ t t t に より e φ ( P ) = ord P ( φ ∗ t ) e_\varphi(P) = \operatorname{ord}_P(\varphi^{\ast}t) e φ ( P ) = ord P ( φ ∗ t ) と 定める(14 第8章 定義 8.4)。
ここで 有限次拡大 L / M L/M L / M の 分離次数とは、 M M M 上分離的な L L L の 元全体が なす中間体 L s L_s L s ( これが 中間体に なる ことは 標準的な 事実)に ついて [ L s : M ] [L_s : M] [ L s : M ] 、非分離次数は [ L : L s ] [L : L_s] [ L : L s ] である。後者は p p p 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 : C 1 → C 2 \varphi\colon C_1 \to C_2 φ : C 1 → C 2 , ψ : C 2 → C 3 \psi\colon C_2 \to C_3 ψ : C 2 → C 3 に ついて
任意の Q ∈ C 2 Q \in C_2 Q ∈ C 2 で ∑ P ∈ φ − 1 ( Q ) e φ ( P ) = deg φ \sum_{P \in \varphi^{-1}(Q)} e_\varphi(P) = \deg \varphi ∑ P ∈ φ − 1 ( Q ) e φ ( P ) = deg φ 。
有限個を 除く すべての Q ∈ C 2 Q \in C_2 Q ∈ C 2 で ∣ φ − 1 ( Q ) ∣ = deg s φ \lvert \varphi^{-1}(Q) \rvert = \deg_s \varphi ∣ φ − 1 ( Q )∣ = deg s φ 。
e ψ ∘ φ ( P ) = e φ ( P ) e ψ ( φ ( P ) ) e_{\psi \circ \varphi}(P) = e_\varphi(P) e_\psi(\varphi(P)) e ψ ∘ φ ( P ) = e φ ( P ) e ψ ( φ ( P )) 。deg \deg deg , deg s \deg_s deg s , deg i \deg_i deg i は 合成に ついて 乗法的である。
deg φ = 1 \deg \varphi = 1 deg φ = 1 ⟺ \iff ⟺ φ \varphi φ 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 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 = 2 で E : y 2 = f ( x ) E\colon y^2 = f(x) E : y 2 = f ( x ) (f f f は 相異なる 3 根を もつ モニックな 3 次式)とし、 x : E → P 1 x\colon E \to \mathbb{P}^1 x : E → P 1 を ( x , y ) ↦ [ x : 1 ] (x, y) \mapsto [x : 1] ( x , y ) ↦ [ x : 1 ] , O ↦ [ 1 : 0 ] O \mapsto [1 : 0] O ↦ [ 1 : 0 ] と する。 K ‾ ( E ) = K ‾ ( x ) ( y ) \overline{K}(E) = \overline{K}(x)(y) K ( E ) = K ( x ) ( y ) は K ‾ ( x ) \overline{K}(x) K ( x ) の 2 次拡大なので deg x = 2 \deg x = 2 deg x = 2 。f ( x 0 ) ≠ 0 f(x_0) \neq 0 f ( x 0 ) = 0 なら x 0 x_0 x 0 の 逆像は ( x 0 , ± y 0 ) (x_0, \pm y_0) ( x 0 , ± y 0 ) の 2 点、f ( x 0 ) = 0 f(x_0) = 0 f ( x 0 ) = 0 なら ( x 0 , 0 ) (x_0, 0) ( x 0 , 0 ) の 1 点で 分岐指数 2( y y y が 局所パラメータで、 x − x 0 x - x_0 x − x 0 は y 2 y^2 y 2 と 単元の 積)、 ∞ \infty ∞ の 逆像は O O O 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 = 2 とし、E i : y 2 = f i ( x ) E_i\colon y^2 = f_i(x) E i : y 2 = f i ( x ) (f i f_i f i は 相異なる 3 根を もつ モニックな 3 次式)と する。射 φ : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 が、定数でない R = u / v ∈ K ‾ ( x ) R = u/v \in \overline{K}(x) R = u / v ∈ K ( x ) (u , v ∈ K ‾ [ x ] u, v \in \overline{K}[x] u , v ∈ K [ x ] は 互いに 素)と 0 0 0 でない S ∈ K ‾ ( x ) S \in \overline{K}(x) S ∈ K ( x ) に よって φ ( x , y ) = ( R ( x ) , y S ( x ) ) \varphi(x, y) = (R(x), yS(x)) φ ( x , y ) = ( R ( x ) , y S ( x )) と 書けると する。
deg φ = [ K ‾ ( x ) : K ‾ ( R ) ] = max ( deg u , deg v ) \deg \varphi = [\overline{K}(x) : \overline{K}(R)] = \max(\deg u, \deg v) deg φ = [ K ( x ) : K ( R )] = max ( deg u , deg v ) 。
R ′ ≠ 0 R' \neq 0 R ′ = 0 (有理関数と しての 微分)ならば φ \varphi φ は 分離的である。
証明. t = R t = R t = R は K ‾ \overline{K} K 上超越的である。(1) F ( T ) = u ( T ) − t v ( T ) F(T) = u(T) - t v(T) F ( T ) = u ( T ) − t v ( T ) は x x x を 根にもち、 T T T に ついて 次数 d = max ( deg u , deg v ) d = \max(\deg u, \deg v) d = max ( deg u , deg v ) である。F F F は K ‾ [ t , T ] \overline{K}[t, T] K [ t , T ] の 元と して t t t に ついて 1 次で、 t t t を 含まない 因子は u , v u, v u , v の 公約数だから 定数であり、 F F F は K ‾ [ t ] [ T ] \overline{K}[t][T] 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 F F F は K ‾ ( t ) [ T ] \overline{K}(t)[T] K ( t ) [ T ] で 既約で、 [ K ‾ ( x ) : K ‾ ( t ) ] = d [\overline{K}(x) : \overline{K}(t)] = d [ K ( x ) : K ( t )] = d 。次に φ ∗ K ‾ ( E 2 ) = K ‾ ( t , y S ) \varphi^{\ast}\overline{K}(E_2) = \overline{K}(t, yS) φ ∗ K ( E 2 ) = K ( t , y S ) で、( y S ) 2 = f 2 ( t ) (yS)^2 = f_2(t) ( y S ) 2 = f 2 ( t ) , y S ∉ K ‾ ( x ) yS \notin \overline{K}(x) y S ∈ / K ( x ) より [ K ‾ ( t , y S ) : K ‾ ( t ) ] = 2 [\overline{K}(t, yS) : \overline{K}(t)] = 2 [ K ( t , y S ) : K ( t )] = 2 。[ K ‾ ( x , y ) : K ‾ ( x ) ] = 2 [\overline{K}(x, y) : \overline{K}(x)] = 2 [ K ( x , y ) : K ( x )] = 2 と 合わせて deg φ = 2 d / 2 = d \deg \varphi = 2d/2 = d deg φ = 2 d /2 = d 。
(2) M = K ‾ ( t , y S ) M = \overline{K}(t, yS) M = K ( t , y S ) と おくと、 y = y S / S ( x ) ∈ M ( x ) y = yS/S(x) \in M(x) y = y S / S ( x ) ∈ M ( x ) より M ( x ) = K ‾ ( E 1 ) M(x) = \overline{K}(E_1) M ( x ) = K ( E 1 ) 。F ′ ( x ) = u ′ ( x ) − t v ′ ( x ) = v ( x ) R ′ ( x ) ≠ 0 F'(x) = u'(x) - t v'(x) = v(x)R'(x) \neq 0 F ′ ( x ) = u ′ ( x ) − t v ′ ( x ) = v ( x ) R ′ ( x ) = 0 なので x x x は F ∈ M [ T ] F \in M[T] F ∈ M [ T ] の 単根であり、 x x x の M M M 上の 最小多項式は 微分が 0 0 0 でないから 分離的である(04 第8章 命題 8.36)。 M ( x ) M(x) M ( x ) は その 分解体に 含まれ、分解体は M M M の ガロア拡大( 04-algebra 第9章 定理 9.6)なので、M ( x ) / M M(x)/M M ( x ) / M は 分離拡大である。 □ \square □
3.2 フロベニウス射
標数 p > 0 p > 0 p > 0 , q = p r q = p^r q = p r (r ≥ 1 r \geq 1 r ≥ 1 )と する。 E E E の 係数 a i a_i a i を a i q a_i^q a i q に 替えた 曲線を E ( q ) E^{(q)} E ( q ) と 書く。方程式を q q q 乗すると(q q q 乗写像は 環準同型)、 ( x , y ) ∈ E (x, y) \in E ( x , y ) ∈ E なら ( x q , y q ) ∈ E ( q ) (x^q, y^q) \in E^{(q)} ( x q , y q ) ∈ E ( q ) である。
定義 3.5 (フロベニウス射, Frobenius morphism)ϕ q : E → E ( q ) \phi_q\colon E \to E^{(q)} ϕ q : E → E ( q ) , ( x , y ) ↦ ( x q , y q ) (x, y) \mapsto (x^q, y^q) ( x , y ) ↦ ( x q , y q ) , O ↦ O O \mapsto O O ↦ O を q q q 乗フロベニウス射と いう。 E E E が F q \mathbb{F}_q F q 上 定義されていれば E ( q ) = E E^{(q)} = E E ( q ) = E で、ϕ q \phi_q ϕ q は E E E の 自己準同型(3.3 節)である。
命題 3.6 ϕ q \phi_q ϕ q は 純非分離的で、 deg ϕ q = q \deg \phi_q = q deg ϕ q = q である。特に ϕ q \phi_q ϕ 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} K は 完全体なので、 ϕ q ∗ K ‾ ( E ( q ) ) = K ‾ ( x q , y q ) \phi_q^{\ast}\overline{K}(E^{(q)}) = \overline{K}(x^q, y^q) ϕ q ∗ K ( E ( q ) ) = K ( x q , y q ) は K ‾ ( E ) q : = { f q ∣ f ∈ K ‾ ( E ) } \overline{K}(E)^q := \lbrace f^q \mid f \in \overline{K}(E) \rbrace K ( E ) q := { f q ∣ f ∈ K ( E )} に 等しい。体の 同型 f ↦ f q f \mapsto f^q f ↦ f q は K ‾ ( x ) \overline{K}(x) K ( x ) を K ‾ ( x q ) \overline{K}(x^q) K ( x q ) に 写すので [ K ‾ ( E ) q : K ‾ ( x q ) ] = [ K ‾ ( E ) : K ‾ ( x ) ] = 2 [\overline{K}(E)^q : \overline{K}(x^q)] = [\overline{K}(E) : \overline{K}(x)] = 2 [ K ( E ) q : K ( x q )] = [ K ( E ) : K ( x )] = 2 。補題 3.4(1) の 証明の 前半( R = x q R = x^q R = x q )より [ K ‾ ( x ) : K ‾ ( x q ) ] = q [\overline{K}(x) : \overline{K}(x^q)] = q [ K ( x ) : K ( x q )] = q 。よって
deg ϕ q = [ K ‾ ( E ) : K ‾ ( E ) q ] = [ K ‾ ( E ) : K ‾ ( x ) ] [ K ‾ ( x ) : K ‾ ( x q ) ] [ K ‾ ( E ) q : K ‾ ( x q ) ] = 2 q 2 = 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 deg ϕ q = [ K ( E ) : K ( E ) q ] = [ K ( E ) q : K ( x q )] [ K ( E ) : K ( x )] [ K ( x ) : K ( x q )] = 2 2 q = q
各 f ∈ K ‾ ( E ) f \in \overline{K}(E) f ∈ K ( E ) は ( T − f ) q = T q − f q ∈ K ‾ ( E ) q [ T ] (T - f)^q = T^q - f^q \in \overline{K}(E)^q[T] ( T − f ) q = T q − f q ∈ 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 ↦ a q a \mapsto a^q a ↦ a q が 単射だからで、次数 q > 1 q > 1 q > 1 なので 同型ではない(命題 3.2(4))。 □ \square □
3.3 同種写像
定義 3.8 (同種写像, isogeny)楕円曲線の 射 φ : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 で φ ( O ) = O \varphi(O) = O φ ( 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 E 1 E_1 E 1 と E 2 E_2 E 2 は 同種 (isogenous) であると いう。同種写像全体を Hom ( E 1 , E 2 ) \operatorname{Hom}(E_1, E_2) Hom ( E 1 , E 2 ) 、End ( E ) = Hom ( E , E ) \operatorname{End}(E) = \operatorname{Hom}(E, E) End ( E ) = Hom ( E , E ) を 自己準同型環、その 可逆元の 群を Aut ( E ) \operatorname{Aut}(E) Aut ( E ) と 書く。
