理論第 1 版 — 2026 年 10 月
可積分有理写像の歩数は離散対数である:全等位集合上の軌道の完全な理論とその形式検証
Yuta Ogura
四つの可積分写像の族で、歩数が群の離散対数になることを、退化した等位も含めてすべての体の上で Lean で証明し、正則性と ℚ 上の問いまで含む決定手続きにする。
概要
体 K 上の有限次元空間の有理写像 σ と二つの状態 s, t について、歩数の集合 Id(s, t) = {n ∈ ℤ : σⁿ s = t}(力学系の作用亜群における s から t への射の集合)を、写像を反復せずに決定する。Lyness 写像、Euler のコマの Kahan–Hirota–Kimura 離散化、面積を保つ線形写像、双曲測地線の Kahan 離散化について、任意の体(必要な場合は標数 ≠ 2)上で、保存量の各等位集合において写像がその等位集合に付随するアーベル群 A の固定された元 P による平行移動として表され、それを実現する単射な座標 ψ が存在することを、Lean 4 と Mathlib を用いて証明する。したがって σⁿ s = t は ψ(t) − ψ(s) = nP と同値である。よって歩数は離散対数として求まり、Id(s, t) は空集合か P の位数を法とする剰余類である。また ψ(s) の ⟨P⟩ を法とする類は軌道の完全不変量となる。定理は退化した等位集合(結節点を持つ曲線、可約な曲線、Euler のコマで座標が消える等位集合)も扱う。さらに次の二つの結果により、この理論は決定手続きとなる。第一に、写像が定義されない状態は各等位の有限個の明示的な状態なので、軌道が零除算に至るかどうか(状態の正則性)は、正則・非正則のいずれの場合も数個の離散対数で判定でき、正則でない状態の有限な連鎖も同じ対数から読める。第二に、部分有理写像についての還元定理により、正則性と道のないことは素数を法とする還元から ℚ に引き戻され、ℚ 上の歩数は還元でも歩数であるので、ℚ 上の問いは上界の範囲で有限個の素数と一回の厳密な反復で決まり、ある素数で道がなければ否定の答え「決して」が無条件に得られる。力学はまた、道の定数 path : Πx. Id(x, step x) を持つ Martin-Löf 型理論の小さな理論として公理化され、HoTTLean の亜群モデルで解釈される。そこで s と t の間の恒等型はちょうど集合 Id(s, t) である。開発は定理 1,146 個からなり、sorry はなく標準の公理だけを使い、健全性を Lean で証明した実行可能な証明書検査器を含む。これは、これらの問いに独立に検査できる証明書つきで答える Structure Computer の数学的基礎である。2 コアの機械で、𝔽_{2⁶¹−1} 上で 7.9 × 10¹⁵ 歩先にある状態の歩数が 0.4 秒で求まる(反復では約 96 年かかる)。