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定理証明済み

ヘンゼルの補題

内容

f(X)∈Zp[X]f(X) \in \mathbb{Z}_p[X] とし、a∈Zpa \in \mathbb{Z}_p が f(a)≡0(modp)f(a) \equiv 0 \pmod p かつ f′(a)≢0(modp)f'(a) \not\equiv 0 \pmod p(**法 pp での単純根**)を満たすとする。このとき f(α)=0f(\alpha) = 0 を正確に満たし α≡a(modp)\alpha \equiv a \pmod p となる α∈Zp\alpha \in \mathbb{Z}_p が一意に存在する。

なぜ正しいのか?

これはニュートン法の pp進版のいとこだが、単に近似的に収束するのではなく正確に収束する点が異なる:Qp\mathbb{Q}_p が完備で ∣⋅∣p|\cdot|_p が超距離的であるため、ニュートン反復 an+1=an−f(an)/f′(an)a_{n+1} = a_n - f(a_n)/f'(a_n) は根に近づくだけでなく、桁ごとに安定し、無限回の修正の末にぴったり根に到達する。法 pp での単純根は Zp\mathbb{Z}_p の本物の根へと一意に「持ち上がる」ことが保証されており、有限で検証可能な合同条件を正確な pp進数の存在証明へと変えるのである。

証明の概略

α\alpha を逐次近似 a=a0,a1,a2,⋯∈Zpa = a_0, a_1, a_2, \dots \in \mathbb{Z}_p の極限として、an+1=an−f(an)/f′(an)a_{n+1} = a_n - f(a_n)/f'(a_n) により構成する。帰納法により vp(f(an))≥n+1v_p(f(a_n)) \ge n+1 かつ vp(f′(an))=vp(f′(a))=0v_p(f'(a_n)) = v_p(f'(a)) = 0 が全ての nn で成り立つことを示す(各段階で an+1≡an(modp)a_{n+1} \equiv a_n \pmod p なので導関数は単元のままであり、常に f′(an)≡f′(a)≢0(modp)f'(a_n) \equiv f'(a) \not\equiv 0 \pmod p である)。すると vp(an+1−an)=vp(f(an))−vp(f′(an))≥n+1v_p(a_{n+1}-a_n) = v_p(f(a_n)) - v_p(f'(a_n)) \ge n+1 となるので (an)(a_n) は pp進距離でコーシー列であり、Zp\mathbb{Z}_p の完備性によりある α≡a(modp)\alpha \equiv a \pmod p に収束し、ff の連続性から f(α)=lim⁡f(an)=0f(\alpha) = \lim f(a_n) = 0 が従う。一意性:β≠α\beta \ne \alpha が β≡a(modp)\beta \equiv a \pmod p を満たす別の根であったとすると、平均値定理/テイラー展開 f(β)−f(α)=(β−α)(f′(α)+p(⋯ ))f(\beta) - f(\alpha) = (\beta-\alpha)(f'(\alpha) + p(\cdots)) において f′(α)f'(\alpha) が単元であることから β=α\beta = \alpha が強制される。

この定理を使うトピック

ステップごとの証明

この定理のステップごとの証明はまだありません。

参考文献

  1. Neal Koblitz (1984). p-adic Numbers, p-adic Analysis, and Zeta-Functions · DOI:10.1007/978-1-4612-1112-9
  2. Peter Scholze (2012). Perfectoid spaces · arXiv:1111.4914