computo ergo sum

2026-10-01 · chapter ヤン–ミルズと質量ギャップ第 10 部 質量ギャップの厳密な証明へ — この端末の検討小さな問い

この本の全体 目次と読む順
  1. 第 0 部 入口 — この本の読み方
  2. 0-01 この本の読み方
  3. 0-02 一枚の絵
  4. 0-03 問題文を一語ずつ読む
  5. 0-04 数学の四次元と物理の四次元
  6. 第 1 部 数学の準備
  7. 1-01 ベクトル空間と線形写像
  8. 1-02 群とは何か
  9. 1-03 リー群とリー環
  10. 1-04 SU(2) と SU(3)
  11. 1-05 多様体と接空間
  12. 1-06 微分形式と外微分
  13. 1-07 ベクトル束と接続
  14. 1-08 確率と測度
  15. 1-09 無限次元の確率
  16. 1-10 ヒルベルト空間と自己共役作用素
  17. 1-11 フーリエ解析と分布
  18. 1-12 寄り道
  19. 第 2 部 物理の準備
  20. 2-01 ラグランジアンと作用
  21. 2-02 場という考え
  22. 2-03 電磁気学はゲージ理論である
  23. 2-04 特殊相対論と時空
  24. 2-05 量子力学の骨
  25. 2-06 調和振動子と生成消滅
  26. 2-07 経路積分の考え方
  27. 2-08 統計力学と相転移
  28. 2-09 寄り道
  29. 2-10 緩和の時間と動的指数 z
  30. 第 3 部 ヤン–ミルズ理論(古典)
  31. 3-01 ゲージ原理
  32. 3-02 非可換ゲージ場
  33. 3-03 作用と方程式
  34. 3-04 幾何としてのゲージ理論
  35. 3-05 インスタントンと位相
  36. 3-06 寄り道
  37. 3-07 標準模型の中のヤン–ミルズ
  38. 第 4 部 量子化
  39. 4-01 正準量子化とハミルトニアン
  40. 4-02 経路積分とユークリッド化
  41. 4-03 摂動論と Feynman ダイアグラム
  42. 4-04 発散と繰り込み
  43. 4-05 発散の代数
  44. 4-06 漸近自由
  45. 4-07 次元転移と Λ
  46. 4-08 ゲージ固定と Faddeev–Popov
  47. 4-09 場の量子論の公理
  48. 4-10 Osterwalder–Schrader の公理と再構成
  49. 4-11 質量ギャップの定義
  50. 4-12 寄り道
  51. 第 5 部 格子ゲージ理論
  52. 5-01 Wilson の格子
  53. 5-02 強結合展開
  54. 5-03 反射正値性と転送行列
  55. 5-04 無限体積極限とクラスター展開
  56. 5-05 弱結合と連続極限
  57. 5-06 U(1) と非可換の違い
  58. 5-07 モンテカルロ法
  59. 5-08 グルーボールと弦張力の測定
  60. 5-09 何を固定して極限を取るか
  61. 5-10 有限群の格子ゲージ理論
  62. 5-11 寄り道
  63. 第 6 部 構成的場の理論
  64. 6-01 構成的場の理論とは
  65. 6-02 二次元の可解性とヤン–ミルズ測度
  66. 6-03 スカラー場の構成
  67. 6-04 クラスター展開
  68. 6-05 繰り込み群の段の列
  69. 6-06 三次元ヤン–ミルズの紫外安定性
  70. 6-07 四次元
  71. 6-08 四次元の φ⁴ の自明性
  72. 6-09 確率量子化と正則性構造
  73. 6-10 四次元で止まる場所
  74. 6-11 発散以外の障害
  75. 6-12 寄り道
  76. 第 7 部 物理の側から
  77. 7-01 物理はどう見ているか
  78. 7-02 閉じ込めの機構
  79. 7-03 弦の絵
  80. 7-04 大 N
  81. 7-05 ひも理論と余剰次元
  82. 7-06 余剰次元が見えなくなる仕組み
  83. 7-07 ゲージ場はどこから来るか
  84. 7-08 ホログラフィー
  85. 7-09 質量ギャップが幾何になる
  86. 7-10 四次元に戻す
  87. 7-11 超対称と Seiberg–Witten
  88. 7-12 等価原理に当たる一文
  89. 7-13 物理の掘り方が数学と離れる場所
  90. 第 8 部 二つの言葉の辞書 — 物理の視点と数学の視点
  91. 8-01 辞書の読み方
  92. 8-02 辞書 A
  93. 8-03 辞書 B
  94. 8-04 辞書 C
  95. 8-05 私たちの仮定の物理側の対応
  96. 第 9 部 現在地と課題
  97. 9-01 世界はどこまで来ているか
  98. 9-02 二つの掘り方の切れ目
  99. 9-03 新しい概念の候補
  100. 9-04 課題の一覧
  101. 9-05 よくある誤解
  102. 第 10 部 質量ギャップの厳密な証明へ — この端末の検討
  103. 10-00 第 10 部の入口 — 酔歩と定規と時計
  104. 10-01 理論の構成の筋
  105. 10-02 一段の記帳
  106. 10-03 仮定 H と三つの鎖
  107. 10-04 方向の地図
  108. 10-05 方向 12〜14
  109. 10-06 方向 15・15′
  110. 10-07 Lean で閉じた言明と既存の結果の対応表
  111. 10-08 壁の一覧
  112. 10-09 ひらめき帳から
  113. 10-10 主張しないこと
  114. 10-12 つじつま合わせ
  115. 10-11 定理までの距離
  116. 10-13 小さな問い — 卒業研究の大きさで決着のつく十〜二十問
  117. 付録
  118. A-01 記号表
  119. A-02 用語集
  120. A-03 文献案内
  121. A-04 Lean と機械検査
  122. A-05 この本の作り方
  123. A-06 仮定の索引

