비트 환
1. 개요
비트 환은 표수가 2가 아닌 체 k 위에 정의되며, 유한 차원 벡터 공간의 비퇴화 이차 형식의 동치류로 구성된다. 비트 분해 정리에 따라 이차 형식은 표준적으로 분해되며, 비트 동치와 비트 환 개념이 정의된다. 체 K 위의 비퇴화 유한 차원 이차 공간의 비트 동치류 집합에 연산을 부여하면 가환환을 이루며 이를 K의 비트 환이라 한다. 비트 환은 기본 아이디얼, 계수와 행렬식, 하세-비트 불변량 등의 성질을 가지며, 밀너 환과도 관련된다. 비트 환은 체의 종류에 따라 다른 구조를 가지며, 복소수체는 Z/2Z, 실수체는 Z, 유한체는 Z/4Z 또는 (Z/2Z)[F*/(F*)2]와 같은 구조를 갖는다. 비트 환은 왜곡 대칭 형식과 같은 일반화된 형식으로 확장될 수 있으며, L-이론에서 중요한 역할을 한다. 비트 환의 개념은 에른스트 비트에 의해 1937년에 처음 도입되었다.
2. 정의
표수가 2가 아닌 체 k 위에서 정의되는 비트 환은 k 위의 유한 차원 벡터 공간에 정의된 비퇴화 이차 형식들의 동치류들로 구성된다. 여기서 '비퇴화'는 이차 형식 Q에 대해 Q(v) = 0을 만족하는 벡터 v가 0 벡터뿐임을 의미한다.
두 대칭 쌍선형 형식을 갖춘 공간이 '동치'라는 것은, 하나를 다른 하나로부터 대사 제곱 공간을 더함으로써 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 이는 노름이 0인 벡터를 갖는 비퇴화 2차원 대칭 쌍선형 형식인 하나 이상의 쌍곡 평면 사본을 더하는 것이다. 각 동치류는 비트 분해의 핵심 형식으로 표현된다.
이러한 동치류들은 직교 직합을 통해 가환군 W(k)을 이루며, 이를 k의 비트 군이라고 한다. 비트 군은 1차원 형식의 동치류에 의해 가산적으로 생성된다. k의 비트 군은 가환환 구조를 가질 수 있으며, 이차 형식의 텐서곱을 사용하여 링 곱을 정의한다.
2.1. 비트 분해
비트 분해 정리(Witt decomposition theorem영어)에 따르면, 표수가 2가 아닌 체 위의 유한 차원 벡터 공간 위의 이차 형식 는 다음과 같은 꼴로 표준적으로 분해된다.
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여기서 각 성분은 다음과 같다.
* 은 이차 형식이 0인 이차 공간이다.
* 은 비등방성 이차 공간(anisotropic quadratic space영어)이다. 즉, 속에서 인 벡터 은 뿐이다. 특히, 은 비퇴화 이차 형식이다.
* 는 분해 이차 공간(split quadratic space영어)이다. 즉, 는 비퇴화 이차 형식이며, 는 짝수이며, 속에서 인 차원 부분 공간 이 존재한다.
이 경우 을 의 핵심(核心, core영어)이라고 한다. 또한, 를 의 계수(階數, rank영어)라고 하며, 를 의 비트 지표(Witt index영어)라고 한다.
2.2. 비트 동치와 비트 환
같은 체 위의 두 이차 공간 , 의 핵심이 서로 동형이라면, 두 이차 공간은 서로 비트 동치(Witt-equivalent영어)라고 한다. 표수가 2가 아닌 체 위의 비퇴화 유한 차원 이차 공간들의 비트 동치류들의 집합 에 다음과 같은 연산을 부여하면, 이는 가환환을 이룬다.
* . 는 벡터 공간(및 그 위의 함수)의 직합이다.
*
* . 여기서 는 위의 0차원 벡터 공간이다.
* 는 벡터 공간 (및 그 위의 함수)의 텐서곱이다.
*
이 가환환을 의 비트 환이라고 한다.
