MathLabs

解法: 補助関数によるゲルフォント・シュナイダーの超越性証明(1934年)

ステップ 6/7: 代数的な下界:非零の代数的数はあまり小さくなり得ない
ざっくり言うと

ここに単純だが強力な事実がある:既約な非零有理数 p/qp/q は ∣p/q∣≥1/q|p/q|\ge1/q を満たす——分母が巨大でない限り、任意にゼロに近づくことはできない。代数的数もこれに類似した、もう少し込み入った規則に従う:非零の代数的整数の絶対値は、そのすべての「共役」(その最小多項式の他の根)の絶対値と掛け合わせると、絶対値として少なくとも 11 でなければならない。なぜならその積は常に非零の通常の整数だからである。

我々の数 Φ(s)(0)\Phi^{(s)}(0) は(明示的で制御可能な分母を払った上で)まさにそのような代数的整数であり、α,β,γ\alpha,\beta,\gamma と GG の係数から作られる。以前と同じ増大度の評価を用いてその共役の大きさを評価すると、それは明示的な定数 CC に対して e−CLe^{-CL} より小さくなり得ないことが分かる——LL が大きければ、前のステップの上界 e−cLlog⁡Le^{-cL\log L} よりも(絶対値として)はるかに大きい。

∣Φ(s)(0)∣≥exp⁡(−C L)|\Phi^{(s)}(0)| \ge \exp(-C\, L)
詳しい解説

η\eta を、[K:Q]=D[K:\mathbb{Q}]=D を満たす体 KK 内の非零代数的数とし、dd を(η\eta を代数的整数 dηd\eta にする)「分母」とすると、すべての埋め込み σ:K↪C\sigma:K\hookrightarrow\mathbb{C} にわたる ∣σ(dη)∣|\sigma(d\eta)| の積は非零の通常の整数であり、したがって絶対値は ≥1\ge1 である;η\eta 自身を与える一つの埋め込みを分離すると ∣η∣≥d−1∏σ≠id∣σ(η)∣−1|\eta|\ge d^{-1}\prod_{\sigma\ne\mathrm{id}}|\sigma(\eta)|^{-1} が得られる——これは ∣p/q∣≥1/q|p/q|\ge1/q の代数的な類似物である(Siu、「サイズ」についての議論;これは超越数論において標準的であり、例えば Lang の『Introduction to Transcendental Numbers』にある)。

ここで η=Φ(s)(0)/s!\eta=\Phi^{(s)}(0)/s! は、α,β,γ∈K\alpha,\beta,\gamma\in K と GG の係数に関する明示的な多項式表現であり、その分母はステップ3と同じ導関数の大きさの評価(∥Dλ(fjgk)∥≤(2J+L)LC2J+L\|D^\lambda(f^jg^k)\|\le(2J+L)^LC^{2J+L}、したがって分母の大きさは ≲L\lesssim L)を用いて評価される。各共役 ∣σ(η)∣|\sigma(\eta)| を評価するには、構成全体に σ\sigma を適用したものを評価する必要がある——これは同じ導関数の増大度の評価を、今度は KK のすべての埋め込みにわたって一様に適用したものであり、[K:Q][K:\mathbb{Q}] と α,β,γ\alpha,\beta,\gamma の高さに依存する明示的な C1C_1 に対して ∣σ(η)∣≲eC1L|\sigma(\eta)|\lesssim e^{C_1L} を与える。

これらを組み合わせると、∣η∣=∣Φ(s)(0)∣/s!≥e−C2L|\eta|=|\Phi^{(s)}(0)|/s!\ge e^{-C_2L} が明示的な C2C_2(分母の大きさとすべての共役の評価を吸収したもの)に対して成り立ち、したがって log⁡∣Φ(s)(0)∣≥−C2L−log⁡(s!)≥−C3Llog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\ge-C_2L-\log(s!)\ge-C_3L\log L はそれ自体では弱すぎるが、(log⁡s!\log s! の項は解析側ですでに考慮済みであるため)これを除いて直接ステップ5の log⁡∣Φ(s)(0)∣≲−cLlog⁡L\log|\Phi^{(s)}(0)|\lesssim-cL\log L と比較すると、Llog⁡LL\log L が LL よりも厳密に速く増大するため、LL が大きいとき代数的下界 −C2L-C_2L は最終的に解析的上界 −cLlog⁡L-cL\log L を上回る——本物の数値的矛盾である。

このステップの用語
代数的数の高さ・サイズ
代数的数 η\eta の数論的複雑さを測る数値であり、おおよそ η\eta の分母とそのすべてのガロア共役の中で最大の絶対値の対数である。高さが大きいほど η\eta を正確に書き表すのに「より多くの余地」が必要であり、(双対的に)実際にはゼロでないままゼロに近づくことができる。