小さな問い — 卒業研究の大きさで決着のつく十四の問い

この章で分かること — 第 10 部の壁の前に残った問いのうち、python3・Lean・総当たり・文献調査で数か月の大きさで決着がつきそうな十四問と、その六つの欄(問い・前提・道具・決着の形・効く壁・先行の記録を探す段)。一問は例題として決着の形 1−λk=π2k−πln⁡24k+O(k−3/2)1-\lambda_k=\tfrac{\sqrt\pi}{2\sqrt k}-\tfrac{\pi\ln2}{4k}+O(k^{-3/2}) まで進める。

前提となる章 — 10-08 壁の一覧(壁の記号 A1〜E4 と図 1 の列)、10-11 定理までの距離。各問の前提はその欄に書きます。

先に言うこと — どの問いが決着しても、質量ギャップの証明には届きません。H↑ の列に直接効く問いは一つも無く、効かない問いは「効かない」と書きました。問いそのものには札を付けません。

この章の順序
  1. この章の約束 — 六つの欄と「小さい」の意味(表 1)
  2. 例題:一問を決着の形まで — Hermite の族の 1−λk1-\lambda_k(問 3・図 1・表 2)
  3. 組合せの問い — 完全な族(問 1・2・表 3)/寄り道:厳密被覆と Algorithm X
  4. 対称性で決まる問い — 一本のリンク・一枚のプラケット(問 4・5・6)
  5. 模型の係数の問い — 柱の模型と取りこぼし(問 7・8・9)
  6. 二つの時間の小模型 — 仮定 H を決着のつく場所で試す(問 10〜13・表 4)
  7. 文献の問いと、先行の記録を探す段(問 14)
  8. 決着したら何が動くか — 壁の列との対応

01

この章の約束 — 六つの欄と「小さい」の意味

「小さな問い」は三つを満たす問いです。答えの形(在る/無い、定数の値、不等式の成否)が先に決まっていること。道具が手元にあること(python3 と NumPy・SciPy、SAT ソルバー、Lean と Mathlib、文献の検索)。数学科か物理学科の三・四年生が卒業研究の期間で決着をつけられる見込みがあること。

各問の欄は六つです。問い、前提(読んでおく章)、道具、決着の形(何が出たら終わりか)、効く壁(10-08 の記号)、先行の記録(着手の前に何を探すか)。効く壁は 10-08 図 1 の列で読み、各問 qq に列の集合を一つ対応させます。

W(q)⊂{一段, Σδ, H↓, H↑, η⋅鎖, (S4), 極限},W(q)=∅ なら「効かない」(1)W(q)\subset\{\text{一段},\ \Sigma\delta,\ \mathrm H{\downarrow},\ \mathrm H{\uparrow},\ \eta\cdot\text{鎖},\ \mathrm{(S4)},\ \text{極限}\},\qquad W(q)=\varnothing\ \text{なら「効かない」} \tag{1}

列の仮定を別の模型で試すだけの問いは「対照」と書きます。対照の問いでは列を括弧で示し、W(q)W(q) には入れません。例。問 1(完全な族の k=3k=3・d=9d=9)は W=∅W=\varnothing です。在っても無くても、一リンク積分が一段きり(壁 B6)であることは変わりません。それでも載せるのは、答えの形がはっきりしていて、組合せの道具を一通り使う練習になるからです。

表 1 十四の問い(効く壁は 10-08 の記号と図 1 の列。— は効かない)
問一行道具効く壁(列)
1k=3k=3 胞体の完全な族は d=9d=9 で在るかSAT・Lean—
2完全な族が在る最大の次元 dmax⁡(k)d_{\max}(k)総当たり・紙—
3Hermite の族の 1−λk1-\lambda_k の定数(§02)紙・python3—(A1 の例示)
4Elitzur 型の評価の非可換版:森の上の関数紙・LeanB1 の周辺(H↓)
5二次元格子 YM のリンク変数での CPC_P紙・python3D1 の対照(η・鎖)
6一リンク積分の後の曲率の最良の定数python3・区間演算—
7柱の模型の係数 C≈320C\approx320 を解析的に紙・python3E3(η・鎖)
8柱の模型で、有限の uu の 1/P1/P の符号python3E3(η・鎖)
9取りこぼし c2c_2 のゲージの取り方による違いpython3E2・B4(Σδ)
10二重井戸の経路測度の Langevin の隙間と ξ2\xi^2python3D3 の対照(H↑)
11二次元 O(3)O(3) σ 模型の CPC_P と ξ2\xi^2python3・文献D1・D3 の対照
12三次元 Z2\mathbb Z_2 ゲージ理論の CPC_P と ξ2\xi^2python3D1 の対照(η・鎖)
13CP(V)C_P(V) の体積単調性と境界条件python3D3 の対照(H↑)
14SU(2)SU(2) の局所的な力学の動的指数の一次資料文献E4((S4))
02

例題:一問を決着の形まで — Hermite の族の 1−λk1-\lambda_k

問いの大きさを見るため、一問を最後まで進めます。標準正規分布 N(0,1)N(0,1) の Poincaré 定数は CP=1C_P=1 で、等号は f=xf=x です(1-10 §08)。xx を含まない族 Fk=span⁡{x3,…,x2k+1}F_k=\operatorname{span}\{x^3,\dots,x^{2k+1}\} での比 Var⁡(f)/E(f)\operatorname{Var}(f)/\mathcal E(f) の最大を λk\lambda_k とすると、10-08 §03 では 1−λk≈0.87/k1-\lambda_k\approx0.87/\sqrt k という数値の傾向までを書きました。

問 3 — 1−λk1-\lambda_k の主要項の定数と次の項

Hermite 多項式(2-06)を E[hmhn]=δmn\mathbb E[h_mh_n]=\delta_{mn} に正規化すると hn′=n hn−1h_n'=\sqrt n\,h_{n-1} なので、奇関数 f=∑j=0kujh2j+1f=\sum_{j=0}^ku_jh_{2j+1} の分散と Dirichlet 形 E(f)=E[f′2]\mathcal E(f)=\mathbb E[f'^2] は対角になります。

Var⁡(f)=∑j=0kuj2,E(f)=∑j=0k(2j+1) uj2(2)\operatorname{Var}(f)=\sum_{j=0}^k u_j^2,\qquad \mathcal E(f)=\sum_{j=0}^k(2j+1)\,u_j^2 \tag{2}