표수가 2가 아닌 체 k에서, 벡터 공간은 유한 차원이라고 가정하면, 두 개의 대칭 쌍선형 형식이 갖춰진 공간이 동치라는 것은, 하나를 다른 하나로부터 대사 제곱 공간을 더함으로써 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 노름 0 벡터를 갖는 비퇴화 2차원 대칭 쌍선형 형식인 하나 이상의 쌍곡 평면의 복사본을 더하는 것이다. 각 동치류는 비트 분해의 핵심 형식으로 표현된다.
k의 비트 군은 비퇴화 대칭 쌍선형 형식의 동치류들의 가환군 W(k)이며, 군 연산은 형식의 직교 직합에 해당한다. 이 군은 1차원 형식의 동치류에 의해 가산적으로 생성된다. k의 비트 군은 가환환 구조를 가질 수 있으며, 이차 형식의 텐서곱을 사용하여 링 곱을 정의한다. 이것은 때때로 비트 링 W(k)이라고 불리지만, "비트 링"이라는 용어는 비트 벡터의 완전히 다른 링에도 자주 사용된다.
3. 성질
비트 환은 다음과 같은 성질을 갖는다.
* 계수 및 차원: 같은 비트 동치류에 속하는 이차 공간들의 계수는 모두 짝수이거나 홀수이다. 따라서, 비트 환은 다음과 같은 환 준동형을 갖는다.
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* 이 준동형의 핵 은 비트 환의 기본 아이디얼이라고 불린다.
* 행렬식: 표수가 2가 아닌 체 위에서, 비퇴화 이차 형식 의 행렬식(또는 판별식) 은 를 나타내는 대칭 행렬의 행렬식의 동치류이다.
* GrQExt(K): 표수가 2가 아닌 체 에 대해, 가환환 는 다음과 같이 정의된다.
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* 즉, 의 원소는 의 -등급 이차 확대의 동치류로 생각할 수 있다.
* 이 경우, 다음과 같은 자연스러운 환 준동형이 존재한다.
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* 이는 전사 함수이며, 그 핵은 기본 아이디얼의 제곱이다.
* 하세-비트 불변량: 표수가 2가 아닌 체 K 위의 이차 형식 Q의 하세-비트 불변량은 사원수형 대수들로 정의되는 브라우어 군 원소들의 합이다. n차원 벡터 공간 위의 대각화된 비퇴화 이차 형식 에 대하여, 사원수형 대수 는 중심 단순 대수를 이루며, 하세-비트 불변량은 다음과 같이 정의된다.
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* 이는 Q의 대각화에 의존하지 않으며, 이차 형식의 불변량을 이룬다. 또한, 비트 동치류 위의 유함수를 이루므로 비트 동치류의 불변량이 된다. 판별식, 랭크 모듈로 2와 함께 하세 불변량은 W(K)에서 브라우어-월 군 BW(K)으로의 사상을 정의한다.
* 밀너 환과의 관계: 표수가 2가 아닌 체 의 비트 환 의 기본 아이디얼 의 거듭제곱들은 하강 여과를 이룬다.
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* 이에 대응되는 -등급환
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을 정의할 수 있다.
* 체 위의 피스터 이차 형식(Pfister quadratic form영어)은 다음과 같은 꼴의, 차원 벡터 공간 위의 이차 형식이다.
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* 의 원소들은 모두 유한 개의 차원 피스터 이차 형식들의 직합으로 나타낼 수 있다.
* 체 의 밀너 환
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의 원소를 로 표기하면, 피스터 형식을 통해 밀너 환에서 위 등급환으로 가는 등급환 준동형을 정의할 수 있다.
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* 이차 형식에 대한 밀너 추측(Milnor conjecture on quadratic forms영어)에 따르면, 이 준동형은 등급환의 동형을 이룬다. 이는 존 밀너가 추측하였으며, 2007년에 드미트리 오를로프(Дми́трий Орло́в), 알렉산드르 비시크(Алекса́ндр Вишик), 블라디미르 보예보츠키가 증명하였다.