群演算 E × E → E E \times E \to E E × E → E は 射なので(AEC III.3.6)、 ( φ + ψ ) ( P ) = φ ( P ) + ψ ( P ) (\varphi + \psi)(P) = \varphi(P) + \psi(P) ( φ + ψ ) ( P ) = φ ( P ) + ψ ( P ) も 同種写像で、 Hom ( E 1 , E 2 ) \operatorname{Hom}(E_1, E_2) Hom ( E 1 , E 2 ) は アーベル群に なる。 End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) の 積は 合成である。
例 3.9 (1) [ m ] P = P + ⋯ + P [m]P = P + \cdots + P [ m ] P = P + ⋯ + P (m m m 個)、[ − m ] = − [ m ] [-m] = -[m] [ − m ] = − [ m ] 、[ 0 ] P = O [0]P = O [ 0 ] P = O 。(2) フロベニウス射 ϕ q \phi_q ϕ q 。(3) Q ≠ O Q \neq O Q = O の 平行移動 τ Q ( P ) = P + Q \tau_Q(P) = P + Q τ 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 = 2 で y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x の [ i ] ( x , y ) = ( − x , i y ) [i](x, y) = (-x, iy) [ i ] ( x , y ) = ( − x , i y ) (i 2 = − 1 i^2 = -1 i 2 = − 1 )。
定理 3.10 (同種写像は 準同型)同種写像 φ : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 は 群の 準同型である。
証明. φ \varphi φ が 定数なら φ = [ 0 ] \varphi = [0] φ = [ 0 ] である。定数でない とき、因子の 押し出し φ ∗ : Div ( E 1 ) → Div ( E 2 ) \varphi_{\ast}\colon \operatorname{Div}(E_1) \to \operatorname{Div}(E_2) φ ∗ : Div ( E 1 ) → Div ( E 2 ) , ∑ n P ( P ) ↦ ∑ n P ( φ ( P ) ) \sum n_P (P) \mapsto \sum n_P (\varphi(P)) ∑ n P ( P ) ↦ ∑ n P ( φ ( P )) は 次数を 保つ準同型で、ノルム N = N K ‾ ( E 1 ) / φ ∗ K ‾ ( E 2 ) N = N_{\overline{K}(E_1)/\varphi^{\ast}\overline{K}(E_2)} N = N K ( E 1 ) / φ ∗ K ( E 2 ) に ついて
φ ∗ ( div f ) = div ( ( φ ∗ ) − 1 N ( f ) ) ( f ∈ K ‾ ( E 1 ) × ) \varphi_{\ast}(\operatorname{div} f) = \operatorname{div}\bigl((\varphi^{\ast})^{-1} N(f)\bigr) \qquad (f \in \overline{K}(E_1)^{\times}) φ ∗ ( div f ) = div ( ( φ ∗ ) − 1 N ( f ) ) ( f ∈ K ( E 1 ) × )
が 成り立つ(主張。AEC II.3.6)。よって φ ∗ \varphi_{\ast} φ ∗ は 準同型 Pic 0 ( E 1 ) → Pic 0 ( E 2 ) \operatorname{Pic}^0(E_1) \to \operatorname{Pic}^0(E_2) Pic 0 ( E 1 ) → Pic 0 ( E 2 ) を 誘導する。 第2章 の 群法則(定理 2.10)より κ i : E i → Pic 0 ( E i ) \kappa_i\colon E_i \to \operatorname{Pic}^0(E_i) κ i : E i → Pic 0 ( E i ) , P ↦ [ ( P ) − ( O ) ] P \mapsto [(P) - (O)] P ↦ [( P ) − ( O )] は 群の 同型で、 φ ( O ) = O \varphi(O) = O φ ( O ) = O から φ ∗ ( κ 1 ( P ) ) = [ ( φ ( P ) ) − ( O ) ] = κ 2 ( φ ( P ) ) \varphi_{\ast}(\kappa_1(P)) = [(\varphi(P)) - (O)] = \kappa_2(\varphi(P)) φ ∗ ( κ 1 ( P )) = [( φ ( P )) − ( O )] = κ 2 ( φ ( P )) 。すな わち φ = κ 2 − 1 ∘ φ ∗ ∘ κ 1 \varphi = \kappa_2^{-1} \circ \varphi_{\ast} \circ \kappa_1 φ = κ 2 − 1 ∘ φ ∗ ∘ κ 1 は 準同型の 合成である。 □ \square □
したがって ker φ \ker \varphi ker φ は 部分群で( φ ≠ 0 \varphi \neq 0 φ = 0 なら 有限)、分配法則 φ ∘ ( ψ 1 + ψ 2 ) = φ ∘ ψ 1 + φ ∘ ψ 2 \varphi \circ (\psi_1 + \psi_2) = \varphi \circ \psi_1 + \varphi \circ \psi_2 φ ∘ ( ψ 1 + ψ 2 ) = φ ∘ ψ 1 + φ ∘ ψ 2 に より End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) は 環に なり、 φ ∘ [ m ] = [ m ] ∘ φ \varphi \circ [m] = [m] \circ \varphi φ ∘ [ m ] = [ m ] ∘ φ である。任意の 射 α : E 1 → E 2 \alpha\colon E_1 \to E_2 α : E 1 → E 2 は 同種写像 τ − α ( O ) ∘ α \tau_{-\alpha(O)} \circ \alpha τ − α ( O ) ∘ α と 平行移動 τ α ( O ) \tau_{\alpha(O)} τ α ( O ) の 合成である。
系 3.11 標数 ≠ 2 \neq 2 = 2 、E i E_i E i を 補題 3.4 の とおりと する。 0 0 0 でない 同種写像 φ : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 は、定数でない R R R と 0 0 0 でない S S S (∈ K ‾ ( x ) \in \overline{K}(x) ∈ K ( x ) )で φ ( x , y ) = ( R ( x ) , y S ( x ) ) \varphi(x, y) = (R(x), yS(x)) φ ( x , y ) = ( R ( x ) , y S ( x )) と 書ける。
証明. φ ( − P ) = − φ ( P ) \varphi(-P) = -\varphi(P) φ ( − P ) = − φ ( P ) より、x ∘ φ x \circ \varphi x ∘ φ は [ − 1 ] ∗ [-1]^{\ast} [ − 1 ] ∗ (y ↦ − y y \mapsto -y y ↦ − y で 与えられる K ‾ ( E 1 ) \overline{K}(E_1) K ( E 1 ) の K ‾ ( x ) \overline{K}(x) K ( x ) 上の 自己同型)で 不変、 y ∘ φ y \circ \varphi y ∘ φ は 符号を 変える。 K ‾ ( E 1 ) = K ‾ ( x ) ⊕ y K ‾ ( x ) \overline{K}(E_1) = \overline{K}(x) \oplus y\overline{K}(x) K ( E 1 ) = K ( x ) ⊕ y K ( x ) なので x ∘ φ x \circ \varphi x ∘ φ , ( y ∘ φ ) / y ∈ K ‾ ( x ) (y \circ \varphi)/y \in \overline{K}(x) ( y ∘ φ ) / y ∈ K ( x ) 。x ∘ φ x \circ \varphi x ∘ φ が 定数 c c c なら像は x x x 座標が c c c の 点(高々 2 点)と O O O からなる 有限集合、 y ∘ φ = 0 y \circ \varphi = 0 y ∘ φ = 0 なら像は E 2 [ 2 ] E_2[2] E 2 [ 2 ] (4 点)に 含まれ、いずれも 全射でないので φ \varphi φ は 定数に なる。 □ \square □
命題 3.12 (1) m ≠ 0 m \neq 0 m = 0 なら [ m ] [m] [ m ] は 定数でない。(2) Hom ( E 1 , E 2 ) \operatorname{Hom}(E_1, E_2) Hom ( E 1 , E 2 ) は ねじれの ない Z \mathbb{Z} Z 加群で、End ( E ) \operatorname{End}(E) 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 = 2 で 示す(標数 2 は AEC III.4.2)。 E : y 2 = f ( x ) E\colon y^2 = f(x) E : y 2 = f ( x ) とし、f f f の 根 e e e に ついて T = ( e , 0 ) T = (e, 0) T = ( e , 0 ) は 位数 2 の 点である( 第2章 命題 2.13(1))。m m m が 奇数なら [ m ] T = T ≠ O [m]T = T \neq O [ m ] T = T = O 。ker [ 2 ] \ker[2] ker [ 2 ] は 高々 4 点なので [ 2 ] [2] [ 2 ] は 定数でない。 m = 2 k m ′ m = 2^k m' m = 2 k m ′ (m ′ m' m ′ 奇数)なら [ m ] = [ 2 ] k ∘ [ m ′ ] [m] = [2]^k \circ [m'] [ m ] = [ 2 ] k ∘ [ m ′ ] は 全射の 合成である。(2) φ ≠ 0 \varphi \neq 0 φ = 0 は 全射なので ψ ∘ φ = 0 \psi \circ \varphi = 0 ψ ∘ φ = 0 なら ψ = 0 \psi = 0 ψ = 0 。これと (1) から [ m ] ∘ φ = 0 [m] \circ \varphi = 0 [ m ] ∘ φ = 0 , m ≠ 0 m \neq 0 m = 0 なら φ = 0 \varphi = 0 φ = 0 。□ \square □
定理 3.13 φ : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 を 0 0 0 でない 同種写像と する。
すべての Q ∈ E 2 Q \in E_2 Q ∈ E 2 で ∣ φ − 1 ( Q ) ∣ = deg s φ \lvert \varphi^{-1}(Q) \rvert = \deg_s \varphi ∣ φ − 1 ( Q )∣ = deg s φ 、すべての P ∈ E 1 P \in E_1 P ∈ E 1 で e φ ( P ) = deg i φ e_\varphi(P) = \deg_i \varphi e φ ( P ) = deg i φ 。特に ∣ ker φ ∣ = deg s φ \lvert \ker \varphi \rvert = \deg_s \varphi ∣ ker φ ∣ = deg s φ 。
φ \varphi φ が 分離的なら、 φ \varphi φ は 不分岐で ∣ ker φ ∣ = deg φ \lvert \ker \varphi \rvert = \deg \varphi ∣ ker φ ∣ = deg φ 。
証明. Q , Q ′ ∈ E 2 Q, Q' \in E_2 Q , Q ′ ∈ E 2 に 対し φ ( R ) = Q ′ − Q \varphi(R) = Q' - Q φ ( R ) = Q ′ − Q と なる R R R を とると、 P ↦ P + R P \mapsto P + R P ↦ P + R は φ − 1 ( Q ) \varphi^{-1}(Q) φ − 1 ( Q ) から φ − 1 ( Q ′ ) \varphi^{-1}(Q') φ − 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 s φ \deg_s \varphi deg s φ である。また φ ∘ τ R = τ φ ( R ) ∘ φ \varphi \circ \tau_R = \tau_{\varphi(R)} \circ \varphi φ ∘ τ R = τ φ ( R ) ∘ φ に 命題 3.2(3) を 使うと(平行移動の 分岐指数は 1) e φ ( P + R ) = e φ ( P ) e_\varphi(P + R) = e_\varphi(P) e φ ( P + R ) = e φ ( P ) で、e φ e_\varphi e φ は 定数 e e e 。命題 3.2(1) より e deg s φ = deg φ e \deg_s \varphi = \deg \varphi e deg s φ = deg φ 、e = deg i φ e = \deg_i \varphi e = deg i φ 。(2) は deg i φ = 1 \deg_i \varphi = 1 deg i φ = 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 : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → E 2 を 次数 m ≥ 1 m \geq 1 m ≥ 1 の 同種写像と する。 φ ^ ∘ φ = [ m ] \hat{\varphi} \circ \varphi = [m] φ ^ ∘ φ = [ m ] と なる 同種写像 φ ^ : E 2 → E 1 \hat{\varphi}\colon E_2 \to E_1 φ ^ : E 2 → E 1 が ただ 一つ 存在する( 双対同種写像 )。[ 0 ] ^ = [ 0 ] \widehat{[0]} = [0] [ 0 ] = [ 0 ] と 約束すると、同種写像 φ , ψ : E 1 → E 2 \varphi, \psi\colon E_1 \to E_2 φ , ψ : E 1 → E 2 , λ : E 2 → E 3 \lambda\colon E_2 \to E_3 λ : E 2 → E 3 に ついて
φ ∘ φ ^ = [ deg φ ] \varphi \circ \hat{\varphi} = [\deg \varphi] φ ∘ φ ^ = [ deg φ ] (E 2 E_2 E 2 上)。
λ ∘ φ ^ = φ ^ ∘ λ ^ \widehat{\lambda \circ \varphi} = \hat{\varphi} \circ \hat{\lambda} λ ∘ φ = φ ^ ∘ λ ^ 。
φ + ψ ^ = φ ^ + ψ ^ \widehat{\varphi + \psi} = \hat{\varphi} + \hat{\psi} φ + ψ = φ ^ + ψ ^ 。
deg φ ^ = deg φ \deg \hat{\varphi} = \deg \varphi deg φ ^ = deg φ , φ ^ ^ = φ \hat{\hat{\varphi}} = \varphi φ ^ ^ = φ 。