族 FkF_k に入る条件は「単項式 xx の係数が 0」という一本の一次の拘束 ∑jwjuj=0\sum_jw_ju_j=0 で、wj=(−1)j(2j+1)!!/(2j)!!w_j=(-1)^j\sqrt{(2j+1)!!/(2j)!!} です(10-08 の寄り道)。拘束の下の E/Var⁡\mathcal E/\operatorname{Var} の最小 μk\mu_k を Lagrange の未定乗数で求めると u∝(D−μ)−1wu\propto(D-\mu)^{-1}w(D=diag⁡(2j+1)D=\operatorname{diag}(2j+1))となり、拘束に代入して一変数の方程式が残ります。

gk(μ):=∑j=0kwj22j+1−μ=0,1<μk<3,λk=1μk(3)g_k(\mu):=\sum_{j=0}^k\frac{w_j^2}{2j+1-\mu}=0,\qquad 1\lt\mu_k\lt3,\qquad \lambda_k=\frac1{\mu_k} \tag{3}

一次の拘束の下の二次形式の停留値を求める永年方程式で、数値線形代数で知られた形です 既知(Golub 1973)。gkg_k は μ→1+\mu\to1^+ で −∞-\infty、μ→3−\mu\to3^- で +∞+\infty なので根は (1,3)(1,3) に一つです。μk=1+ε\mu_k=1+\varepsilon と置くと j=0j=0 の項が −1/ε-1/\varepsilon で、残りと釣り合います。

1ε=∑j=1kwj22j−ε=Sk+O(ε),Sk:=∑j=1k(2j+1)!!(2j)!! 2j(4)\frac1\varepsilon=\sum_{j=1}^k\frac{w_j^2}{2j-\varepsilon}=S_k+O(\varepsilon),\qquad S_k:=\sum_{j=1}^k\frac{(2j+1)!!}{(2j)!!\,2j} \tag{4}

SkS_k は母関数で閉じます。∑j≥0(2j+1)!!(2j)!!xj=(1−x)−3/2\sum_{j\ge0}\frac{(2j+1)!!}{(2j)!!}x^j=(1-x)^{-3/2} の係数に 1/(2j)1/(2j) を掛けると

∑j≥1(2j+1)!!(2j)!! 2j xj=(1−x)−1/2−1+ln⁡21+1−x,Sk=2kπ+(ln⁡2−1)+O(k−1/2)(5)\sum_{j\ge1}\frac{(2j+1)!!}{(2j)!!\,2j}\,x^j=(1-x)^{-1/2}-1+\ln\frac{2}{1+\sqrt{1-x}},\qquad S_k=2\sqrt{\frac k\pi}+(\ln2-1)+O(k^{-1/2}) \tag{5}

右の評価は二つの事実から出ます。一つ目。(2j+1)!!/(2j)!!=(2j+1)(2jj)4−j(2j+1)!!/(2j)!!=(2j+1)\binom{2j}j4^{-j} なので、SkS_k の各項は (2jj)4−j\binom{2j}j4^{-j}((1−x)−1/2(1-x)^{-1/2} の係数)と (2jj)/(2j 4j)\binom{2j}j/(2j\,4^j) の和に分かれます。前者の部分和には恒等式 ∑j=0k(2jj)4−j=(2k+1)(2kk)4−k\sum_{j=0}^k\binom{2j}j4^{-j}=(2k+1)\binom{2k}k4^{-k}(kk についての帰納法)があり、Stirling の公式で 2k/π+O(k−1/2)2\sqrt{k/\pi}+O(k^{-1/2}) です。二つ目。後者は ln⁡21+1−x=∑j≥1(2jj)xj2j 4j\ln\frac2{1+\sqrt{1-x}}=\sum_{j\ge1}\binom{2j}j\frac{x^j}{2j\,4^j} の係数で、どれも正で ∼12πj−3/2\sim\frac1{2\sqrt\pi}j^{-3/2} と減るので総和は収束し、x=1x=1 での値 ln⁡2\ln2 に等しく、部分和は ln⁡2−O(k−1/2)\ln2-O(k^{-1/2}) です。二つを足して j=0j=0 の 1 を引くと (5) の右になります。(4) の O(ε)O(\varepsilon) は ε∑jwj2/(2j)2\varepsilon\sum_jw_j^2/(2j)^2 程度で、この和は j−3/2j^{-3/2} の速さの項の和なので有限です 紙。(4) に入れて 1−λk=ε−ε2+⋯1-\lambda_k=\varepsilon-\varepsilon^2+\cdots と展開すると二つの項と O(k−3/2)O(k^{-3/2}) の剰余が決まります。

1−λk=π2k−πln⁡24k+O(k−3/2),π2=0.886227,πln⁡24=0.544397(6)1-\lambda_k=\frac{\sqrt\pi}{2\sqrt k}-\frac{\pi\ln2}{4k}+O(k^{-3/2}),\qquad \frac{\sqrt\pi}2=0.886227,\quad\frac{\pi\ln2}4=0.544397 \tag{6}

例。k=106k=10^6 で k(1−λk)=0.885682\sqrt k(1-\lambda_k)=0.885682。(6) を引いた残りに k3/2k^{3/2} を掛けた値は k=103k=10^3〜10610^6 で −0.141-0.141〜−0.156-0.156 に収まります 計算。

図 1 永年方程式 (3) の左辺 gk(μ)g_k(\mu)(1<μ<31\lt\mu\lt3)。つまみで kk を増やすと根 μk\mu_k(破線)が 1 に寄り、λk=1/μk\lambda_k=1/\mu_k が 1 に近づく。下の行は根と (6) の近似
k = 1
k = 1:λ = 0.555556、1−λ = 0.444444、(6) の近似 = 0.341830

計算この図の数値はこの端末で計算した(wj2=wj−12(2j+1)/(2j)w_j^2=w_{j-1}^2(2j+1)/(2j) で作り、根は二分法でその場で求める。表 2 と一致する)。JavaScript が無効なときは表 2 で読めます。