* 순서체와 실베스터 관성 법칙: k가 양뿔 P를 갖는 순서화된 체이면, 관성 실베스터 법칙이 k 위의 이차 형식에 대해 성립하며, 시그니처는 W(k)에서 Z로의 환 준동형 사상을 정의하며, 커널은 소 아이디얼 KP이다. 이러한 소 아이디얼들은 k의 순서화 Xk와 전단사 함수이며, MinSpec W(k)의 최소 소 아이디얼 스펙트럼 MinSpec W(k)를 구성한다. 전단사 함수는 자리스키 위상을 갖는 MinSpec W(k)와 해리슨 위상을 갖는 순서화 집합 Xk 사이의 위상 동형 사상이다.
3.1. 계수와 행렬식
같은 비트 동치류에 속하는 이차 공간들의 계수들은 모두 짝수이거나 모두 홀수이다. 따라서 비트 환은 자연스러운 환 준동형
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을 갖는다. 이 준동형의 핵 을 비트 환의 기본 아이디얼(fundamental ideal영어)이라고 한다.
표수가 2가 아닌 체 위의 비퇴화 이차 형식 의 행렬식(determinant영어) 또는 판별식(discriminant영어) 은 를 나타내는 대칭 행렬의 행렬식의 동치류이다.
표수가 2가 아닌 체 에 대하여, 다음과 같은 가환환 를 정의할 수 있다.
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즉, 의 원소는 의 - 등급 이차 확대의 동치류로 생각할 수 있다.
이 경우, 다음과 같은 자연스러운 환 준동형이 존재한다.
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이는 전사 함수이며, 그 핵은 기본 아이디얼의 제곱이다.
3.2. 하세-비트 불변량
표수가 2가 아닌 체 K 위의 이차 형식 Q의 하세-비트 불변량(Hasse–Witt invariant영어)은 사원수형 대수들로 정의되는 브라우어 군 원소들의 합이다. 구체적으로, n차원 벡터 공간 위의 대각화된 비퇴화 이차 형식 에 대하여, 사원수형 대수 는 중심 단순 대수를 이루며, 하세-비트 불변량은 다음과 같이 정의된다.
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이는 의 대각화에 의존하지 않으며, 이차 형식의 불변량을 이룬다. 또한, 비트 동치류 위의 유함수를 이루므로 비트 동치류의 불변량이 된다. 판별식, 랭크 모듈로 2와 함께 하세 불변량은 W(K)에서 브라우어-월 군 BW(K)으로의 사상을 정의한다.
3.3. 밀너 환과의 관계
표수가 2가 아닌 체 의 비트 환 의 기본 아이디얼 의 거듭제곱들은 하강 여과를 이룬다.
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이에 대응되는 -등급환
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을 정의할 수 있다.
체 위의 피스터 이차 형식(Pfister quadratic form영어)은 다음과 같은 꼴의, 차원 벡터 공간 위의 이차 형식이다.
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의 원소들은 모두 유한 개의 차원 피스터 이차 형식들의 직합으로 나타낼 수 있다.
체 의 밀너 환
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의 원소를 로 표기하자. 그렇다면, 피스터 형식을 통해 밀너 환에서 위 등급환으로 가는 등급환 준동형을 정의할 수 있다.
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이차 형식에 대한 밀너 추측(Milnor conjecture on quadratic forms영어)에 따르면, 이 준동형은 등급환의 동형을 이룬다. 이는 존 밀너가 추측하였으며, 2007년에 드미트리 오를로프(Дми́трий Орло́в러시아어) · 알렉산드르 비시크(Алекса́ндр Вишик러시아어) · 블라디미르 보예보츠키가 증명하였다.
3.4. 순서체와 실베스터 관성 법칙
k가 양뿔 P를 갖는 순서화된 체이면, 관성 실베스터 법칙이 k 위의 이차 형식에 대해 성립하며, 시그니처는 W(k)에서 Z로의 환 준동형 사상을 정의하며, 커널은 소 아이디얼 KP이다. 이러한 소 아이디얼들은 k의 순서화 Xk와 전단사 함수이며, MinSpec W(k)의 최소 소 아이디얼 스펙트럼 MinSpec W(k)를 구성한다. 전단사 함수는 자리스키 위상을 갖는 MinSpec W(k)와 해리슨 위상을 갖는 순서화 집합 Xk 사이의 위상 동형 사상이다.