参照:AEC III.6.1, III.6.2。証明の 方針. φ ^ = κ 1 − 1 ∘ φ ∗ ∘ κ 2 \hat{\varphi} = \kappa_1^{-1} \circ \varphi^{\ast} \circ \kappa_2 φ ^ = κ 1 − 1 ∘ φ ∗ ∘ κ 2 (φ ∗ \varphi^{\ast} φ ∗ は 因子の 引き戻し、 κ 1 − 1 \kappa_1^{-1} κ 1 − 1 は 次数 0 の 因子 ∑ n P ( P ) \sum n_P (P) ∑ n P ( P ) の 類を 和 ∑ n P P \sum n_P P ∑ n P P に 写す)と おく。 φ ∗ ( ( Q ) ) = ∑ φ ( P ) = Q e φ ( P ) ( P ) \varphi^{\ast}((Q)) = \sum_{\varphi(P) = Q} e_\varphi(P) (P) φ ∗ (( Q )) = ∑ φ ( P ) = Q e φ ( P ) ( P ) と 定理 3.13 から、 Q = φ ( P 0 ) Q = \varphi(P_0) Q = φ ( P 0 ) なら φ − 1 ( Q ) = P 0 + ker φ \varphi^{-1}(Q) = P_0 + \ker \varphi φ − 1 ( Q ) = P 0 + ker φ を 使って φ ^ ( Q ) = deg i φ ( ∑ P ∈ φ − 1 ( Q ) P − ∑ R ∈ ker φ R ) = ( deg φ ) P 0 \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 φ ^ ( Q ) = deg i φ ( ∑ P ∈ φ − 1 ( Q ) P − ∑ R ∈ k e r φ R ) = ( deg φ ) P 0 と なる。難しいのは、これが 射である こと(AEC は [ m ] [m] [ m ] を φ \varphi φ 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 φ ∘ φ ^ ∘ φ = [ m ] ∘ φ と φ \varphi φ 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 ∈ Z m \in \mathbb{Z} m ∈ Z に ついて [ m ] ^ = [ m ] \widehat{[m]} = [m] [ m ] = [ m ] 、deg [ m ] = m 2 \deg [m] = m^2 deg [ m ] = m 2 。
証明. [ ± 1 ] [\pm 1] [ ± 1 ] は 次数 1 で [ ± 1 ] ∘ [ ± 1 ] = [ 1 ] [\pm 1] \circ [\pm 1] = [1] [ ± 1 ] ∘ [ ± 1 ] = [ 1 ] なので [ ± 1 ] ^ = [ ± 1 ] \widehat{[\pm 1]} = [\pm 1] [ ± 1 ] = [ ± 1 ] 。定理 3.14(3) と 帰納法で [ m ] ^ = [ m ] \widehat{[m]} = [m] [ m ] = [ m ] 。すると [ deg [ m ] ] = [ m ] ^ ∘ [ m ] = [ m 2 ] [\deg [m]] = \widehat{[m]} \circ [m] = [m^2] [ deg [ m ]] = [ m ] ∘ [ m ] = [ m 2 ] で、命題 3.12(1) より deg [ m ] = m 2 \deg [m] = m^2 deg [ m ] = m 2 。□ \square □
系 3.16 (次数は 正定値二次形式) φ , ψ ∈ Hom ( E 1 , E 2 ) \varphi, \psi \in \operatorname{Hom}(E_1, E_2) φ , ψ ∈ 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 ⟨ φ , ψ ⟩ = deg ( φ + ψ ) − deg φ − deg ψ は Z \mathbb{Z} Z 双線形な 対称形式で、 ⟨ φ , φ ⟩ = 2 deg φ \langle \varphi, \varphi \rangle = 2 \deg \varphi ⟨ φ , φ ⟩ = 2 deg φ である。deg φ ≥ 0 \deg \varphi \geq 0 deg φ ≥ 0 で、等号は φ = 0 \varphi = 0 φ = 0 の ときに 限る。さらに
∣ deg ( φ − ψ ) − deg φ − deg ψ ∣ ≤ 2 deg φ ⋅ deg ψ \lvert \deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi \rvert \leq 2\sqrt{\deg \varphi \cdot \deg \psi} ∣ deg ( φ − ψ ) − deg φ − deg ψ ∣ ≤ 2 deg φ ⋅ deg ψ
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 [⟨ φ , ψ ⟩] = ( φ + ψ ) ∘ ( φ + ψ ) − φ ^ ∘ φ − ψ ^ ∘ ψ = φ ^ ∘ ψ + ψ ^ ∘ φ
右辺は φ \varphi φ , ψ \psi ψ の それぞれに ついて 加法的で、 n ↦ [ n ] n \mapsto [n] n ↦ [ 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 ) − 2 deg φ = 2 deg φ \langle \varphi, \varphi \rangle = \deg([2] \circ \varphi) - 2\deg \varphi = 2\deg \varphi ⟨ φ , φ ⟩ = deg ([ 2 ] ∘ φ ) − 2 deg φ = 2 deg φ 。不等式:整数 m , n m, n m , n に ついて
0 ≤ deg ( m φ − n ψ ) = m 2 deg φ − m n ⟨ φ , ψ ⟩ + n 2 deg ψ 0 \leq \deg(m\varphi - n\psi) = m^2 \deg \varphi - mn \langle \varphi, \psi \rangle + n^2 \deg \psi 0 ≤ deg ( m φ − n ψ ) = m 2 deg φ − mn ⟨ φ , ψ ⟩ + n 2 deg ψ
deg ψ > 0 \deg \psi > 0 deg ψ > 0 と して よい。 n 2 n^2 n 2 で 割ると、すべての 有理数 r r r に ついて deg φ ⋅ r 2 − ⟨ φ , ψ ⟩ r + deg ψ ≥ 0 \deg \varphi \cdot r^2 - \langle \varphi, \psi \rangle r + \deg \psi \geq 0 deg φ ⋅ r 2 − ⟨ φ , ψ ⟩ r + deg ψ ≥ 0 で、連続性から 実数 r r r でも 成り立つ。 deg φ > 0 \deg \varphi > 0 deg φ > 0 なら 判別式が 0 0 0 以下、deg φ = 0 \deg \varphi = 0 deg φ = 0 なら 1 次以下の 式が 常に 0 0 0 以上なので ⟨ φ , ψ ⟩ = 0 \langle \varphi, \psi \rangle = 0 ⟨ φ , ψ ⟩ = 0 。いずれに せよ ⟨ φ , ψ ⟩ 2 ≤ 4 deg φ deg ψ \langle \varphi, \psi \rangle^2 \leq 4 \deg \varphi \deg \psi ⟨ φ , ψ ⟩ 2 ≤ 4 deg φ deg ψ で、deg ( φ − ψ ) − deg φ − deg ψ = − ⟨ φ , ψ ⟩ \deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi = -\langle \varphi, \psi \rangle deg ( φ − ψ ) − deg φ − deg ψ = − ⟨ φ , ψ ⟩ 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] φ = [ 1 ] , ψ = ϕ q \psi = \phi_q ψ = ϕ q に 使う。
3.5 等分 多項式
[ m ] [m] [ m ] を 座標で 書く。この 節では 標数 ≠ 2 , 3 \neq 2, 3 = 2 , 3 、E : y 2 = x 3 + A x + B E\colon y^2 = x^3 + Ax + B E : y 2 = x 3 + A x + B と する。
定義 3.17 (等分 多項式, division polynomial) A , B , x , y A, B, x, y A , B , x , y の 多項式 ψ m \psi_m ψ m (m ≥ 0 m \geq 0 m ≥ 0 )を
ψ 0 = 0 , ψ 1 = 1 , ψ 2 = 2 y , ψ 3 = 3 x 4 + 6 A x 2 + 12 B x − A 2 , ψ 4 = 4 y ( x 6 + 5 A x 4 + 20 B x 3 − 5 A 2 x 2 − 4 A B x − 8 B 2 − A 3 ) , ψ 2 m + 1 = ψ m + 2 ψ m 3 − ψ m − 1 ψ m + 1 3 ( m ≥ 2 ) , ψ 2 m = ψ m 2 y ( ψ m + 2 ψ m − 1 2 − ψ m − 2 ψ m + 1 2 ) ( 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} ψ 0 ψ 4 ψ 2 m + 1 ψ 2 m = 0 , ψ 1 = 1 , ψ 2 = 2 y , ψ 3 = 3 x 4 + 6 A x 2 + 12 B x − A 2 , = 4 y ( x 6 + 5 A x 4 + 20 B x 3 − 5 A 2 x 2 − 4 A B x − 8 B 2 − A 3 ) , = ψ m + 2 ψ m 3 − ψ m − 1 ψ m + 1 3 ( m ≥ 2 ) , = 2 y ψ m ( ψ m + 2 ψ m − 1 2 − ψ m − 2 ψ m + 1 2 ) ( m ≥ 3 )
で 定め( y 2 y^2 y 2 は x 3 + A x + B x^3 + Ax + B x 3 + A x + B に 置き換える)、 ψ − 1 = − 1 \psi_{-1} = -1 ψ − 1 = − 1 と して
ϕ m = x ψ m 2 − ψ m + 1 ψ m − 1 , ω m = ψ m + 2 ψ m − 1 2 − ψ m − 2 ψ m + 1 2 4 y ( 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) ϕ m = x ψ m 2 − ψ m + 1 ψ m − 1 , ω m = 4 y ψ m + 2 ψ m − 1 2 − ψ m − 2 ψ m + 1 2 ( m ≥ 1 )
と おく。 ψ m \psi_m ψ m を m m m 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 m m m の ϕ m \phi_m ϕ m は、添字が q q q の フロベニウス ϕ q \phi_q ϕ q とは 別物である( m = p m = p m = 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) m m m が 奇数なら ψ m ∈ Z [ A , B , x ] \psi_m \in \mathbb{Z}[A, B, x] ψ m ∈ Z [ A , B , x ] 、偶数なら ψ m ∈ 2 y Z [ A , B , x ] \psi_m \in 2y\mathbb{Z}[A, B, x] ψ m ∈ 2 y Z [ A , B , x ] 。特に ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 と ϕ m \phi_m ϕ m は x x x だけの 多項式である。(2) x x x の 多項式と して ϕ m = x m 2 + ( 低次 ) \phi_m = x^{m^2} + (\text{低次}) ϕ m = x m 2 + ( 低次 ) , ψ m 2 = m 2 x m 2 − 1 + ( 低次 ) \psi_m^2 = m^2x^{m^2 - 1} + (\text{低次}) ψ m 2 = m 2 x m 2 − 1 + ( 低次 ) 。
証明. (1) 漸化式に よる 帰納法(Washington 3.2 節)。 ψ 0 , … , ψ 4 \psi_0, \dots, \psi_4 ψ 0 , … , ψ 4 は 主張を みたす。 ψ 2 m + 1 \psi_{2m+1} ψ 2 m + 1 の 漸化式の 2 項の うち、一方( m m m が 偶数なら ψ m + 2 ψ m 3 \psi_{m+2}\psi_m^3 ψ m + 2 ψ m 3 、奇数なら ψ m − 1 ψ m + 1 3 \psi_{m-1}\psi_{m+1}^3 ψ m − 1 ψ m + 1 3 )は 偶数添字の 因子を 4 個もつので ( 2 y ) 4 (2y)^4 ( 2 y ) 4 の 倍数、他方は 奇数添字の 因子だけからなるので y y y を 含まず、 y 2 y^2 y 2 を x 3 + A x + B x^3 + Ax + B x 3 + A x + B に 替えれば どちらも Z [ A , B , x ] \mathbb{Z}[A, B, x] Z [ A , B , x ] に 入る。 ψ 2 m \psi_{2m} ψ 2 m の 漸化式では、 m m m が 偶数なら ψ m / ( 2 y ) ∈ Z [ A , B , x ] \psi_m/(2y) \in \mathbb{Z}[A, B, x] ψ m / ( 2 y ) ∈ Z [ A , B , x ] で 括弧の 中の 2 項は ψ m ± 2 \psi_{m \pm 2} ψ m ± 2 を 因子に もつので 2 y 2y 2 y の 倍数、 m m m が 奇数なら 括弧の 中の 2 項は ψ m ∓ 1 2 \psi_{m \mp 1}^2 ψ m ∓ 1 2 を 因子に もつので 4 y 2 4y^2 4 y 2 の 倍数であり、いずれの 場合も ψ 2 m ∈ 2 y Z [ A , B , x ] \psi_{2m} \in 2y\mathbb{Z}[A, B, x] ψ 2 m ∈ 2 y Z [ A , B , x ] (m ≤ 16 m \leq 16 m ≤ 16 では 計算機でも 確かめた)。(2) x x x に 重さ 1、 y y y に 重さ 3 / 2 3/2 3/2 を 与えると、 y 2 = x 3 + ⋯ y^2 = x^3 + \cdots y 2 = x 3 + ⋯ の 両辺の 最大の 重さは 3 で そろう。帰納法で「 ψ m \psi_m ψ m の 重さ最大の 項は m x ( m 2 − 1 ) / 2 m x^{(m^2 - 1)/2} m x ( m 2 − 1 ) /2 (m m m 奇数)または m y x ( m 2 − 4 ) / 2 m y x^{(m^2 - 4)/2} m y x ( m 2 − 4 ) /2 (m m m 偶数)で、重さは ( m 2 − 1 ) / 2 (m^2 - 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 n n n に ついて ( n 2 − 1 ) / 2 (n^2 - 1)/2 ( n 2 − 1 ) /2 に なり(例: ( m + 2 ) 2 − 1 2 + 3 ⋅ m 2 − 1 2 = ( 2 m + 1 ) 2 − 1 2 \frac{(m+2)^2 - 1}{2} + 3 \cdot \frac{m^2 - 1}{2} = \frac{(2m + 1)^2 - 1}{2} 2 ( m + 2 ) 2 − 1 + 3 ⋅ 2 m 2 − 1 = 2 ( 2 m + 1 ) 2 − 1 )、係数は 恒等式
( m + 2 ) m 3 − ( m − 1 ) ( m + 1 ) 3 = 2 m + 1 , m 2 ( ( m + 2 ) ( m − 1 ) 2 − ( m − 2 ) ( m + 1 ) 2 ) = 2 m (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 ( m + 2 ) m 3 − ( m − 1 ) ( m + 1 ) 3 = 2 m + 1 , 2 m ( ( m + 2 ) ( m − 1 ) 2 − ( m − 2 ) ( m + 1 ) 2 ) = 2 m
で 引き継がれる。よって ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 の 最高次の 項は m 2 x m 2 − 1 m^2 x^{m^2 - 1} m 2 x m 2 − 1 、ϕ m \phi_m ϕ m の x m 2 x^{m^2} x m 2 の 係数は m 2 − ( m + 1 ) ( m − 1 ) = 1 m^2 - (m + 1)(m - 1) = 1 m 2 − ( m + 1 ) ( m − 1 ) = 1 。□ \square □