計算表 2 λk\lambda_k と (6) の検算(k≤6k\le6 は単項式の Gram 行列の一般化固有値と 10−1310^{-13} 以内で一致)
kkλk\lambda_kk(1−λk)\sqrt k(1-\lambda_k)k(1−λk−π2k)k\bigl(1-\lambda_k-\frac{\sqrt\pi}{2\sqrt k}\bigr)
10.5555560.4444−0.4418
100.7749210.7118−0.5517
10000.9725240.8689−0.5489
10410^40.9911920.8808−0.5459
10610^60.9991140.8857−0.5446
(6)→ 10.8862−0.5444

欄をまとめます。前提は 1-10 §08 と 10-08 §03、道具は紙と python3、決着の形は (6)。効く壁は無く、A1(試験関数は CPC_P を下からしか押さえない)の例示です。族を大きくしても λk<1\lambda_k\lt1 のまま k−1/2k^{-1/2} の速さで近づくだけで、極限が 1 だと言えるのは族の外の入力(V′′=1V''=1 の凸性)からです。先行の記録は探していません。

03

組合せの問い — 完全な族

一リンク積分(5-11 §05・10-02 §02)が使う「辺の完全な族」を一般の kk で言い直します。周期 LL の dd 次元立方格子の kk 胞体の集まり FF で、どの (k+1)(k+1) 胞体もその 2(k+1)2(k+1) 枚の面のうちちょうど一枚を FF に持つものです。各 kk 胞体は 2(d−k)2(d-k) 個の (k+1)(k+1) 胞体の面なので、密度は数え上げで決まります。

∣F∣⋅2(d−k)=#{(k+1) 胞体}⟹∣F∣#{k 胞体}=(dk+1)2(d−k)(dk)=12(k+1)(7)|F|\cdot2(d-k)=\#\{(k+1)\text{ 胞体}\}\quad\Longrightarrow\quad \frac{|F|}{\#\{k\text{ 胞体}\}}=\frac{\binom d{k+1}}{2(d-k)\binom dk}=\frac1{2(k+1)} \tag{7}

記録には k=1,2k=1,2 で「存在 ⟺ d≤4d\le4 かつ周期が偶数」、一般の kk で d≤3k+1d\le3k+1 という Lean の定理があり、k=3k=3 では d=10d=10 が整数版の数え上げ(Schönheim の上界)で不可能とされ 紙、d=9d=9 が未決です(10-04 §06)。族をどの単位箱 {0,1}d\{0,1\}^d に制限しても、箱の中の (k+1)(k+1) 胞体はちょうど一枚の面を持ちます。箱の条件が満たせなければどの周期でも族は無く、低い次元の箱は高い次元の箱の面に入るので、無いことは次元を上げても続きます。10-04 の表 3(k=1k=1)に続けて k=2,3k=2,3 を調べたのが表 3 です。

計算表 3 単位箱 {0,1}d\{0,1\}^d の中の条件の存否(厳密被覆を Algorithm X で。括弧は kk 胞体/(k+1)(k+1) 胞体の数)
kkd=k+1d=k+1k+2k+2k+3k+3k+4k+4k+5k+5k+6k+6
1在る在る在る(32/24)無い(80/80)無い—
2在る在る(24/8)無い(80/40)無い無い無い
3在る在る在る在る在る(1792/1120)240 秒で未決(5376/4032)

k=1,2k=1,2 では箱の条件がすでに d=5d=5 で破れ、記録の「d≤4d\le4」と合います。k=3k=3 では d=8d=8 まで箱の条件が満たされ、d=9d=9 はこの端末の簡単な探索では決まりませんでした(記録でも SAT ソルバー(論理式を満たす真偽の割り当てを探す道具)で 1,200 秒では未決)。k=3k=3 の「在る」は箱の必要条件だけで、周期の箱での存在ではありません。

問 1 — k=3k=3 胞体の完全な族は d=9d=9 で在るか

前提:10-04 §06、5-11 §05。道具:箱の条件を CNF(変数とその否定の論理和を、論理積でつないだ式)に書いて SAT ソルバーへ。超立方体の対称群(位数 2dd!2^dd!)で解を一つ固定して枝を割る。決着の形:在るなら周期の箱での族を構成し、python3 か Lean の decide で検査。無いなら d=9d=9 の箱の非充足を DRAT 証明(独立に検査できる反駁の記録)で示す。d=9d=9 で無ければ d=10d=10 も無い。効く壁:効かない。記録で決まっている部分:d=9d=9 の箱に巡回対称な解は無い 計算(記録)。周期 2 の格子では d=9d=9 に無い(記録の SAT、三つのソルバーで一致)計算。残るのは一般の周期です。先行の記録:完全符号・完全な支配集合との関係を組合せ論の文献で探す(未着手)。

問 2 — 完全な族が在る最大の次元 dmax⁡(k)d_{\max}(k)

前提:問 1。道具:表 3 を k=4,5k=4,5 に延ばす探索と、周期の箱での構成。記録で決まっている部分:周期 2 の格子では族の大きさが整数であるための割り算の検問 2(k+1)∣(dk)2d2(k+1)\mid\binom dk2^d が要り、そこから k=4,d=9k=4,d=9 と k=5,d=8k=5,d=8 は周期 2 で無い Lean(no_perfect_k4_d9・no_perfect_k5_d8。仮定:周期 2)。したがって「d≤2kd\le2k なら在る」は周期 2 では成り立ちません。一般の周期では、この二つは周期が 10・6 で割り切れることを要するだけで未決です(10-04 §06)。決着の形:dmax⁡(1)=dmax⁡(2)=4d_{\max}(1)=d_{\max}(2)=4 に続く表。k=3k=3 の箱の条件は d=8d=8 まで満たされますが、これは dmax⁡(3)d_{\max}(3) の下界ではありません(下界には周期の箱での構成が要る)。あわせて、上界 3k+13k+1 が k≥2k\ge2 で鋭くない理由の不等式。効く壁:効かない。先行の記録:問 1 と同じ。

