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未解決問題、算術と数論、1900年に提起

ヒルベルトの第12問題

未解決ヒルベルト #12

任意の代数体 KK に対して、その特殊値が KK の最大アーベル拡大 KabK^{\mathrm{ab}} を生成するような解析関数を見いだせ。これは、指数関数の値 exp⁡(2πi/n)\exp(2\pi i/n) が Qab\mathbb{Q}^{\mathrm{ab}} を生成するというクロネッカー–ウェーバーの定理、および楕円関数とモジュラー関数の特殊値が虚二次体 K=Q(−d)K = \mathbb{Q}(\sqrt{-d}) の KabK^{\mathrm{ab}} を生成するというクロネッカーの『青春の夢』(Jugendtraum)の一般化である。

研究の最前線 2026年時点

2026年現在、ヒルベルトの第12問題はいくつかの主要な領域——Q\mathbb{Q} 上(クロネッカー–ウェーバー)、虚二次体上(古典的虚数乗法論)、大域関数体上(ドリンフェルト、1974年)、そして pp 進解析的な定式化のもとでのすべての総実代数体上(ダスグプタ–カクデ、2021–2023年)——において解決されている一方、本来の複素解析的な形や、実埋め込みと複素埋め込みの両方を持つ一般の代数体に対しては未解決のままである。ダスグプタとカクデは、群環値ヒルベルト・モジュラー・アイゼンシュタイン級数に対するリベットの手法とリッター–ヴァイス加群を用いて総実体 FF に対するブルマー–スターク予想および整数版グロス–スターク予想を証明し、pp 進乗法的積分から構成されるブルマー–スターク pp 単数(と [F:Q]−1[F:\mathbb{Q}]-1 個の平方根)が FabF^{\mathrm{ab}} を生成することを示した。また、アンリ・ダルモン、サミット・ダスグプタ、ヤン・フォンクらによる pp 進上半平面上のリジッド有理型コサイクルに関する並行した研究は、実二次体に対してモジュラー jj 不変量の見事な pp 進類似を与えている。実二次体や混合符号を持つ代数体に対する純粋にアルキメデス的(複素解析的)な生成元、あるいはアルキメデス的スターク予想の無条件証明にはまだ手が届いていない。

既知の最良の結果

  • 円分値 exp⁡(2πi/n)\exp(2\pi i/n) による Q\mathbb{Q} に対する完全な古典的解決(クロネッカー–ウェーバー、1886年)、および虚数乗法を持つ楕円関数・モジュラー関数による虚二次体に対する解決(クロネッカー、ウェーバー、高木、志村)。
  • ドリンフェルト加群のねじれ点による大域関数体に対する完全な解決(ドリンフェルト、1974年)。
  • ブルマー–スターク予想の証明、およびグロス–スターク単数による任意の総実代数体 FF の FabF^{\mathrm{ab}} の明示的な pp 進解析的生成(ダスグプタ–カクデ、2021–2023年、arXiv:2103.02516 および arXiv:2204.09037)。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
楕円曲線およびアーベル多様体の虚数乗法モジュラー関数の特殊値とねじれ点を用いて、任意の虚二次体の最大アーベル拡大全体、および高次元CM体の大きなアーベル拡大を生成する。C\mathbb{C} 上のアーベル多様体は総実体を扱うのに必要な形での実乗法を自己準同型環として持ちえず、高次元CM体に対してさえ志村の理論は KabK^{\mathrm{ab}} 全体を生成しない。
リベットの手法と pp 進グロス–スターク単数(ダスグプタ–カクデ)ヒルベルト・モジュラー・アイゼンシュタイン級数とカスプ形式の間の合同関係を用いてブルマー–スターク予想と整数版グロス–スターク予想を証明し、任意の総実体 FF に対する FabF^{\mathrm{ab}} の生成元の明示的な pp 進解析的公式を与える。アルキメデス的対称空間上の複素解析関数を補助素数 pp にわたる pp 進積分に置き換えており、また基礎体がCM拡大を持つ総実体であることに依存している。

未解決の問い

  • アルキメデス的ランク1のスターク予想を無条件で証明し、実二次体および総実体の最大アーベル拡大に対して(pp 進ではなく)複素解析的な生成元を与えることはできるか。
  • リジッド・コサイクルによる pp 進的手法であれ、スターク単数によるアルキメデス的手法であれ、明示的類体論を混合符号(実素点と複素素点の両方を持つ)の代数体へとどのように拡張できるか。

参考文献

  1. David Hilbert (1900). Mathematische Probleme
  2. Vladimir G. Drinfeld (1974). Elliptic modules · DOI:10.1007/978-1-4614-5888-3_2
  3. Samit Dasgupta, Mahesh Kakde (2023). On the Brumer–Stark conjecture · arXiv:2204.09037
  4. Samit Dasgupta, Mahesh Kakde (2021). Brumer–Stark units and explicit class field theory · arXiv:2103.02516 [プレプリント・未査読]