定理 3.19 ([ m ] [m] [ m ] の 座標表示、主張) m ≥ 1 m \geq 1 m ≥ 1 , P = ( x , y ) ∈ E P = (x, y) \in E P = ( x , y ) ∈ E に ついて、有理関数と して
[ m ] P = ( ϕ m ( x ) ψ m ( x ) 2 , ω m ( x , y ) ψ m ( 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) [ m ] P = ( ψ m ( x ) 2 ϕ m ( x ) , ψ m ( x , y ) 3 ω m ( x , y ) )
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 σ 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 = 2 m = 2 m = 2 では、λ = ( 3 x 2 + A ) / ( 2 y ) \lambda = (3x^2 + A)/(2y) λ = ( 3 x 2 + A ) / ( 2 y ) と して x ( 2 P ) = λ 2 − 2 x x(2P) = \lambda^2 - 2x x ( 2 P ) = λ 2 − 2 x の 分子 ( 3 x 2 + A ) 2 − 8 x ( x 3 + A x + B ) (3x^2 + A)^2 - 8x(x^3 + Ax + B) ( 3 x 2 + A ) 2 − 8 x ( x 3 + A x + B ) と ϕ 2 = 4 x ( x 3 + A x + B ) − ψ 3 \phi_2 = 4x(x^3 + Ax + B) - \psi_3 ϕ 2 = 4 x ( x 3 + A x + B ) − ψ 3 が ともに x 4 − 2 A x 2 − 8 B x + A 2 x^4 - 2Ax^2 - 8Bx + A^2 x 4 − 2 A x 2 − 8 B x + A 2 、分母は ψ 2 2 = 4 y 2 \psi_2^2 = 4y^2 ψ 2 2 = 4 y 2 である。一般には、A , B A, B A , B を 文字の ままに して、 m = 2 m = 2 m = 2 の 公式と 帰納段階「 [ m ] P [m]P [ m ] P の 公式に 弦の 公式で P P P を 足すと [ m + 1 ] P [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 ≤ 7 2 \leq m \leq 7 2 ≤ m ≤ 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 ≤ 8 m \leq 8 m ≤ 8 では 検証済みである(大きな 素数 p p p の F p \mathbb{F}_p F p 上の 曲線の 点では、 m ≤ 40 m \leq 40 m ≤ 40 の [ m ] P [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) ϕ m \phi_m ϕ m と ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 は(x x x の 多項式と して)共通根を もたない。
(2) p ∤ m p \nmid m p ∤ m ならば [ m ] [m] [ m ] は 分離的で ∣ E [ m ] ∣ = m 2 \lvert E[m] \rvert = m^2 ∣ E [ m ]∣ = m 2 、さらに ψ m 2 = m 2 ∏ P ∈ E [ m ] ∖ { O } ( x − x ( P ) ) \psi_m^2 = m^2 \prod_{P \in E[m] \setminus \lbrace O \rbrace} (x - x(P)) ψ m 2 = m 2 ∏ P ∈ E [ m ] ∖ { O } ( x − x ( P )) 。
証明. (1) 定理 3.19 より x ∘ [ m ] = ϕ m / ψ m 2 x \circ [m] = \phi_m/\psi_m^2 x ∘ [ m ] = ϕ m / ψ m 2 なので、系 3.11 と 補題 3.4(1) より、 deg [ m ] \deg [m] deg [ m ] は ϕ m / ψ m 2 \phi_m/\psi_m^2 ϕ m / ψ 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 ϕ m = m 2 > deg ψ m 2 \deg \phi_m = m^2 > \deg \psi_m^2 deg ϕ m = m 2 > deg ψ m 2 なので、次数 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 の 共通因子が あれば deg [ m ] = m 2 − δ \deg[m] = m^2 - \delta deg [ m ] = m 2 − δ と なり、系 3.15 に 反する。
(2) ( ϕ m / ψ m 2 ) ′ (\phi_m/\psi_m^2)' ( ϕ m / ψ m 2 ) ′ の 分子 ϕ m ′ ψ m 2 − ϕ m ( ψ m 2 ) ′ \phi_m'\psi_m^2 - \phi_m(\psi_m^2)' ϕ m ′ ψ m 2 − ϕ m ( ψ m 2 ) ′ の x 2 m 2 − 2 x^{2m^2 - 2} x 2 m 2 − 2 の 係数は m 2 ⋅ m 2 − ( m 2 − 1 ) m 2 = m 2 ≠ 0 m^2 \cdot m^2 - (m^2 - 1)m^2 = m^2 \neq 0 m 2 ⋅ m 2 − ( m 2 − 1 ) m 2 = m 2 = 0 (補題 3.18)。補題 3.4(2) より [ m ] [m] [ m ] は 分離的で、定理 3.13(2) と 系 3.15 より ∣ E [ m ] ∣ = m 2 \lvert E[m] \rvert = m^2 ∣ E [ m ]∣ = m 2 。x ∘ [ m ] x \circ [m] x ∘ [ m ] の 極は [ m ] − 1 ( O ) = E [ m ] [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 P ∈ E [ m ] ∖ { O } では (1) より ϕ m ( x ( P ) ) ≠ 0 \phi_m(x(P)) \neq 0 ϕ m ( x ( P )) = 0 なので ord P ψ m ( x ) 2 = 2 \operatorname{ord}_P \psi_m(x)^2 = 2 ord P ψ m ( x ) 2 = 2 。例 3.3 より ord P ( x − x ( P ) ) \operatorname{ord}_P(x - x(P)) ord P ( x − x ( P )) は 2 P ≠ O 2P \neq O 2 P = O なら 1、2 P = O 2P = O 2 P = O なら 2 だから、x ( P ) x(P) x ( P ) は ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 の 根と して 前者では 重複度 2( ± P \pm P ± P が 共有)、後者では 重複度 1 を もつ。逆に ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 の 根の 上の 点では x ∘ [ m ] x \circ [m] x ∘ [ m ] が 極を もつので E [ m ] E[m] E [ m ] に 属する。次数 m 2 − 1 m^2 - 1 m 2 − 1 と 最高次の 係数 m 2 m^2 m 2 を 比べて 主張を 得る。 □ \square □
2 ≤ m ≤ 5 2 \leq m \leq 5 2 ≤ m ≤ 5 では ϕ m \phi_m ϕ m と ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 の 終結式が Δ m 2 ( m 2 − 1 ) / 6 \Delta^{m^2(m^2 - 1)/6} Δ m 2 ( m 2 − 1 ) /6 (Δ = − 16 ( 4 A 3 + 27 B 2 ) \Delta = -16(4A^3 + 27B^2) Δ = − 16 ( 4 A 3 + 27 B 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 ] = m 2 \deg [m] = m^2 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。
3.6 等分点の 群
定理 3.23 p ∤ m p \nmid m p ∤ m ならば E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 。
証明. 系 3.21(2)(標数 2, 3 では 注意 3.22 と 系 3.15)より、 m m m の 約数 d d d に ついて ∣ E [ d ] ∣ = d 2 \lvert E[d] \rvert = d^2 ∣ E [ d ]∣ = d 2 。E [ m ] E[m] E [ m ] は m m m で 消える 有限アーベル群なので E [ m ] ≅ Z / n 1 Z ⊕ ⋯ ⊕ Z / n k Z E[m] \cong \mathbb{Z}/n_1\mathbb{Z} \oplus \cdots \oplus \mathbb{Z}/n_k\mathbb{Z} E [ m ] ≅ Z / n 1 Z ⊕ ⋯ ⊕ Z / n k Z (1 < n 1 ∣ ⋯ ∣ n k ∣ m 1 < n_1 \mid \cdots \mid n_k \mid m 1 < n 1 ∣ ⋯ ∣ n k ∣ m 。04-algebra 第7章 定理 7.16)と 書ける。 m > 1 m > 1 m > 1 と し素数 ℓ ∣ n 1 \ell \mid n_1 ℓ ∣ n 1 を とると、 E [ ℓ ] ≅ ( Z / ℓ Z ) k E[\ell] \cong (\mathbb{Z}/\ell\mathbb{Z})^k E [ ℓ ] ≅ ( Z / ℓ Z ) k の 位数が ℓ 2 \ell^2 ℓ 2 だから k = 2 k = 2 k = 2 。n 1 n 2 = m 2 n_1n_2 = m^2 n 1 n 2 = m 2 , n i ∣ m n_i \mid m n i ∣ m より n 1 = n 2 = m n_1 = n_2 = m n 1 = n 2 = m 。□ \square □
K = C K = \mathbb{C} K = C なら E ( C ) ≅ C / Λ E(\mathbb{C}) \cong \mathbb{C}/\Lambda E ( C ) ≅ C /Λ (19-riemann-surfaces 第2章 )で、E [ m ] = 1 m Λ / Λ E[m] = \frac{1}{m}\Lambda/\Lambda E [ m ] = m 1 Λ/Λ 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 > 0 p > 0 p > 0 と する。すべての e ≥ 1 e \geq 1 e ≥ 1 で E [ p e ] = { O } E[p^e] = \lbrace O \rbrace E [ p e ] = { O } と なるか、すべての e ≥ 1 e \geq 1 e ≥ 1 で E [ p e ] ≅ Z / p e Z E[p^e] \cong \mathbb{Z}/p^e\mathbb{Z} E [ p e ] ≅ Z / p e 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 [ p e ] ∣ = deg s [ p e ] = ( deg s [ p ] ) e \lvert E[p^e] \rvert = \deg_s [p^e] = (\deg_s [p])^e ∣ E [ p e ]∣ = deg s [ p e ] = ( deg s [ p ] ) e である。[ p ] = ϕ ^ p ∘ ϕ p [p] = \hat{\phi}_p \circ \phi_p [ p ] = ϕ ^ p ∘ ϕ p で ϕ p \phi_p ϕ p は 純非分離的だから、 deg s [ p ] = deg s ϕ ^ p \deg_s [p] = \deg_s \hat{\phi}_p deg s [ p ] = deg s ϕ ^ p は deg ϕ ^ p = p \deg \hat{\phi}_p = p deg ϕ ^ p = p の 約数で、 1 1 1 か p p p 。p p p なら ∣ E [ p e ] ∣ = p e \lvert E[p^e] \rvert = p^e ∣ E [ p e ]∣ = p e で、p p p 等分点 E [ p ] E[p] E [ p ] が 巡回群なので p p p 群 E [ p e ] E[p^e] 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 ψ m \psi_m ψ m は 整数係数なので、 m o d p \bmod p mod p で 還元すれば 標数 p p p の 等分 多項式に なる。計算機で 求めると y 2 = x 3 + x + 1 y^2 = x^3 + x + 1 y 2 = x 3 + x + 1 では ψ 5 ≡ 2 ( x 2 + 2 x + 4 ) 5 ( m o d 5 ) \psi_5 \equiv 2(x^2 + 2x + 4)^5 \pmod 5 ψ 5 ≡ 2 ( x 2 + 2 x + 4 ) 5 ( mod 5 ) 、y 2 = x 3 + 1 y^2 = x^3 + 1 y 2 = x 3 + 1 では ψ 5 ≡ 4 ( m o d 5 ) \psi_5 \equiv 4 \pmod 5 ψ 5 ≡ 4 ( mod 5 ) , ψ 7 ≡ 3 ( x 3 + 3 ) 7 ( m o d 7 ) \psi_7 \equiv 3(x^3 + 3)^7 \pmod 7 ψ 7 ≡ 3 ( x 3 + 3 ) 7 ( mod 7 ) 、y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x では ψ 7 ≡ 6 ( m o d 7 ) \psi_7 \equiv 6 \pmod 7 ψ 7 ≡ 6 ( mod 7 ) である。系 3.21 の 証明と 同じ 議論( x ∘ [ p ] x \circ [p] x ∘ [ p ] の 極の 位数は 2 deg i [ p ] 2\deg_i[p] 2 deg i [ p ] )で、E [ p ] ∖ { O } E[p] \setminus \lbrace O \rbrace E [ p ] ∖ { O } の 点の x x x 座標は ちょうど ψ p \psi_p ψ p の 根で、重複度は deg i [ p ] \deg_i [p] deg i [ p ] である。たとえば 最初の 例では x 2 + 2 x + 4 x^2 + 2x + 4 x 2 + 2 x + 4 の 2 根が 4 点を 与えて ∣ E [ 5 ] ∣ = 5 \lvert E[5] \rvert = 5 ∣ E [ 5 ]∣ = 5 と なり、指数 5 は deg i [ 5 ] = 5 \deg_i [5] = 5 deg i [ 5 ] = 5 を 表す。 ψ p \psi_p ψ p が 定数なら E [ p ] = { O } E[p] = \lbrace O \rbrace E [ p ] = { O } (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) ( 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 = 2 , a , b ∈ K a, b \in K a , b ∈ K , b ( a 2 − 4 b ) ≠ 0 b(a^2 - 4b) \neq 0 b ( a 2 − 4 b ) = 0 とし、E : y 2 = x ( x 2 + a x + b ) E\colon y^2 = x(x^2 + ax + b) E : y 2 = x ( x 2 + a x + b ) , E ′ : Y 2 = X ( X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b ) E'\colon Y^2 = X(X^2 - 2aX + a^2 - 4b) E ′ : Y 2 = X ( X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b ) と する。