寄り道:厳密被覆と Algorithm X

寄り道 飛ばしてよい小節です。厳密被覆は「0 と 1 の行列から行を選び、どの列にもちょうど一つの 1 が来るようにせよ」という問題です。表 3 では列が (k+1)(k+1) 胞体、行が kk 胞体です。Algorithm X は、候補の行が最も少ない列を選び、その行を一つずつ試し、衝突する行と覆われた列を消して深く進み、行き詰まれば戻る探索です。Knuth は消した行と列を双方向リストのつなぎ替えだけで戻す実装を「dancing links」と呼びました(Knuth 2000)。比喩で言えば、置き場のいちばん少ない穴から埋めるパズルの解き方です。正確には、探索の木は最悪の場合に指数的に大きくなります。
04

対称性で決まる問い — 一本のリンク・一枚のプラケット

ゲージ対称性(3-01)があると、ある種の関数の分布は β\beta によらず Haar 測度(群の上の一様な確率)に決まります。一本のリンク UℓU_\ell の端点でゲージ変換 gg を掛けると Uℓ↦gUℓU_\ell\mapsto gU_\ell で(同じ頂点に付く他のリンクも動きますが、UℓU_\ell だけの分布を見るので効きません)、Wilson 作用の測度(5-01)は変わらないので、UℓU_\ell の分布は Haar 測度です。ここでの Dirichlet 形はリンク角 ϑ\vartheta(記録の U=eiϑ⋅σU=e^{i\vartheta\cdot\sigma})で測ったもの Eϑ(f)=Eβ∣∇ϑf∣2\mathcal E_\vartheta(f)=\mathbb E_\beta|\nabla_\vartheta f|^2 で、SU(2)SU(2) を半径 1 の三次元球面と見る計量の勾配です。分散も Eϑ\mathcal E_\vartheta も UℓU_\ell の分布だけで決まるので、この正規化では比は β\beta によりません 紙。

f=f(Uℓ) ⟹ Var⁡β(f)Eϑ(f)=Var⁡Haar(f)∫G∣∇f∣2 dU≤1λ1(G)(8)f=f(U_\ell)\ \Longrightarrow\ \frac{\operatorname{Var}_\beta(f)}{\mathcal E_\vartheta(f)}=\frac{\operatorname{Var}_{\rm Haar}(f)}{\int_G|\nabla f|^2\,dU}\le\frac1{\lambda_1(G)} \tag{8}

λ1(G)\lambda_1(G) は群の上のラプラシアンの最初の正の固有値です。例。U(1)U(1) で f=eiθf=e^{i\theta} なら比はちょうど 1 で、10-05 §02 の「素のリンク角の商は厳密に 1」がこれです。SU(2)SU(2) を半径 1 の三次元球面と見る計量では λ1=3\lambda_1=3(n(n+2)n(n+2) の n=1n=1)で、f=tr⁡Uf=\operatorname{tr}U が等号です(S³ の上のラプラシアンの固有値は nn 次の調和多項式で n(n+2)n(n+2))。正規化を替えると数が変わります。本書の座標 θ=2ϑ\theta=2\vartheta(Ta=σa/2T^a=\sigma^a/2)では計量が 4 倍になって λ1=3/4\lambda_1=3/4、上界は 4/34/3 です。場の正規化 EA=Eϑ/β\mathcal E_A=\mathcal E_\vartheta/\beta では比は β/λ1\beta/\lambda_1 となり、β\beta によらないとは言えません(10-03 の八つの読み・10-12 表 3)。機構は Elitzur の定理(局所的な対称性は自発的に破れない、Elitzur 1975)と同じですが、定理そのものではありません。

問 4 — 森の上の関数の商は 1/λ1(G)1/\lambda_1(G) で頭打ちか

問い:閉路を含まないリンクの集まり(森)の上の関数で、比が β\beta と体積によらず 1/λ1(G)1/\lambda_1(G) 以下であることを SU(N)SU(N) で示し、Lean で書く。森ではゲージ変換で各リンクを独立に動かせるので同時分布は Haar の積で、積の測度の Poincaré 定数は因子の最大です(1-10 §09)。紙の議論はこの二文で足ります。前提:10-05 §02、1-04、1-10 §09。道具:紙と Lean(Haar 測度の不変性、積の測度の分散)。決着の形:「森の上の試験関数は H↓ に届かない」という Lean の言明(仮定:ゲージ不変な確率測度・森・Eϑ\mathcal E_\vartheta の型の Dirichlet 形)と、計量(例えば ⟨X,Y⟩=−12tr⁡(XY)\langle X,Y\rangle=-\tfrac12\operatorname{tr}(XY)。SU(2)SU(2) では半径 1 の S³ と同じ)を固定したときの λ1(SU(N))\lambda_1(SU(N)) の値。効く壁:B1 の周辺。H↓ の試験関数の族を一つ閉じるだけで、H↑ には効かない。先行の記録:木のゲージで分布が Haar の積になることは教科書の事実(6-02 §02)。Poincaré 定数の言葉で書いた記録を、格子ゲージ理論の Langevin・Glauber 力学の確率論の文献で探す。

問 5 — 二次元格子 YM のリンク変数での CPC_P

問い:二次元の格子 YM(自由境界)では木のゲージでプラケット変数が独立になり、面積則が全ての β\beta で厳密です(6-02 §03)。リンク変数の Dirichlet 形では、一本のリンクが二枚のプラケットに入ります。その CPC_P を β\beta の関数として求め、1/σ(β)1/\sigma(\beta) と比べる。前提:6-02、10-03 §01。道具:紙(二つの Dirichlet 形の比較)と python3(小さな格子での変分)。決着の形:CPlink(β)C_P^{\rm link}(\beta) の上下の評価と β→∞\beta\to\infty の冪。結果は H の証拠でなく対照です。効く壁:D1 の対照。先行の記録:Shen–Zhu–Zhu 以降の格子 YM の力学の論文群で、二次元の隙間の結果を探す。

