类域论

[拼音]：leiyulun

[外文]：class field theory

研究数域上阿贝尔扩张的理论。它的基本思想是用基域的算术性质去刻画它上面的阿贝尔扩张。设k是一数域，I是k的一切非零的分式理想构成的乘法群，I也记作l(k)。对于k上的任一阿贝尔扩张K，存在I的一个狭义子群h与K对应，使得k的每个素理想P在K中分裂的充分必要条件是P属于h。

D.希尔伯特于1898年至1899年间作了如下的猜想：设Ck是k的理想类群，于是存在一个惟一的阿贝尔扩张K/k适合下列条件：

（1）K/k的伽罗瓦群G(K/k)≌Ck；

（2）k中每个素理想在K中非分歧；

（3）设k的素理想P在Ck中所代表的类的阶为?。则?|hk，hk＝｜Ck｜。令hk=g·?，于是P在K中分解成g个不同的素因子的积，它们对P的公共剩余次数为?。

希尔伯特就hk=2的情形给出了证明，以他的洞察力对一般情况作了如上的猜想。P.H.富特文格勒于1907年证明了如上的猜想。这个K/k被称为希尔伯特类域。

在推广希尔伯特类域的道路上，H.韦伯做了一步重要的准备工作，他在他的著作《代数学教程》第3卷中推广了理想类群的概念。k的每个素理想P决定一类互相等价的P进赋值，这个等价类称为k的一个有限素点，仍用P表示。此外，k还有r1个到实数域R的实嵌入σ1，σ2，…，σr1和r2对到复数域C的共轭的复嵌入决定出k的r1+r2个阿基米德绝对值如下：，其中| |表示复数绝对值。由决定的等价类称为k的无限素点，依次记作，前r1个称为实素点，后r2个称为复素点。用P表示k的全部素点，用P的元素作形式积，其中vi≥0，μj≥0，而且只有有限多个vi不为0。M称为k的一个整除子。所有整除子构成一个乘法幺半群，而且是一个高斯半群。称为M的有限部分。

每个整除子 M如下定义I(k)的一个模M的束子群：元素α∈k*(k*=k-{0})称为满足下列乘法同余式(*)α呏1(mod×M)，是指①将理想(α-1)/M0表成互素整理想的商U/，要求与M0互素，而且②σi(α)>0对所有μi>0的实素点Pinfin;i。所有满足(*)的α生成的主理想(α)的集合，记作S，构成l(k)的一个子群，称为模M的束子群。当M为单位整除子时，S1=I即主理想子群。

用I(k)=I表示I中由一切与M0互素的整理想生成的子群。于是S嶅I而且I/S的阶有限。I的一个子群h称为严格意义下的理想群，是指存在k的一个整除子M使得S嶅h嶅I。以下说的理想群都是这种严格意义下的理想群。设h1和h2为任意两个理想群，分别由整除子M1和M2所规定:S嶅hi嶅I，i=1，2。如果(h1)=h1∩I=h2∩I=(h2)，那么h1和h2称为是等价的，记作h1～h2。于是，所有理想群分成一些等价类，包括理想群h的等价类记作(h)。若属于同一类的理想群h1和h2，分别由M1、M2所规定，则有I/h1≌I/h2。因而每个等价类(h)决定了一个惟一的商群，称为理想类群。对每个等价类(h)，存在一个整除子F使得(h)包含一个由F规定的理想群，而且若一个由整除子M规定的理想群属于(h)，则F整除M。F由(h)惟一决定，称为(h)的导子。(I)的导子为1。

高木贞治在1920年发表的文章中，应用H.韦伯的理想类群，成功地推广了希尔伯特的结果，并且建立了完整的类域论。设K/k为数域k上一个n次伽罗瓦群扩张，G为它的伽罗瓦群。k的一个有限素点P称为在K中分歧，是指素理想P在K中分歧；k的一个实素点P∞称为在K中分歧，是指与P∞对应的k的实嵌入σ在K上的每个开拓都是复嵌入。对于任一σ∈G和K的任一分式理想U，令。设B为K的一个素理想，且位于k的素理想P之上，令B对P的剩余次数为?。则/k(B)=P?。令/k(I(k))={/k(U)|U取遍K的非零的分式理想｝。高木贞治得到以下的重要结果：

（1）基本定理　设K/k为数域k上一n次阿贝尔扩张，则存在k的一个整除子M，仅含在K内分歧的素点(有限或无限)作为素因子，使得理想群h=/k(I(K))S在I(k)内的指数为n。

（2）分歧定理　设(h)的导子为F，则K的一个素点P在K内分歧的充分必要条件是P｜F。

（3）同构定理　K/k的伽罗瓦群与I(k)/h同构。

（4）分解定理　设P为k的与F互素的任一素理想;设hF∈(h)为由F规定的理想群；设?是最小正整数使得P?∈hF，则P在K中分解成个素理想的积。

（5）存在定理　设h为k的任一理想群，由整除子M所规定，指数(I(k):h)=n。则存在一个n次阿贝尔扩张K/k使得h=/k(I(K))S。

于是，在k上有限阿贝尔扩张K/k和k的理想群（等价类）之间建立了一个一一对应。K/k称为对应于h的类域，同时h称为对应于K/k的类群。(h)的导子称为K/k的导子。