φ ( x , y ) = ( y 2 x 2 , y ( b − x 2 ) x 2 ) , φ ^ ( X , Y ) = ( Y 2 4 X 2 , Y ( a 2 − 4 b − X 2 ) 8 X 2 ) \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) φ ( x , y ) = ( x 2 y 2 , x 2 y ( b − x 2 ) ) , φ ^ ( X , Y ) = ( 4 X 2 Y 2 , 8 X 2 Y ( a 2 − 4 b − X 2 ) )
は 次数 2 の 分離的な 同種写像 φ : E → E ′ \varphi\colon E \to E' φ : E → E ′ , φ ^ : E ′ → E \hat{\varphi}\colon E' \to E φ ^ : E ′ → E で、ker φ \ker \varphi ker φ , ker φ ^ \ker \hat{\varphi} ker φ ^ は どちらも { O , ( 0 , 0 ) } \lbrace O, (0, 0) \rbrace { O , ( 0 , 0 )} であり、φ ^ ∘ φ = [ 2 ] E \hat{\varphi} \circ \varphi = [2]_E φ ^ ∘ φ = [ 2 ] E , φ ∘ φ ^ = [ 2 ] E ′ \varphi \circ \hat{\varphi} = [2]_{E'} φ ∘ φ ^ = [ 2 ] E ′ が 成り立つ。
証明. 2 つの 3 次式の 判別式は b 2 ( a 2 − 4 b ) b^2(a^2 - 4b) b 2 ( a 2 − 4 b ) , 16 b ( a 2 − 4 b ) 2 16b(a^2 - 4b)^2 16 b ( a 2 − 4 b ) 2 で 0 0 0 でない。φ \varphi φ が E ′ E' E ′ に 入る こと :X = y 2 / x 2 = ( x 2 + a x + b ) / x X = y^2/x^2 = (x^2 + ax + b)/x X = y 2 / x 2 = ( x 2 + a x + b ) / x , X − a = ( x 2 + b ) / x X - a = (x^2 + b)/x X − a = ( x 2 + b ) / x より
X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b = ( X − a ) 2 − 4 b = ( x 2 − b ) 2 x 2 , X ( X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b ) = y 2 ( x 2 − b ) 2 x 4 = Y 2 X^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 X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b = ( X − a ) 2 − 4 b = x 2 ( x 2 − b ) 2 , X ( X 2 − 2 a X + a 2 − 4 b ) = x 4 y 2 ( x 2 − b ) 2 = Y 2
E ′ E' E ′ は ( a , b ) (a, b) ( a , b ) を ( − 2 a , a 2 − 4 b ) (-2a, a^2 - 4b) ( − 2 a , a 2 − 4 b ) に 替えた 同じ形の 曲線なので、 E ′ E' E ′ に 同じ 構成を 施して y 2 = x ( x 2 + 4 a x + 16 b ) y^2 = x(x^2 + 4ax + 16b) y 2 = x ( x 2 + 4 a x + 16 b ) に 行き、同型 ( x , y ) ↦ ( x / 4 , y / 8 ) (x, y) \mapsto (x/4, y/8) ( x , y ) ↦ ( x /4 , y /8 ) で E E E に 移した ものが φ ^ \hat{\varphi} φ ^ である。次数と 核 :x ∘ φ = ( x 2 + a x + b ) / x x \circ \varphi = (x^2 + ax + b)/x x ∘ φ = ( x 2 + a x + b ) / x は 既約分数で 微分 1 − b / x 2 ≠ 0 1 - b/x^2 \neq 0 1 − b / x 2 = 0 だから、補題 3.4 より 次数 2 で 分離的。 x ∘ φ x \circ \varphi x ∘ φ は O O O と ( 0 , 0 ) (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} φ ^ も 同様。
φ ^ ∘ φ = [ 2 ] \hat{\varphi} \circ \varphi = [2] φ ^ ∘ φ = [ 2 ] :φ ^ ( φ ( P ) ) \hat{\varphi}(\varphi(P)) φ ^ ( φ ( P )) の x x x 座標は Y 2 4 X 2 = y 2 ( b − x 2 ) 2 / x 4 4 y 4 / x 4 = ( x 2 − b ) 2 4 y 2 \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} 4 X 2 Y 2 = 4 y 4 / x 4 y 2 ( b − x 2 ) 2 / x 4 = 4 y 2 ( x 2 − b ) 2 。加法公式で λ = ( 3 x 2 + 2 a x + b ) / ( 2 y ) \lambda = (3x^2 + 2ax + b)/(2y) λ = ( 3 x 2 + 2 a x + b ) / ( 2 y ) と すると、 x ( 2 P ) = λ 2 − a − 2 x x(2P) = \lambda^2 - a - 2x x ( 2 P ) = λ 2 − a − 2 x の 分子は ( 3 x 2 + 2 a x + b ) 2 − 4 ( a + 2 x ) ( x 3 + a x 2 + b x ) = ( x 2 − b ) 2 (3x^2 + 2ax + b)^2 - 4(a + 2x)(x^3 + ax^2 + bx) = (x^2 - b)^2 ( 3 x 2 + 2 a x + b ) 2 − 4 ( a + 2 x ) ( x 3 + a x 2 + b x ) = ( x 2 − b ) 2 で 一致する。よって ほとんど すべての P P P で φ ^ ( φ ( P ) ) = ± 2 P \hat{\varphi}(\varphi(P)) = \pm 2P φ ^ ( φ ( P )) = ± 2 P であり、y y y 座標の 比 ρ = y ( φ ^ φ ( P ) ) / y ( 2 P ) ∈ K ‾ ( x ) \rho = y(\hat{\varphi}\varphi(P))/y(2P) \in \overline{K}(x) ρ = y ( φ ^ φ ( P )) / y ( 2 P ) ∈ K ( x ) は 無限個の 点で ± 1 \pm 1 ± 1 を とるので 定数 ± 1 \pm 1 ± 1 である。f = x 3 + a x 2 + b x f = x^3 + ax^2 + bx f = x 3 + a x 2 + b x と おき、 y y y で 割った y y y 座標を x → ∞ x \to \infty x → ∞ で 比べる(分子・分母の 最高次の 係数の 比)と
y ( φ ^ φ ( P ) ) y = ( b − x 2 ) ( ( a 2 − 4 b ) x 4 − f 2 ) 8 x 2 f 2 → 1 8 , y ( 2 P ) y = 3 x 2 + 2 a x + b 2 f ( x − ( x 2 − b ) 2 4 f ) − 1 → 9 8 − 1 = 1 8 \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} y y ( φ ^ φ ( P )) = 8 x 2 f 2 ( b − x 2 ) ( ( a 2 − 4 b ) x 4 − f 2 ) → 8 1 , y y ( 2 P ) = 2 f 3 x 2 + 2 a x + b ( x − 4 f ( x 2 − b ) 2 ) − 1 → 8 9 − 1 = 8 1
なので ρ = 1 \rho = 1 ρ = 1 。最後に φ ∘ φ ^ ∘ φ = [ 2 ] ∘ φ \varphi \circ \hat{\varphi} \circ \varphi = [2] \circ \varphi φ ∘ φ ^ ∘ φ = [ 2 ] ∘ φ と φ \varphi φ の 全射性から φ ∘ φ ^ = [ 2 ] \varphi \circ \hat{\varphi} = [2] φ ∘ φ ^ = [ 2 ] 。□ \square □
y y y 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} φ ^ は φ \varphi φ の 双対同種写像である。
例 3.27 E : y 2 = x 3 − 2 x E\colon y^2 = x^3 - 2x E : y 2 = x 3 − 2 x (a = 0 a = 0 a = 0 , b = − 2 b = -2 b = − 2 )、E ′ : Y 2 = X 3 + 8 X E'\colon Y^2 = X^3 + 8X E ′ : Y 2 = X 3 + 8 X 。P = ( 2 , 2 ) P = (2, 2) P = ( 2 , 2 ) に ついて φ ( P ) = ( 1 , − 3 ) \varphi(P) = (1, -3) φ ( P ) = ( 1 , − 3 ) (9 = 1 + 8 9 = 1 + 8 9 = 1 + 8 )、φ ^ ( 1 , − 3 ) = ( 9 / 4 , − 21 / 8 ) \hat{\varphi}(1, -3) = (9/4, -21/8) φ ^ ( 1 , − 3 ) = ( 9/4 , − 21/8 ) 。加法公式では λ = 10 / 4 \lambda = 10/4 λ = 10/4 , x ( 2 P ) = 25 / 4 − 4 = 9 / 4 x(2P) = 25/4 - 4 = 9/4 x ( 2 P ) = 25/4 − 4 = 9/4 , y ( 2 P ) = 5 2 ( 2 − 9 4 ) − 2 = − 21 8 y(2P) = \frac{5}{2}(2 - \frac{9}{4}) - 2 = -\frac{21}{8} y ( 2 P ) = 2 5 ( 2 − 4 9 ) − 2 = − 8 21 で、φ ^ ( φ ( P ) ) = 2 P \hat{\varphi}(\varphi(P)) = 2P φ ^ ( φ ( P )) = 2 P 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 = 2 , 3 , E : y 2 = x 3 + A x + B E\colon y^2 = x^3 + Ax + B E : y 2 = x 3 + A x + B とし、G ⊂ E G \subset E G ⊂ E を 有限部分群と する。 G 2 = { Q ∈ G ∣ Q ≠ O , 2 Q = O } G_2 = \lbrace Q \in G \mid Q \neq O,\ 2Q = O \rbrace G 2 = { Q ∈ G ∣ Q = O , 2 Q = O } とし、G ∖ ( G 2 ∪ { O } ) = R ⊔ ( − R ) G \setminus (G_2 \cup \lbrace O \rbrace) = R \sqcup (-R) G ∖ ( G 2 ∪ { O }) = R ⊔ ( − R ) と なる R R R を とって S = G 2 ∪ R S = G_2 \cup R S = G 2 ∪ R と おく。 Q = ( x Q , y Q ) ∈ S Q = (x_Q, y_Q) \in S Q = ( x Q , y Q ) ∈ S に ついて、 t Q = 3 x Q 2 + A t_Q = 3x_Q^2 + A t Q = 3 x Q 2 + A (Q ∈ G 2 Q \in G_2 Q ∈ G 2 )、t Q = 2 ( 3 x Q 2 + A ) t_Q = 2(3x_Q^2 + A) t Q = 2 ( 3 x Q 2 + A ) (Q ∈ R Q \in R Q ∈ R )、u Q = 4 y Q 2 u_Q = 4y_Q^2 u Q = 4 y Q 2 とし、t = ∑ Q ∈ S t Q t = \sum_{Q \in S} t_Q t = ∑ Q ∈ S t Q , w = ∑ Q ∈ S ( u Q + x Q t Q ) w = \sum_{Q \in S} (u_Q + x_Qt_Q) w = ∑ Q ∈ S ( u Q + x Q t Q ) と おく。この とき E ′ : Y 2 = X 3 + ( A − 5 t ) X + ( B − 7 w ) E'\colon Y^2 = X^3 + (A - 5t)X + (B - 7w) E ′ : Y 2 = X 3 + ( A − 5 t ) X + ( B − 7 w ) は 楕円曲線で、
X = x + ∑ Q ∈ S ( t Q x − x Q + u Q ( x − x Q ) 2 ) , Y = y d X d x X = 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} X = x + Q ∈ S ∑ ( x − x Q t Q + ( x − x Q ) 2 u Q ) , Y = y d x d X
は 核が G G G の 分離的な 同種写像 E → E ′ E \to E' E → E ′ (次数 ∣ G ∣ \lvert G \rvert ∣ G ∣ )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' E ′ の 係数と X X X , Y Y Y の 式)が PARI/GP の ellisogeny の 出力と 一致する ことを 確かめた。核が G G G 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) y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x , G = { O , ( 0 , 0 ) } G = \lbrace O, (0, 0) \rbrace G = { O , ( 0 , 0 )} なら t = − 1 t = -1 t = − 1 , w = 0 w = 0 w = 0 で E ′ : Y 2 = X 3 + 4 X E'\colon Y^2 = X^3 + 4X E ′ : Y 2 = X 3 + 4 X , X = x − 1 / x X = x - 1/x X = x − 1/ x 。命題 3.26(a = 0 a = 0 a = 0 , b = − 1 b = -1 b = − 1 )の φ \varphi φ と Y Y Y の 符号だけが 違う。(2) E : y 2 = x 3 + 1 E\colon y^2 = x^3 + 1 E : y 2 = x 3 + 1 の 3 等分点は ψ 3 = 3 x ( x 3 + 4 ) \psi_3 = 3x(x^3 + 4) ψ 3 = 3 x ( x 3 + 4 ) の 根の 上に あり、 ( 0 , ± 1 ) (0, \pm 1) ( 0 , ± 1 ) は 有理点である。 G = { O , ( 0 , ± 1 ) } G = \lbrace O, (0, \pm 1) \rbrace G = { O , ( 0 , ± 1 )} では R = { ( 0 , 1 ) } R = \lbrace (0, 1) \rbrace R = {( 0 , 1 )} , t = 0 t = 0 t = 0 , w = 4 w = 4 w = 4 で