問 6 — 一リンク積分の後の曲率の最良の定数

問い:5-11 §09 の λmin⁡(Hess⁡Φ)\lambda_{\min}(\operatorname{Hess}\Phi) の下界は −27β2-27\beta^2(Lean)、陽な配位では −21β2-21\beta^2。真の定数 c∗∈[21,27]c^*\in[21,27] はいくつか。道具:python3 の大域最適化と区間演算(丸め誤差を含めて真の値を挟む区間で計算する方法)。決着の形:c∗c^* と配位、区間演算で閉じた下界。効く壁:効かない。曲率の方法は定数を動かせても強結合の側から出られない(C1 の手前)。先行の記録:Bakry–Émery 型の判定法(5-11)を格子 YM に使った論文で、同じ周辺の重みの曲率を探す。

05

模型の係数の問い — 柱の模型と取りこぼし

10-06 §04〜§05 の柱の模型は、三次元 Ising 模型の低温展開から一本の柱を取り出したもので、時刻ごとの断面がポリオミノ(正方形を辺でつないだ図形)、重みは周の長さと隣の時刻との食い違いで決まります。閉じた管から Wulff の主項を引いた残りは、N=P−4N=P-4 点の XX 鎖(自由フェルミオンに直せて厳密に解ける量子スピン鎖、Lieb–Schultz–Mattis 1961)の輪の形でした。

DWu=8π−π3N+δ  (P≡0 mod 4),DWu=8π+2π3N+δ  (P≡2 mod 4),δ≈CN3, C≈320(9)\frac{D_W}{u}=\frac8\pi-\frac{\pi}{3N}+\delta\ \ (P\equiv0\bmod4),\qquad \frac{D_W}{u}=\frac8\pi+\frac{2\pi}{3N}+\delta\ \ (P\equiv2\bmod4),\qquad \delta\approx\frac{C}{N^3},\ C\approx320 \tag{9}

紙+計算(10-06 §05。輪の固有値は Lean)。1/N1/N の項は輪の長さの剰余で符号が分かれる有限サイズの項、C≈320C\approx320 は数値の当てはめです 計算。

問 7 — 柱の模型の N−3N^{-3} の係数 CC を解析的に

前提:10-06 §04〜§05、7-03(Casimir エネルギー)。道具:紙(菱形の四つの弧を揃えたまま動かす形の零モードの有効模型で、自由フェルミオンの有限サイズ展開を三次まで)と python3(N≤400N\le400 との比較)。決着の形:CC の閉じた式と数値の 4 桁以上の一致。効く壁:E3。記録の次の一歩の一つで、一次の 1/P1/P の係数が証明の射程に入るが、矢印の論理は変わらない。先行の記録:ねじれた境界条件の XX 鎖の基底エネルギーの N−3N^{-3} の項を、物性の文献で探す。

問 8 — 有限の uu での 1/P1/P の符号

前提:問 7、10-06 §05(周長 18 以下で符号が決まらなかったのは、形の零モードの +C/N3+C/N^3 が P≈22P\approx22 まで Casimir 項を上回るため)。道具:python3 で断面を状態とする転送行列を周長 P≥30P\ge30 程度まで作り、最大固有値を求める(または問 7 の C/N3C/N^3 を引いてから当てはめる)。決着の形:u=0.1∼0.3u=0.1\sim0.3 での 1/P1/P の係数の符号の表。効く壁:E3(10-08 表 1)。先行の記録:三次元 Ising の界面・管の自由エネルギーの数値の文献で、柱に制限した模型を探す。

問 9 — 取りこぼし c2c_2 はゲージの取り方でどれだけ変わるか

問い:10-02 §08 の δ(b)=c2/b2+O(b−4)\delta(b)=c_2/b^2+O(b^{-4}) は一ループ核の模型の数です。ブロック変換のゲージの取り方を替えると c2c_2 はどれだけ動くか。前提:10-02 §08、4-08。道具:python3。決着の形:ゲージごとの c2c_2 の表と、正値な核で c2>0c_2\gt0 が保たれるかの判定。効く壁:E2、結果によって B4 の範囲。c2≠0c_2\ne0 である限り Σδ の矢印は動かない(10-08 (6))。先行の記録:Monte Carlo 繰り込み群の Δβ\Delta\beta(8-04)のブロック変換への依存を扱った格子の文献を探す。

06

二つの時間の小模型 — 仮定 H を決着のつく場所で試す

仮定 H(10-03 §02)は、Langevin 力学の遅さ CPC_P が相関長 ξ\xi(転送行列の隙間の逆数)の二乗の冪で伸びる、という文です。四次元 SU(2)SU(2) では証明できませんが、ξ\xi が分かっている小さな模型では CPC_P と ξ2\xi^2 の関係に決着がつきます。結果は四次元 YM の証拠ではなく、H の形の文がどんな機構で成り立ち、どんな機構で壊れるかの対照です。

H(冪の水準):lim⁡ln⁡CPln⁡ξ=2(CP=ξ 2+o(1))(10)\text{H(冪の水準)}:\quad \lim\frac{\ln C_P}{\ln\xi}=2\quad\bigl(C_P=\xi^{\,2+o(1)}\bigr) \tag{10}

形は 10-03 §02 の (H) と同じです。小模型では極限の傾きを測り、2 からのずれを ηdyn\eta_{\rm dyn} と書きます。

問 10 — 二重井戸の経路測度の Langevin の隙間と ξ2\xi^2

問い:H=−12∂x2+(x2−a2)2H=-\tfrac12\partial_x^2+(x^2-a^2)^2 の虚時間の経路測度(2-07)で、時間方向の相関長は ξ=1/ΔE\xi=1/\Delta E です。調和振動子では CPpath=4(CPvac)2=ξ2C_P^{\rm path}=4(C_P^{\rm vac})^2=\xi^2 でした(時間を連続に取ったとき。格子では 1+m2/41+m^2/4 が掛かる。10-03 §01)。二重井戸では相関長を作るのは経路の上のキンク(井戸を移る短い区間)で、キンクを作るには障壁を越える必要があります。CPpath/ξ2C_P^{\rm path}/\xi^2 は有界か。前提:2-07、3-05、10-03 §01。道具:python3(NN 点の経路、平均位置などの試験関数で下界、二つの井戸への射影で上界の候補)。決着の形:表 4 の範囲で有界か発散か、発散なら ξ\xi の何乗か。効く壁:D3 の対照(H↑)。周期境界で位相電荷が凍ると H↑ が破れうる、という読み(10-06 §08)の最小模型です。先行の記録:二重井戸のメタ安定性(Eyring–Kramers の式:高さ ΔV\Delta V の障壁を越える時間が雑音の強さ ε\varepsilon に対し ∝eΔV/ε\propto e^{\Delta V/\varepsilon}。6-09 §01)と経路空間の Langevin 力学の確率論の文献。

