代数数论

狄利克雷单位定理

在普通整数中,唯一具有仍为整数的乘法逆元的数只有 +1 与 -1——一个微小乏味的单位群。在一般的整数环中,单位可以丰富得多:可能有无穷多个,就像佩尔方程的基本解,你可把它升到任意次幂。狄利克雷定理用数域的形状精确给出它有多丰富。

设 K 是数域,有 r_1 个实嵌入与 r_2 对复嵌入,故 [K : Q] = r_1 + 2 r_2。定理断言 O_K 的单位群同构于(K 中单位根构成的有限循环群)乘以 Z^{r_1 + r_2 - 1}。换言之:模去单位根后,单位构成秩为 r = r_1 + r_2 - 1 的自由阿贝尔群。

证明把单位经由其对数嵌入到 R^{r_1 + r_2} 中的一个超平面里,并证明其像是一个满秩格——单位群在挠之外就是一个格。该格的余体积即调节子,一个度量单位“密度”的实数,它与类数一道出现在解析类数公式中。

对实二次域 Q(sqrt(2)),有 r_1 = 2,r_2 = 0,故秩为 2 + 0 - 1 = 1。单位为正负 (1 + sqrt(2))^k(k 属于 Z);这里 1 + sqrt(2) 是一个基本单位,且 (1 + sqrt(2))(sqrt(2) - 1) = 1。

相比之下虚二次域有 r_1 = 0,r_2 = 1,秩为 0——只有有限多个单位,即单位根。