E ′ : Y 2 = X 3 − 27 , ( x , y ) ↦ ( x 3 + 4 x 2 , y ( x 3 − 8 ) x 3 ) 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) E ′ : Y 2 = X 3 − 27 , ( x , y ) ↦ ( x 2 x 3 + 4 , x 3 y ( x 3 − 8 ) )
(u = x 3 u = x^3 u = x 3 と おくと ( u + 4 ) 3 − 27 u 2 = ( u + 1 ) ( u − 8 ) 2 (u + 4)^3 - 27u^2 = (u + 1)(u - 8)^2 ( u + 4 ) 3 − 27 u 2 = ( u + 1 ) ( u − 8 ) 2 なので 像は 確かに E ′ E' E ′ に 入る)。 E E E , E ′ 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] = [ 0 , − 1 , 1 , − 10 , − 20 ] を 位数 5 の 有理点 ( 5 , 5 ) (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] = [ 0 , − 1 , 1 , − 7820 , − 263580 ] に なる(PARI/GP で 確かめた)。
3.8 ヴェイユ対
m ≥ 2 m \geq 2 m ≥ 2 , p ∤ m p \nmid m p ∤ m と する。 T ∈ E [ m ] T \in E[m] T ∈ E [ m ] に 対し、因子 m ( T ) − m ( O ) m(T) - m(O) m ( T ) − m ( O ) は 次数 0 で 和が m T = O mT = O m T = 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) div ( f ) = m ( T ) − m ( O ) と なる f f f が ある。 m T ′ = T mT' = T m T ′ = T と なる T ′ T' T ′ を とると、 [ m ] [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) [ m ] ∗ ( T ) − [ m ] ∗ ( O ) = ∑ R ∈ E [ m ] ( ( T ′ + R ) − ( R ) ) で、これも 次数 0、和 m 2 T ′ = O m^2T' = O m 2 T ′ = O なので div ( g ) \operatorname{div}(g) div ( g ) と 書ける。 f ∘ [ m ] f \circ [m] f ∘ [ m ] と g m g^m g m は 同じ 因子を もつので、定数倍を 調整して f ∘ [ m ] = g m f \circ [m] = g^m f ∘ [ m ] = g m と できる。 S ∈ E [ m ] S \in E[m] S ∈ E [ m ] なら g ( X + S ) m = f ( [ m ] X + [ m ] S ) = f ( [ m ] X ) = g ( X ) m g(X + S)^m = f([m]X + [m]S) = f([m]X) = g(X)^m g ( 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) g ( X + S ) / g ( X ) は μ m \mu_m μ m に 値を とる X X X 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)e m ( S , T ) = g ( X + S ) / g ( X ) ∈ μ m e_m(S, T) = g(X + S)/g(X) \in \mu_m e m ( S , T ) = g ( X + S ) / g ( X ) ∈ μ m と 定め、 e m : E [ m ] × E [ m ] → μ m e_m\colon E[m] \times E[m] \to \mu_m e m : E [ m ] × E [ m ] → μ m を m m m 次の ヴェイユ対 と いう。
定理 3.31 (ヴェイユ対の 性質、主張)
双線形:e m ( S 1 + S 2 , T ) = e m ( S 1 , T ) e m ( S 2 , T ) e_m(S_1 + S_2, T) = e_m(S_1, T) e_m(S_2, T) e m ( S 1 + S 2 , T ) = e m ( S 1 , T ) e m ( S 2 , T ) , e m ( S , T 1 + T 2 ) = e m ( S , T 1 ) e m ( S , T 2 ) e_m(S, T_1 + T_2) = e_m(S, T_1) e_m(S, T_2) e m ( S , T 1 + T 2 ) = e m ( S , T 1 ) e m ( S , T 2 ) 。
交代的:e m ( T , T ) = 1 e_m(T, T) = 1 e m ( T , T ) = 1 。したがって e m ( S , T ) = e m ( T , S ) − 1 e_m(S, T) = e_m(T, S)^{-1} e m ( S , T ) = e m ( T , S ) − 1 。
非退化:すべての S ∈ E [ m ] S \in E[m] S ∈ E [ m ] で e m ( S , T ) = 1 e_m(S, T) = 1 e m ( S , T ) = 1 ならば T = O T = O T = O 。
ガロア同変:E E E が K K K 上 定義されていれば、 σ ∈ Gal ( K ‾ / K ) \sigma \in \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) σ ∈ Gal ( K / K ) に ついて e m ( S , T ) σ = e m ( S σ , T σ ) e_m(S, T)^{\sigma} = e_m(S^{\sigma}, T^{\sigma}) e m ( S , T ) σ = e m ( S σ , T σ ) (P σ P^{\sigma} P σ は 座標に σ \sigma σ を 施した 点)。
両立性:S ∈ E [ m m ′ ] S \in E[mm'] S ∈ E [ m m ′ ] , T ∈ E [ m ] T \in E[m] T ∈ E [ m ] なら e m m ′ ( S , T ) = e m ( m ′ S , T ) e_{mm'}(S, T) = e_m(m'S, T) e m m ′ ( S , T ) = e m ( m ′ S , T ) 。
参照:AEC III.8.1。文献に よっては、ここでの e m e_m e 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 e m ( T , S ) = e m ( S , T ) − 1 e_m(T, S) = e_m(S, T)^{-1} e m ( T , S ) = e m ( S , T ) − 1 を 返す(バージョン 2.15.4 で、 g g g 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) e m ( S , T ) e_m(S, T) e m ( S , T ) が 1 の 原始 m m m 乗根に なる S , T ∈ E [ m ] S, T \in E[m] S , T ∈ E [ m ] が ある。(2) E E E が K K K 上 定義され、 E [ m ] ⊂ E ( K ) E[m] \subset E(K) E [ m ] ⊂ E ( K ) ならば μ m ⊂ K \mu_m \subset K μ m ⊂ K 。
証明. (1) 位数 m m m の 点 T T T を とる(定理 3.23)。準同型 S ↦ e m ( S , T ) S \mapsto e_m(S, T) S ↦ e m ( S , T ) の 像は 巡回群 μ m \mu_m μ m の 部分群 μ d \mu_d μ d (d ∣ m d \mid m d ∣ m )である。すべての S S S で e m ( S , d T ) = e m ( S , T ) d = 1 e_m(S, dT) = e_m(S, T)^d = 1 e m ( S , d T ) = e m ( S , T ) d = 1 なので、非退化性から d T = O dT = O d T = O 、よって d = m d = m d = m 。
(2) (1) の S , T S, T S , T と ζ = e m ( S , T ) \zeta = e_m(S, T) ζ = e m ( S , T ) を とる。 S , T ∈ E ( K ) S, T \in E(K) S , T ∈ E ( K ) なので、任意の σ ∈ Gal ( K ‾ / K ) \sigma \in \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) σ ∈ Gal ( K / K ) に ついて σ ( ζ ) = e m ( S σ , T σ ) = ζ \sigma(\zeta) = e_m(S^{\sigma}, T^{\sigma}) = \zeta σ ( ζ ) = e m ( S σ , T σ ) = ζ 。ζ ∉ K \zeta \notin K ζ ∈ / K なら、K K K は 完全体なので ζ \zeta ζ の 最小多項式は 分離的で 別の 根 ζ ′ \zeta' ζ ′ 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' σ ( ζ ) = ζ ′ と なる σ \sigma σ が ある。これは 矛盾なので ζ ∈ K \zeta \in K ζ ∈ K 、μ m = ⟨ ζ ⟩ ⊂ K \mu_m = \langle \zeta \rangle \subset K μ m = ⟨ ζ ⟩ ⊂ K 。□ \square □
例 3.33 (1) Q \mathbb{Q} Q の 1 の べき根は ± 1 \pm 1 ± 1 だけなので、Q \mathbb{Q} Q 上の 楕円曲線で E [ m ] ⊂ E ( Q ) E[m] \subset E(\mathbb{Q}) E [ m ] ⊂ E ( Q ) と なるのは m ≤ 2 m \leq 2 m ≤ 2 に 限る。 y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 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}) E [ 2 ] = { O , ( 0 , 0 ) , ( ± 1 , 0 )} ⊂ E ( Q ) 。(2) y 2 = x 3 + 1 y^2 = x^3 + 1 y 2 = x 3 + 1 の 3 等分点の 座標を Q \mathbb{Q} Q に 添加した 体は Q ( 2 3 , ζ 3 ) \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) Q ( 3 2 , ζ 3 ) で(問題 3.3)、μ 3 \mu_3 μ 3 を 含む。(3) F q \mathbb{F}_q F q 上では、p ∤ m p \nmid m p ∤ m の とき「 E [ m ] ⊂ E ( F q ) E[m] \subset E(\mathbb{F}_q) E [ m ] ⊂ E ( F q ) ならば m ∣ q − 1 m \mid q - 1 m ∣ q − 1 」と なる( μ m \mu_m μ m は 位数 m m m で、F q × \mathbb{F}_q^{\times} F q × は 位数 q − 1 q - 1 q − 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) End ( E ) は (i) Z \mathbb{Z} 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} Q 上有限次元の 代数の 部分環で、有限生成 Z \mathbb{Z} Z 加群であり全体を Q \mathbb{Q} Q 上張る ものを いう。 定符号四元数環 とは、α 2 , β 2 \alpha^2, \beta^2 α 2 , β 2 が 負の 有理数で β α = − α β \beta\alpha = -\alpha\beta β α = − α β と なる Q + Q α + Q β + Q α β \mathbb{Q} + \mathbb{Q}\alpha + \mathbb{Q}\beta + \mathbb{Q}\alpha\beta Q + Q α + Q β + Q α β の 形の 非可換な 代数である。証明の 鍵は、 End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) が 階数 4 以下の 自由 Z \mathbb{Z} 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} φ ↦ φ ^ が 反自己同型で φ ^ φ = [ deg φ ] \hat{\varphi}\varphi = [\deg \varphi] φ ^ φ = [ deg φ ] が 正定値な「ノルム」に なる こと(系 3.16)である。(ii), (iii) の とき E E E は 虚数乗法 (complex multiplication, CM) を もつと いう。標数 p > 0 p > 0 p > 0 で (iii) が 起こるのは E E E 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) End ( E ) は p p p だけで 決まる 定符号四元数環( p p p 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 = 2 で E : y 2 = x 3 − x E\colon y^2 = x^3 - x E : y 2 = x 3 − x の [ i ] [i] [ i ] は [ i ] ∘ [ i ] = [ − 1 ] [i] \circ [i] = [-1] [ i ] ∘ [ i ] = [ − 1 ] を みたす自己同型である。 [ i ] ^ = [ i ] − 1 = − [ i ] \widehat{[i]} = [i]^{-1} = -[i] [ i ] = [ i ] − 1 = − [ i ] と 定理 3.14(2), (3)、系 3.15 から、 a , b ∈ Z a, b \in \mathbb{Z} a , b ∈ Z に ついて [ deg ( a + b [ i ] ) ] = ( a − b [ i ] ) ( a + b [ i ] ) = a 2 + b 2 [\deg(a + b[i])] = (a - b[i])(a + b[i]) = a^2 + b^2 [ 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) Z [ i ] ⊂ End ( E ) である。標数 0 では End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) は Q ( i ) \mathbb{Q}(i) Q ( i ) の 整環で、整環は 整数環 Z [ i ] \mathbb{Z}[i] Z [ i ] に 含まれるので End ( E ) = Z [ i ] \operatorname{End}(E) = \mathbb{Z}[i] End ( E ) = Z [ i ] 。