計算表 4 問 10 の目安:ΔE\Delta E と ξ=1/ΔE\xi=1/\Delta E(差分の格子 h=0.0025h=0.0025。h=0.005h=0.005 との相対差は a≤1.5a\le1.5 で 10−510^{-5} 以下)
aa障壁 a4a^4ΔE\Delta Eξ\xi
1.001.000.791851.26
1.252.440.308063.25
1.505.064.182×10−24.182\times10^{-2}23.9
1.759.381.590×10−31.590\times10^{-3}629
2.0016.01.59×10−51.59\times10^{-5}6.3×1046.3\times10^4

例。aa を 1.25 から 1.75 に動かすだけで ξ\xi は約 200 倍です。python3 で扱えるのは a≤1.5a\le1.5 あたりまでで、そこで傾向を読み紙の評価で挟むのが卒業研究の大きさです。

問 11 — 二次元 O(3)O(3) σ 模型の CPC_P と ξ2\xi^2

問い:二次元 O(3)O(3) σ 模型は四次元 YM と同じく漸近的に自由で、質量ギャップの値まで知られている模型です(Hasenfratz–Maggiore–Niedermayer 1990 物理)。値は Bethe 仮説と S 行列に基づく物理の結果で、ギャップが正であることも数学の定理にはなっていません。格子の Langevin 力学か熱浴法で CPC_P を ξ≤20\xi\le20 程度まで測り、CP/ξ2C_P/\xi^2 が有界か、対数で動くかを調べる。前提:2-08、4-07、10-03 の H の八つの読み。道具:python3(市松模様の更新:格子を市松の白と黒に分け、互いに隣り合わない同じ色の点をまとめて更新する)、ξ\xi はクラスター法(Wolff 1989)で別に測る。決着の形:(10) の傾きと ηdyn\eta_{\rm dyn} の推定と、Dirichlet 形の正規化(スピンの角度か場の大きさか)を替えたときの対数の有無(8-05 §03 の自由近似と同じ形か)。効く壁:D1・D3 の対照。先行の記録:自己相関は詳しく調べられています(Mendes–Pelissetto–Sokal 1996 “Multi-Grid Monte Carlo via XY Embedding I” の要旨:多重格子法で zint,M2≈0.70±0.08z_{{\rm int},M^2}\approx0.70\pm0.08(2562256^2 まで)、「臨界減速は局所的な算法に比べて大きく減るが、完全には消えない」)。局所的な算法の zz の一次資料と、zz を隙間で述べた記録を探す。

問 12 — 三次元 Z2\mathbb Z_2 ゲージ理論の CPC_P と ξ2\xi^2

問い:三次元 Z2\mathbb Z_2 ゲージ理論は可換ですが、閉じ込めの相で一尺度を満たす例として 7-12 §09 に出ました。三次元 Ising 模型と双対で相関長が分かります。リンクを一本ずつ反転する力学で CP/ξ2C_P/\xi^2 を測る。前提:5-10、7-12 §09。道具:python3(L≤32L\le32 の熱浴法)。決着の形:CP/ξ2C_P/\xi^2 の表と、双対の Ising 側の Glauber 力学の動的指数との対応の有無。効く壁:D1 の対照(非可換性の要らない場所)。先行の記録:ゲージ側の局所的な力学の自己相関の記録と、双対で力学がどう写るか。

問 13 — CP(V)C_P(V) の体積単調性と境界条件

問い:記録の次の一歩の一つが「CP(V)C_P(V) は体積について単調か」(方向 11、10-04 §06)で、注意は「H は無限体積か開いた境界で述べる」でした。一次元・二次元の Ising 模型や、O(2)O(2) 模型を qq 状態の時計模型に離散化したものの小さな格子で、Glauber 力学の生成作用素を厳密に対角化し(状態数 qV≲216q^V\lesssim2^{16} 程度まで)、周期境界と自由境界で CP(V)C_P(V) を比べる。前提:2-08、2-09、1-10 §07。道具:python3(疎行列の固有値)。決着の形:単調性の反例か証明。効く壁:D3 の対照(H↑)。一・二次元の模型なので、四次元の箱の大きさの壁 E1 は動かさない。先行の記録:Glauber 力学の隙間の体積依存を扱う確率論の総説。

07

文献の問いと、先行の記録を探す段

問 14 — SU(2)SU(2) の局所的な力学の動的指数の一次資料

問い:10-08 の E4 は「取得できた動的指数の資料が SU(3)SU(3)・HMC 型だけ」でした。四次元 SU(2)SU(2) の熱浴法・過緩和法・Langevin 法で、自己相関時間を相関長の冪として測った一次資料を集める。前提:5-07、8-03。道具:arXiv の hep-lat、INSPIRE、参考文献をたどる。決着の形:十本前後の一次資料の表(指数・観測量・箱・境界条件、本文を読んだか書誌のみか)。効く壁:E4。D3 の「HMC ≈ Langevin」の予想の確かさにも関わる。先行の記録:この問い自体が探す段です。

どの問いでも、着手の前に同じ問いの答えがあるかを探します。

問いを定理の形で一文に → 語の組で検索 → 総説の参考文献 → 一次資料の本文 → 判定(11)\text{問いを定理の形で一文に}\ \to\ \text{語の組で検索}\ \to\ \text{総説の参考文献}\ \to\ \text{一次資料の本文}\ \to\ \text{判定} \tag{11}