E.阿廷于1927年证明了著名的一般互反律，设K/k为数域k上一个n次阿贝尔扩张，G(K/k)为它的伽罗瓦群，O为K的整数环。设P为k的任一个在K中不分歧的素理想，Z为P在K中的一个素因子B的分解群，Z包含一个对应于B的弗罗贝尼乌斯置换σ使得ασ呏αP (modB)，α∈O，其中N表示P的绝对范数。这个σ与B的选取无关，由P惟一决定，因而可记成，称为阿廷符号。它还可以推广如下：设是k的任一个非零分式理想，Pi(1≤i≤m)在K中都不分歧，则定义。

阿廷互反律　设K/k为数域k上一个n次阿贝尔扩张，δ为它的判别式，Iδ的定义如前，则有：

（1）阿廷映射是Iδ到K/k的伽罗瓦群G(K/k)的一个满同态。

（2）存在k的一个整除子M，仅以在K中分歧的素点为它的素因子，使得S嶅Ker(ω)(Ker(ω)表ω的核)，从而Ker(ω)=/k(I(K))S。适合S嶅Ker(ω)的一切整除子M的最大公因子F就是K/k的导子。

同构定理和分解定理是阿廷互反律的直接推论。

除了存在定理⑤以外，还有一个具有给定的局部性质的有限阿贝尔扩张存在的定理，就是1932年发表的格鲁恩瓦尔德定理。王湘浩于1948年发现该定理包含的错误，并于1950年给出了正确的更一般的陈述和证明。从此以后人们称之为格鲁恩瓦尔德－王定理。它是著名定理“数域上中心单（结合）代数为循环代数”成立的主要根据之一。

有理数域Q上的分圆域是类域的一个雏形。设K＝Q(ζ)为m(m>1)分圆域，ζ为一个m次本原单位根，当m为偶数时，假定4│m。此时K是Q上φ(m)次阿贝尔扩张，它的伽罗瓦群，K的每个自同构σ由它在ζ上的作用惟一决定。若ζσ=ζr，σ可记成σr，(r，m)=1，Q只有一个无限素点即实素点p∞。在K内分歧的素点恰由m的素因子和p∞组成。设p是任一个与m互素的素数，P为p在K中的一个素因子，?为P对p的剩余次数。于是NK/Q(P)=p?，而且对应于p的弗罗贝尼乌斯置换是σp:ζ捚＝ζp。于是。其次，Q的每个非零分式理想是一个主理想，而且可由一个正有理数生成，与m互素的分式理想可写成，其中每个素数pi与m互素，vi∈Z。于是

。

由此可知， (α)属于阿廷映射ω 的核，其充分必要条件是。 所以。这就是有理数域上m分圆域的互反律。

C.谢瓦莱于20世纪30年代末引进了伊代尔 (idele)概念以替代理想概念，从而将有限阿贝尔扩张的阿廷映射推广到任意（有限或无限）阿贝尔扩张上去。对于数域k的每个素点P，有一个局部域(局部紧致拓扑域)，k的乘法群k是局部紧致交换群。除有限多个无限素点外，对每个有限素点P，k有一个极大紧子群即k的单位群U。作直积 ∏k，它的元素α可写作α=(α)，α∈k。如果α除去有限多个分量(其中包括全部无限素点上的分量)外，其余每个分量都是k的单位，那么α称为一个伊代尔。所有伊代尔集合是∏k的一个子群，记作Jk。Jk显然是所有这种子群的并集，其中S是k的素点集的任一个包含全部无限素点的有限子集。因而，由∏k的乘积拓扑诱导出的Jk的拓扑是局部紧的。若α=(α)的所有分量α=α∈k*，则α显然是一个伊代尔，称为主伊代尔。所有主伊代尔构成Jk的一个子群，且与k*同构，仍记作k*。于是商群Ck=Jk/k*，称为伊代尔类群。

自从H.哈塞利用局部域上的布饶尔群以建立局部类域论以来，人们逐步认识到群的上同调理论和类域论之间的联系，经过许多人的努力，应用群的上同调理论，对类域论作了系统处理。首先建立局部类域论，然后由局部类域论组织成整体类域论。设K/k为数域k上任一有限阿贝尔扩张，G为它的伽罗瓦群。对k的每个素点P，取定K的一个素点B使得B|P。K和K分别为K和k对B和P的完备化。G表示B的分解群，G就是K/k的伽罗瓦群。根据群的上同调理论，可以直接定义同态称为范剩余符号。这个映射是一个满同态而且。这就是局部域上阿贝尔扩张的互反律，称为局部互反律。然后用范剩余符号去定义阿廷符号(α，K/k)如下：对k的每个伊代尔α=(α)，规定。映射α(α，K/k)是伊代尔群Jk到K/k的伽罗瓦群G的一个满同态，而且。这就是用伊代尔群表述的阿廷互反律。 这样，阿廷符号就可以以自然的方式开拓到k的任意阿贝尔扩张上去。

应当指出，数域上的类域论可以平行地推广到有限常数域上一元代数函数域上去。

阿廷在他与J.T.塔特合写的类域论(1951～1952)的讲稿中提出了类结构的概念，将局部的和整体的、数域的和代数函数域的类域论纳入同一个公理化体系中。

参考书目
  1. E.Artin，Algebraic Numbers and Algebraic Func-tions，Gordon and Breach， New York， 1967.
  2. E.Artin and J.Tate，ed.，Class Field Theory，Benjamin， New York， 1967.
  3. A.Weil，basic Number Theory，3rd ed.，Springer-Verlag， Berlin， 1967.