(2) 標数 ≠ 2 , 3 \neq 2, 3 = 2 , 3 で E : y 2 = x 3 + 1 E\colon y^2 = x^3 + 1 E : y 2 = x 3 + 1 , ρ ( x , y ) = ( ζ 3 x , y ) \rho(x, y) = (\zeta_3 x, y) ρ ( x , y ) = ( ζ 3 x , y ) (ζ 3 \zeta_3 ζ 3 は 1 の 原始 3 乗根)と する。 x y ≠ 0 xy \neq 0 x y = 0 の 点 P P P では、P , ρ ( P ) , ρ 2 ( P ) P, \rho(P), \rho^2(P) P , ρ ( P ) , ρ 2 ( P ) は 直線 Y = y Y = y Y = y と E E E の 3 交点なので 和は O O O 。よって 同種写像 1 + ρ + ρ 2 1 + \rho + \rho^2 1 + ρ + ρ 2 は [ 0 ] [0] [ 0 ] で、ρ 2 + ρ + 1 = 0 \rho^2 + \rho + 1 = 0 ρ 2 + ρ + 1 = 0 。(1) と 同様に deg ( a + b ρ ) = a 2 − a b + b 2 \deg(a + b\rho) = a^2 - ab + b^2 deg ( a + b ρ ) = a 2 − ab + b 2 で、Z [ ζ 3 ] ⊂ End ( E ) \mathbb{Z}[\zeta_3] \subset \operatorname{End}(E) Z [ ζ 3 ] ⊂ End ( E ) 。1 − ρ 1 - \rho 1 − ρ は 次数 3、核は ρ ( P ) = P \rho(P) = P ρ ( P ) = P と なる 点 { O , ( 0 , ± 1 ) } \lbrace O, (0, \pm 1) \rbrace { O , ( 0 , ± 1 )} で、例 3.29(2) と 同じ核である( Y 2 = X 3 − 27 Y^2 = X^3 - 27 Y 2 = X 3 − 27 は E E E の − 3 -3 − 3 に よる 二次ツイストで、 Q ( − 3 ) \mathbb{Q}(\sqrt{-3}) Q ( − 3 ) 上 E E E に 同型)。
(3) E E E が F q \mathbb{F}_q F q 上 定義されていれば ϕ q ∈ End ( E ) \phi_q \in \operatorname{End}(E) ϕ q ∈ End ( E ) で、第4章 の 定理 4.8(2) で ϕ q 2 − a q ϕ q + q = 0 \phi_q^2 - a_q\phi_q + q = 0 ϕ q 2 − a q ϕ q + q = 0 を 示す。 p ≡ 3 ( m o d 4 ) p \equiv 3 \pmod 4 p ≡ 3 ( mod 4 ) なら y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x の End ( E ) \operatorname{End}(E) 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 ℓ = p を 素数と する。 [ ℓ ] : E [ ℓ n + 1 ] → E [ ℓ n ] [\ell]\colon E[\ell^{n+1}] \to E[\ell^n] [ ℓ ] : E [ ℓ n + 1 ] → E [ ℓ n ] に よる 射影極限 T ℓ ( E ) = l i m ← n E [ ℓ n ] T_\ell(E) = \varprojlim_n E[\ell^n] T ℓ ( E ) = lim n E [ ℓ n ] を ℓ \ell ℓ 進テイト加群 (Tate module) と いう。定理 3.23 より T ℓ ( E ) ≅ Z ℓ 2 T_\ell(E) \cong \mathbb{Z}_\ell^2 T ℓ ( E ) ≅ Z ℓ 2 (Z ℓ \mathbb{Z}_\ell Z ℓ は ℓ \ell ℓ 進整数環)で、C \mathbb{C} C 上では T ℓ ( E ) ≅ Λ ⊗ Z ℓ T_\ell(E) \cong \Lambda \otimes \mathbb{Z}_\ell T ℓ ( E ) ≅ Λ ⊗ Z ℓ と「格子の 代数的な 代わり」に なる。 E E E が K K K 上 定義されていれば G K = Gal ( K ‾ / K ) G_K = \operatorname{Gal}(\overline{K}/K) G K = Gal ( K / K ) が 各 E [ ℓ n ] E[\ell^n] E [ ℓ n ] に 作用し、 ℓ \ell ℓ 進ガロア表現
ρ E , ℓ : G K → Aut ( T ℓ ( E ) ) ≅ GL 2 ( Z ℓ ) , ρ ˉ E , ℓ : G K → Aut ( E [ ℓ ] ) ≅ GL 2 ( F ℓ ) \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) ρ E , ℓ : G K → Aut ( T ℓ ( E )) ≅ GL 2 ( Z ℓ ) , ρ ˉ E , ℓ : G K → Aut ( E [ ℓ ]) ≅ GL 2 ( F ℓ )
を 得る(後者は m o d ℓ \bmod \ell mod ℓ 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 ( ζ ℓ ) = ζ ℓ det ρ ˉ E , ℓ ( σ ) \sigma(\zeta_\ell) = \zeta_\ell^{\det \bar{\rho}_{E,\ell}(\sigma)} σ ( ζ ℓ ) = ζ ℓ d e t ρ ˉ E , ℓ ( σ ) (ℓ \ell ℓ 進版も 同様。AEC III.8 節)。たとえば y 2 = x 3 + 1 y^2 = x^3 + 1 y 2 = x 3 + 1 では Q ( E [ 3 ] ) = Q ( 2 3 , ζ 3 ) \mathbb{Q}(E[3]) = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) Q ( E [ 3 ]) = Q ( 3 2 , ζ 3 ) なので ρ ˉ E , 3 \bar{\rho}_{E,3} ρ ˉ E , 3 の 像は S 3 \mathfrak{S}_3 S 3 に 同型で、行列式が 自明でない元は ちょうど ζ 3 \zeta_3 ζ 3 を 動かす元である。
有限体上では フロベニウス ϕ q \phi_q ϕ q が T ℓ ( E ) T_\ell(E) T ℓ ( E ) に 作用し、その 固有多項式は X 2 − a q X + q X^2 - a_qX + q X 2 − a q X + 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。 ρ E , ℓ \rho_{E,\ell} ρ E , ℓ 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 ϕ q \phi_q ϕ q は 次数 q q q 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 Pic 0 を 経由)。 0 0 0 でない 同種写像では ∣ ker φ ∣ = deg s φ \lvert \ker \varphi \rvert = \deg_s \varphi ∣ ker φ ∣ = deg s φ 、分離的なら ∣ ker φ ∣ = deg φ \lvert \ker \varphi \rvert = \deg \varphi ∣ ker φ ∣ = deg φ 。
双対同種写像(主張)から deg [ m ] = m 2 \deg [m] = m^2 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 ∣ ≤ 2 deg φ deg ψ \lvert \deg(\varphi - \psi) - \deg \varphi - \deg \psi \rvert \leq 2\sqrt{\deg \varphi \deg \psi} ∣ deg ( φ − ψ ) − deg φ − deg ψ ∣ ≤ 2 deg φ deg ψ を 得る。
等分 多項式で [ m ] P = ( ϕ m / ψ m 2 , ω m / ψ m 3 ) [m]P = (\phi_m/\psi_m^2, \omega_m/\psi_m^3) [ m ] P = ( ϕ m / ψ m 2 , ω m / ψ m 3 ) (主張、m ≤ 8 m \leq 8 m ≤ 8 で 検証)。 ϕ m \phi_m ϕ m と ψ m 2 \psi_m^2 ψ m 2 は 互いに 素で、 p ∤ m p \nmid m p ∤ m なら [ m ] [m] [ m ] は 分離的。
p ∤ m p \nmid m p ∤ m なら E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 E[m] \cong (\mathbb{Z}/m\mathbb{Z})^2 E [ m ] ≅ ( Z / m Z ) 2 。標数 p p p では E [ p e ] E[p^e] E [ p e ] は 0 0 0 (超 特異)か Z / p e Z \mathbb{Z}/p^e\mathbb{Z} Z / p e Z (通常)。
y 2 = x ( x 2 + a x + b ) y^2 = x(x^2 + ax + b) y 2 = x ( x 2 + a x + b ) の 2-同種写像と その 双対の 合成は [ 2 ] [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) E [ m ] ⊂ E ( K ) ならば μ m ⊂ K \mu_m \subset K μ m ⊂ K 。
End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) は Z \mathbb{Z} Z 、虚二次体の 整環、四元数環の 整環の いずれか。 y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x は Z [ i ] \mathbb{Z}[i] Z [ i ] 、y 2 = x 3 + 1 y^2 = x^3 + 1 y 2 = x 3 + 1 は Z [ ζ 3 ] \mathbb{Z}[\zeta_3] Z [ ζ 3 ] を 含む。テイト加群から ガロア表現 ρ E , ℓ \rho_{E,\ell} ρ E , ℓ 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 : E 1 → E 2 \varphi, \psi\colon E_1 \to E_2 φ , ψ : E 1 → E 2 に ついて 中線定理 deg ( φ + ψ ) + deg ( φ − ψ ) = 2 deg φ + 2 deg ψ \deg(\varphi + \psi) + \deg(\varphi - \psi) = 2\deg \varphi + 2\deg \psi deg ( φ + ψ ) + deg ( φ − ψ ) = 2 deg φ + 2 deg ψ 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 deg ( φ ± ψ ) = deg φ + deg ψ + ⟨ φ , ± ψ ⟩ = deg φ + deg ψ ± ⟨ φ , ψ ⟩ で、2 式を 足せばよい。たとえば y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 2 = x 3 − x の [ 1 ] [1] [ 1 ] , [ i ] [i] [ i ] では deg ( 1 + [ i ] ) + deg ( 1 − [ i ] ) = 4 \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 : y 2 = x 3 − x E\colon y^2 = x^3 - x E : y 2 = x 3 − x (Q \mathbb{Q} Q 上)の ψ 3 \psi_3 ψ 3 を 求め、 E ( Q ) E(\mathbb{Q}) E ( Q ) に 位数 3 の 点が ない ことを 示せ。
解答
A = − 1 A = -1 A = − 1 , B = 0 B = 0 B = 0 と して ψ 3 = 3 x 4 − 6 x 2 − 1 \psi_3 = 3x^4 - 6x^2 - 1 ψ 3 = 3 x 4 − 6 x 2 − 1 。系 3.21(2) より、E [ 3 ] ∖ { O } E[3] \setminus \lbrace O \rbrace E [ 3 ] ∖ { O } の 点の x x x 座標は ちょうど ψ 3 \psi_3 ψ 3 の 根である。有理根の 候補 ± 1 , ± 1 / 3 \pm 1, \pm 1/3 ± 1 , ± 1/3 での 値は − 4 -4 − 4 , − 44 / 27 -44/27 − 44/27 で、どれも 根でない。有理点なら x x x 座標は 有理数なので、位数 3 の 有理点は ない(根は x 2 = 1 ± 2 / 3 x^2 = 1 \pm 2/\sqrt{3} x 2 = 1 ± 2/ 3 )。
問題 3.3 ★ ★ E : y 2 = x 3 + 1 E\colon y^2 = x^3 + 1 E : y 2 = x 3 + 1 (Q \mathbb{Q} Q 上)の E [ 2 ] E[2] E [ 2 ] , E [ 3 ] E[3] E [ 3 ] の 点を すべて 求め、等分点の 座標を Q \mathbb{Q} Q に 添加した 体 Q ( E [ 2 ] ) \mathbb{Q}(E[2]) Q ( E [ 2 ]) , Q ( E [ 3 ] ) \mathbb{Q}(E[3]) Q ( E [ 3 ]) と Q \mathbb{Q} 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
x 3 + 1 = ( x + 1 ) ( x 2 − x + 1 ) x^3 + 1 = (x + 1)(x^2 - 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 E [ 2 ] = { O , ( − 1 , 0 ) , (( 1 ± − 3 ) /2 , 0 )} , Q ( E [ 2 ] ) = Q ( − 3 ) \mathbb{Q}(E[2]) = \mathbb{Q}(\sqrt{-3}) Q ( E [ 2 ]) = Q ( − 3 ) で 次数 2。 ψ 3 = 3 x ( x 3 + 4 ) \psi_3 = 3x(x^3 + 4) ψ 3 = 3 x ( x 3 + 4 ) より、x = 0 x = 0 x = 0 から ( 0 , ± 1 ) (0, \pm 1) ( 0 , ± 1 ) 、x = − 4 3 ζ 3 k x = -\sqrt[3]{4}\zeta_3^k x = − 3 4 ζ 3 k (k = 0 , 1 , 2 k = 0, 1, 2 k = 0 , 1 , 2 )から y 2 = − 3 y^2 = -3 y 2 = − 3 , y = ± − 3 y = \pm\sqrt{-3} y = ± − 3 。合わせて 8 点と O O O で 9 点(定理 3.23 と 一致)。 2 3 = ( 4 3 ) 2 / 2 \sqrt[3]{2} = (\sqrt[3]{4})^2/2 3 2 = ( 3 4 ) 2 /2 , − 3 = 2 ζ 3 + 1 \sqrt{-3} = 2\zeta_3 + 1 − 3 = 2 ζ 3 + 1 より Q ( E [ 3 ] ) = Q ( 2 3 , ζ 3 ) \mathbb{Q}(E[3]) = \mathbb{Q}(\sqrt[3]{2}, \zeta_3) Q ( E [ 3 ]) = Q ( 3 2 , ζ 3 ) で、これは x 3 − 2 x^3 - 2 x 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 μ 3 ⊂ Q ( E [ 3 ] ) \mu_3 \subset \mathbb{Q}(E[3]) μ 3 ⊂ Q ( E [ 3 ]) のはずで、実際 ζ 3 \zeta_3 ζ 3 を 含む。