語の組は数学と物理の両方の言葉で作ります(第 8 部の辞書)。問 11 なら「Poincaré constant」「spectral gap」と「dynamic critical exponent」「autocorrelation time」の両方です。判定は三つです。同じ答えがあれば既知として第 3〜7 部の該当する章に送り、問いを取り下げる。近いが違う結果があれば違いを一行で書いて残す。見当たらなければ「探した範囲で見当たらない」と書き、探した語と資料を出典表に残す。例。問 3 の (3) は探すまでもなく既知の道具です。既知の道具で定数を一つ出すのは、問いを小さくする普通の方法です。

08

決着したら何が動くか — 壁の列との対応

表 1 の最後の列を、10-08 図 1 の列ごとに数え直します。

#{q:H↑∈W(q)}=0,#{対照}=5 (問 5,10,11,12,13),#{W(q)=∅}=4 (問 1,2,3,6)(12)\#\{q:\mathrm H{\uparrow}\in W(q)\}=0,\quad \#\{\text{対照}\}=5\ (\text{問 }5,10,11,12,13),\quad \#\{W(q)=\varnothing\}=4\ (\text{問 }1,2,3,6) \tag{12}

直接効くのは Σδ(問 9)・H↓(問 4)・η・鎖(問 7・8)・(S4)(問 14)の各列で、一段と極限の列に届く問いはありません。H↑ に直接効く問いが無いのは、10-08 の「H↑ の手前には測れば動く壁が無い」ことの写しです。H↑ は「すべての試験関数」についての上界なので、有限の計算と有限の模型からは、その形の文が成り立つ模型・壊れる模型という対照までしか作れません。10-11 の定理までの距離は、どの問いが決着しても縮みません。

それでも並べる理由は二つあります。問 10・13 は、D3 の「境界条件と位相電荷で H↑ が壊れうる」という読みが最小の模型で起きるかを見ます。起きなければ、その読みが位相電荷のある模型に特有かどうかの対照になります。D3 は四次元 SU(2)SU(2) での「HMC ≈ Langevin」の予想に依る壁なので、小模型の結果はそれを確かめも反証もしません。また、道具(SAT と証明の記録、永年方程式、厳密対角化、区間演算、文献の表)は大きな問いにそのまま使えます。例。問 3 は (6) まで進みましたが「効かない」の列にあり、A1 の形をもう一つの数で書いただけです。小さな問いの決着は多くの場合こういう形になります。


この章が言えている範囲

札言えている言えていない
—十四の問いと六つの欄、壁の列との対応(この本の整理)。H↑ と極限の列に直接効く問いが無いこと。どの問いも、決着しても質量ギャップ・連続極限・仮定 H について何も示さない。「卒業研究の大きさ」は見込み。
紙(5)・(6) の導出、(8)(一本のリンクの比が Eϑ\mathcal E_\vartheta で β\beta によらない)。(6) の O(k−3/2)O(k^{-3/2}) の係数の値(−0.14-0.14〜−0.16-0.16 は計算のみ)。EA\mathcal E_A での比。(8) の Lean の言明(問 4)。森でない集まりでの比。
計算表 2・図 1・(6) の検算、表 3(単位箱の存否)、表 4。k=3k=3・d=9d=9 の箱。表 3 の「在る」は周期の箱での存在を示さない。
既知永年方程式、木のゲージで分布が Haar の積になること、XX 鎖の可解性、Algorithm X。これらをこの端末の成果として数えること。
物理二次元 O(3)O(3) の質量ギャップの値、多重格子法の動的指数。これらが数学の定理であること。
Leanこの章に新しい Lean の定理は無い。引いた定理は 10-04・5-11・10-08 の行と問 2 の周期 2 の非存在(仮定もそこに)。問 1・4 の Lean の言明。

出典と再現

もの種別出典・道具
完全な族の Lean の定理と未決・(9)・c2c_2・方向 11・壁の記号記録この端末の記録(一次資料と突き合わせて条件と既知の部分を直した整理)。10-02・10-04・10-06・10-08 を経由。
表 2・図 1・(6) の検算計算Python 3(NumPy・SciPy):hermite_secular.py、hermite_asym.py。
表 3計算Python 3:unitbox.py(Algorithm X、各 25 秒まで)、unitbox_d9.py(240 秒)。
表 4計算Python 3(三重対角の固有値):doublewell.py。
永年方程式書誌のみG. H. Golub, Some modified matrix eigenvalue problems, SIAM Review 15 (1973) 318–334。
Algorithm X・dancing links書誌のみD. E. Knuth, Dancing links, arXiv:cs/0011047 (2000)。
Elitzur の定理書誌のみS. Elitzur, Phys. Rev. D 12 (1975) 3978–3982(10-05 の照合による)。
XX 鎖書誌のみE. Lieb, T. Schultz, D. Mattis, Ann. Phys. 16 (1961) 407–466。
二次元 O(3)O(3) の質量ギャップ書誌のみP. Hasenfratz, M. Maggiore, F. Niedermayer, Phys. Lett. B 245 (1990) 522–528。
クラスター法書誌のみU. Wolff, Phys. Rev. Lett. 62 (1989) 361–364。
多重格子法の動的指数要旨T. Mendes, A. Pelissetto, A. D. Sokal, Multi-Grid Monte Carlo via XY Embedding I, Nucl. Phys. B 477 (1996) 203–272, arXiv:hep-lat/9604015。
二次元格子 YM の力学(問 5)既知H. Shen, R. Zhu, X. Zhu, arXiv:2204.12737(10-03 の出典表の照合による)。
Bakry–Émery の判定法(問 6)書誌のみ5-11 の出典表。
Eyring–Kramers の式(問 10)標準の結果(原論文は未確認)6-09 の出典表。
完全な族の割り算の検問・周期 2 の非存在・巡回対称な解の非存在(問 1・2)記録この端末の記録(Lean の定理名は本文)。
先行の記録の検索—各問の「先行の記録」の欄は探す計画で、問 11 の要旨と Golub の書誌のほかは探していない。

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