4. 예시
* 대수적으로 닫힌 체 또는 제곱적으로 닫힌 체의 비트 환은 Z/2Z이다.
* R의 비트 환은 Z이다.
* 유한체 Fq(q는 홀수)의 비트 환은 q ≡ 3 mod 4이면 Z/4Z이고, q ≡ 1 mod 4이면 그룹 링 (Z/2Z)[F*/F*2]와 동형이다.
* 극대 아이디얼의 아이디얼 노름이 4를 모듈로 하여 1과 합동인 국소체의 비트 환은 V가 클라인 4원군인 그룹 링 (Z/2Z)[V]와 동형이다.
* 노름이 4를 모듈로 하여 3과 합동인 극대 아이디얼을 가진 국소체의 비트 환은 C2가 2차 순환군인 (Z/4Z)[C2]이다.
* Q2의 비트 환은 32차이고, 다음과 같다.
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* 대수적으로 닫힌 체 또는 제곱으로 닫힌 체의 그로텐디크-비트 환은 Z이다.
* R의 그로텐디크-비트 환은 2차 순환군인 C2의 군환 Z[C2]와 동형이다.
* 홀수 표수를 갖는 모든 유한체의 그로텐디크-비트 환은 Z ⊕ Z/2Z이며, 두 번째 요소에서는 곱셈이 자명하다. 요소 (1, 0)은 유한체에서 a가 제곱이 아닌 이차 형식 ⟨a⟩에 해당한다.
* 노름이 4를 법으로 1과 합동인 극대 아이디얼을 갖는 국소체의 그로텐디크-비트 환은 Z ⊕ (Z/2Z)3과 동형이다.
* 노름이 4를 법으로 3과 합동인 극대 아이디얼을 갖는 국소체의 그로텐디크-비트 환은 Z ⊕ Z/4Z ⊕ Z/2Z'이다.
4.2. 실수체
에우클레이데스 체(모든 양수가 제곱근을 갖는 순서체)(예: 실수체 )의 경우, 비트 환은 와 동형이다. 이 동형은 구체적으로 다음과 같다.
* 계수 의 양의 정부호 형식은 에 대응한다.
* 계수 의 음의 정부호 형식은 에 대응한다.
* 0차원 벡터 공간 위의 형식은 에 대응한다.
실수체의 브라우어 군은 실수체와 사원수환 로 구성되며, 2차 순환군이다.
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이 경우 힐베르트 기호가
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이므로, 유한 차원 실수 벡터 공간 위의 부호수 의 비퇴화 이차 형식 의 하세-비트 불변량은
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이다.
4.4. 국소체
잉여류체의 크기가 인 비아르키메데스 국소체 의 비트 환은 의 값에 따라 다음과 같이 결정된다.
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여기서 는 2차 순환군이며, 는 군환을 뜻한다.
극대 아이디얼의 아이디얼 노름에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.,
* 노름이 4를 모듈로 하여 1과 합동인 경우: V가 클라인 4원군인 그룹 링 (Z/2Z)[V]와 동형이다.
* 노름이 4를 모듈로 하여 3과 합동인 경우: C2가 2차 순환군인 (Z/4Z)[C2]이다.
5. 일반화
비트 군은 왜곡 대칭 형식과 이차 형식, 더 일반적으로는 임의의 *-환 R에 대한 ε-이차 형식에 대해서도 같은 방식으로 정의될 수 있다.
결과적으로 생성된 군(및 이들의 일반화)은 짝수 차원 대칭 L-군 L2k(R)과 짝수 차원 이차 L-군 L2k(R)으로 알려져 있다. 이차 L-군은 4-주기성을 가지며, L0(R)는 (1)-이차 형식(대칭)의 비트 군이고, L2(R)는 (−1)-이차 형식(왜곡 대칭)의 비트 군이다. 대칭 L-군은 모든 환에 대해 4-주기적이지 않으므로, 덜 정확한 일반화를 제공한다.
L-군은 수술 이론의 중심 대상이며, 수술 완전열의 세 항 중 하나를 형성한다.