問題 3.4 ★ ★ 標数 ≠ 2 \neq 2 = 2 で E : y 2 = x 3 − x E\colon y^2 = x^3 - x E : y 2 = x 3 − x と する。(1) x ( ( 1 + [ i ] ) P ) = − i 2 ⋅ x 2 − 1 x x((1 + [i])P) = -\frac{i}{2} \cdot \frac{x^2 - 1}{x} x (( 1 + [ i ]) P ) = − 2 i ⋅ x x 2 − 1 を 示し、 deg ( 1 + [ i ] ) = 2 \deg(1 + [i]) = 2 deg ( 1 + [ i ]) = 2 , ker ( 1 + [ i ] ) = { O , ( 0 , 0 ) } \ker(1 + [i]) = \lbrace O, (0, 0) \rbrace ker ( 1 + [ i ]) = { O , ( 0 , 0 )} を 確かめよ。(2) 命題 3.26 の φ : E → E ′ : Y 2 = X 3 + 4 X \varphi\colon E \to E'\colon Y^2 = X^3 + 4X φ : E → E ′ : Y 2 = X 3 + 4 X と 同型 E ′ → E E' \to E E ′ → E , ( X , Y ) ↦ ( u − 2 X , u − 3 Y ) (X, Y) \mapsto (u^{-2}X, u^{-3}Y) ( X , Y ) ↦ ( u − 2 X , u − 3 Y ) (u 2 = 2 i u^2 = 2i u 2 = 2 i )の 合成は、 1 + [ i ] 1 + [i] 1 + [ i ] と x x x 座標が 一致する ことを 示せ。
解答
(1) x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 なら P P P と [ i ] P = ( − x , i y ) [i]P = (-x, iy) [ i ] P = ( − x , i y ) の x x x 座標は 異なり、 λ = ( i y − y ) / ( − 2 x ) = ( 1 − i ) y / ( 2 x ) \lambda = (iy - y)/(-2x) = (1 - i)y/(2x) λ = ( i y − y ) / ( − 2 x ) = ( 1 − i ) y / ( 2 x ) , x ( P + [ i ] P ) = λ 2 − x + x = ( 1 − i ) 2 ( x 3 − x ) / ( 4 x 2 ) = − i ( x 2 − 1 ) / ( 2 x ) x(P + [i]P) = \lambda^2 - x + x = (1 - i)^2(x^3 - x)/(4x^2) = -i(x^2 - 1)/(2x) x ( P + [ i ] P ) = λ 2 − x + x = ( 1 − i ) 2 ( x 3 − x ) / ( 4 x 2 ) = − i ( x 2 − 1 ) / ( 2 x ) 。分子と 分母は 互いに 素で 微分 − i 2 ( 1 + x − 2 ) ≠ 0 -\frac{i}{2}(1 + x^{-2}) \neq 0 − 2 i ( 1 + x − 2 ) = 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 = 0 x = 0 x = 0 の 点 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) と O O O である。(2) x ( φ ( P ) ) = y 2 / x 2 = ( x 2 − 1 ) / x x(\varphi(P)) = y^2/x^2 = (x^2 - 1)/x x ( φ ( P )) = y 2 / x 2 = ( x 2 − 1 ) / x , u − 2 = 1 / ( 2 i ) = − i / 2 u^{-2} = 1/(2i) = -i/2 u − 2 = 1/ ( 2 i ) = − i /2 なので 一致する。同型である こと : ( u − 3 Y ) 2 = u − 6 ( X 3 + 4 X ) (u^{-3}Y)^2 = u^{-6}(X^3 + 4X) ( u − 3 Y ) 2 = u − 6 ( X 3 + 4 X ) が ( u − 2 X ) 3 − u − 2 X (u^{-2}X)^3 - u^{-2}X ( u − 2 X ) 3 − u − 2 X に 等しい 条件は u 4 = − 4 u^4 = -4 u 4 = − 4 で、u 4 = ( 2 i ) 2 = − 4 u^4 = (2i)^2 = -4 u 4 = ( 2 i ) 2 = − 4 。よって 1 + [ i ] 1 + [i] 1 + [ i ] は、± \pm ± を 除いて φ \varphi φ と 同型の 合成である。
問題 3.5 ★ R \mathbb{R} R 上の 楕円曲線 E E E で E [ m ] ⊂ E ( R ) E[m] \subset E(\mathbb{R}) E [ m ] ⊂ E ( R ) と なる m ≥ 2 m \geq 2 m ≥ 2 は m = 2 m = 2 m = 2 に 限る ことを 示し、 m = 2 m = 2 m = 2 の 例を 挙げよ。
解答
系 3.32(2) より μ m ⊂ R \mu_m \subset \mathbb{R} μ m ⊂ R 。R \mathbb{R} R に 含まれる 1 の べき根は ± 1 \pm 1 ± 1 だけなので m ≤ 2 m \leq 2 m ≤ 2 。y 2 = x 3 − x y^2 = x^3 - x y 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}) E [ 2 ] = { O , ( 0 , 0 ) , ( ± 1 , 0 )} ⊂ E ( R ) である。
問題 3.6 ★ ★ 標数 p ≥ 5 p \geq 5 p ≥ 5 と する。 ψ p \psi_p ψ p の x ( p 2 − 1 ) / 2 x^{(p^2 - 1)/2} x ( p 2 − 1 ) /2 の 係数 p p p が 0 0 0 に なる ことを 使って、 ∣ E [ p ] ∣ ≤ p \lvert E[p] \rvert \leq p ∣ E [ p ]∣ ≤ 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 P ∈ E [ p ] ∖ { O } では x ∘ [ p ] = ϕ p / ψ p 2 x \circ [p] = \phi_p/\psi_p^2 x ∘ [ p ] = ϕ p / ψ p 2 (ここでの ϕ p \phi_p ϕ 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 ψ p ( x ( P ) ) = 0 \psi_p(x(P)) = 0 ψ p ( x ( P )) = 0 。p p p は 奇数なので E [ p ] E[p] E [ p ] に 位数 2 の 点は なく、 E [ p ] ∖ { O } E[p] \setminus \lbrace O \rbrace E [ p ] ∖ { O } の 点の x x x 座標は ( ∣ E [ p ] ∣ − 1 ) / 2 (\lvert E[p] \rvert - 1)/2 (∣ E [ p ]∣ − 1 ) /2 個の 値を とり、すべて ψ p \psi_p ψ p (x x x の 多項式)の 根である。 ψ p ≠ 0 \psi_p \neq 0 ψ p = 0 である(定理 3.19 の 等式は 分母を 払って ψ p 2 ⋅ ( x ∘ [ p ] ) = ϕ p \psi_p^2 \cdot (x \circ [p]) = \phi_p ψ p 2 ⋅ ( x ∘ [ p ]) = ϕ p とも 書け、右辺は 最高次の 係数が 1 1 1 の 多項式(補題 3.18(2))なので 0 0 0 でない)。補題 3.18 の 証明より ψ p \psi_p ψ p の 次数は ( p 2 − 1 ) / 2 (p^2 - 1)/2 ( p 2 − 1 ) /2 以下で、その 次数の 係数 p p p は 0 0 0 だから 次数は ( p 2 − 1 ) / 2 (p^2 - 1)/2 ( p 2 − 1 ) /2 未満。よって ∣ E [ p ] ∣ < p 2 \lvert E[p] \rvert < p^2 ∣ E [ p ]∣ < p 2 。E [ p ] E[p] E [ p ] は F p \mathbb{F}_p F p 上の ベクトル空間で ∣ E [ p ] ∣ = deg s [ p ] ≤ p 2 \lvert E[p] \rvert = \deg_s[p] \leq p^2 ∣ E [ p ]∣ = deg s [ p ] ≤ p 2 だから、次元は 1 以下、∣ E [ p ] ∣ ≤ p \lvert E[p] \rvert \leq p ∣ E [ p ]∣ ≤ p 。
問題 3.7 ★ E E E を F q \mathbb{F}_q F q 上の 楕円曲線と する。(1) E ( F q n ) = ker ( 1 − ϕ q n ) E(\mathbb{F}_{q^n}) = \ker(1 - \phi_q^n) E ( F q n ) = ker ( 1 − ϕ q n ) を 示せ。(2) ϕ q \phi_q ϕ q は E ( F ‾ q ) E(\overline{\mathbb{F}}_q) E ( F q ) の 全単射なのに 次数は q q q 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) ϕ q n = ϕ q n \phi_q^n = \phi_{q^n} ϕ q n = ϕ q n で、a ∈ F ‾ q a \in \overline{\mathbb{F}}_q a ∈ F q が F q n \mathbb{F}_{q^n} F q n に 属する ことは a q n = a a^{q^n} = a a q n = a と 同値(04 第8章 定理 8.41(2))。よって ϕ q n ( P ) = P ⟺ P ∈ E ( F q n ) \phi_q^n(P) = P \iff P \in E(\mathbb{F}_{q^n}) ϕ q n ( P ) = P ⟺ P ∈ E ( F q n ) 。(2) ϕ q \phi_q ϕ q は 純非分離的なので deg s ϕ q = 1 \deg_s \phi_q = 1 deg s ϕ q = 1 、deg i ϕ q = q \deg_i \phi_q = q deg i ϕ 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 q q q 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 ( m o d 4 ) p \equiv 3 \pmod 4 p ≡ 3 ( mod 4 ) を 素数とし、 E : y 2 = x 3 − x E\colon y^2 = x^3 - x E : y 2 = x 3 − x を F ‾ p \overline{\mathbb{F}}_p F p 上で 考える。 ϕ p ∘ [ i ] = − [ i ] ∘ ϕ p \phi_p \circ [i] = -[i] \circ \phi_p ϕ p ∘ [ i ] = − [ i ] ∘ ϕ p を 示し、 End ( E ) \operatorname{End}(E) 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
i p = i 3 = − i i^p = i^3 = -i i p = i 3 = − i なので ϕ p ( [ i ] ( x , y ) ) = ( − x p , − i y p ) \phi_p([i](x, y)) = (-x^p, -iy^p) ϕ p ([ i ] ( x , y )) = ( − x p , − i y p ) 、[ i ] ( ϕ p ( x , y ) ) = ( − x p , i y p ) [i](\phi_p(x, y)) = (-x^p, iy^p) [ i ] ( ϕ p ( x , y )) = ( − x p , i y p ) 。よって ϕ p ∘ [ i ] = − [ i ] ∘ ϕ p \phi_p \circ [i] = -[i] \circ \phi_p ϕ p ∘ [ i ] = − [ i ] ∘ ϕ p 。可換なら 2 [ i ] ∘ ϕ p = 0 2[i] \circ \phi_p = 0 2 [ i ] ∘ ϕ p = 0 だが、End ( E ) \operatorname{End}(E) End ( E ) は 零因子も ねじれも なく(命題 3.12)、 [ i ] , ϕ p ≠ 0 [i], \phi_p \neq 0 [ i ] , ϕ p = 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 : y 2 = x 3 − x E\colon y^2 = x^3 - x E : y 2 = x 3 − x の 2 等分点 Q = ( 1 , 0 ) 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 j j j 不変量を 計算して E E E と 同型でない ことを 確かめよ。
解答
Q ∈ G 2 Q \in G_2 Q ∈ G 2 なので t Q = 3 − 1 = 2 t_Q = 3 - 1 = 2 t Q = 3 − 1 = 2 , u Q = 0 u_Q = 0 u Q = 0 , t = 2 t = 2 t = 2 , w = x Q t Q = 2 w = x_Qt_Q = 2 w = x Q t Q = 2 。E ′ : Y 2 = X 3 − 11 X − 14 E'\colon Y^2 = X^3 - 11X - 14 E ′ : Y 2 = X 3 − 11 X − 14 , X = x + 2 / ( x − 1 ) X = x + 2/(x - 1) X = x + 2/ ( x − 1 ) 。4 ( − 11 ) 3 + 27 ( − 14 ) 2 = − 5324 + 5292 = − 32 4(-11)^3 + 27(-14)^2 = -5324 + 5292 = -32 4 ( − 11 ) 3 + 27 ( − 14 ) 2 = − 5324 + 5292 = − 32 より j ( E ′ ) = 1728 ⋅ ( − 5324 ) / ( − 32 ) = 287496 = 66 3 ≠ 1728 = j ( E ) j(E') = 1728 \cdot (-5324)/(-32) = 287496 = 66^3 \neq 1728 = j(E) j ( E ′ ) = 1728 ⋅ ( − 5324 ) / ( − 32 ) = 287496 = 6 6 3 = 1728 = j ( E ) なので、第1章 定理 1.15(1) より(K ‾ \overline{K} K 上でも)同型でない。E ′ 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 : E 1 → E 2 \varphi\colon E_1 \to E_2 φ : E 1 → 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 ℓ であると する。 ker φ ^ = φ ( E 1 [ ℓ ] ) \ker \hat{\varphi} = \varphi(E_1[\ell]) ker φ ^ = φ ( E 1 [ ℓ ]) を 示せ。
解答
R ∈ ker φ R \in \ker \varphi R ∈ ker φ なら ℓ R = φ ^ ( φ ( R ) ) = O \ell R = \hat{\varphi}(\varphi(R)) = O ℓ R = φ ^ ( φ ( R )) = O なので ker φ ⊂ E 1 [ ℓ ] \ker \varphi \subset E_1[\ell] ker φ ⊂ E 1 [ ℓ ] 。φ \varphi φ を E 1 [ ℓ ] E_1[\ell] E 1 [ ℓ ] (位数 ℓ 2 \ell^2 ℓ 2 )に 制限した 核は ker φ \ker \varphi ker φ (位数 ℓ \ell ℓ 、定理 3.13(2))なので、像の 位数は ℓ \ell ℓ 。φ ^ ( φ ( P ) ) = ℓ P = O \hat{\varphi}(\varphi(P)) = \ell P = O φ ^ ( φ ( P )) = ℓ P = O より 像は ker φ ^ \ker \hat{\varphi} ker φ ^ に 含まれ、 ∣ ker φ ^ ∣ = deg s φ ^ ≤ deg φ ^ = ℓ \lvert \ker \hat{\varphi} \rvert = \deg_s \hat{\varphi} \leq \deg \hat{\varphi} = \ell ∣ ker φ ^ ∣ = deg s φ ^ ≤ deg φ ^ = ℓ (定理 3.14(4))なので 一致する。