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ガウス積分がひっくり返る

2026年10月15日6分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第7部 第4章 Grassmann 数とフェルミオン

AI 生成・木下が未勉強

場の量子論入門 第7部 第4章 §7.4.2 ★★ ボゾンは (det⁡A)−1/2(\det A)^{-1/2}、フェルミオンは det⁡A\det A。この逆転がすべての源

例題 4.1(Grassmann のガウス積分)

オリジナル複素 Grassmann 数の組 θ1,θ2\theta_1,\theta_2 とその共役 θˉ1,θˉ2\bar\theta_1,\bar\theta_2(互いに独立な 4 個の Grassmann 数)に対して、2×22\times2 行列 A=(aij)A=(a_{ij})(成分は通常の複素数)を用いた積分

I=∫ ⁣dθˉ2 dθ2 dθˉ1 dθ1 exp⁡(−∑i,jθˉiAijθj)I=\int\!\mathrm{d}\bar\theta_2\,\mathrm{d}\theta_2\,\mathrm{d}\bar\theta_1\,\mathrm{d}\theta_1\ \exp\Bigl(-\sum_{i,j}\bar\theta_iA_{ij}\theta_j\Bigr)

を計算し、I=det⁡AI=\det A を示せ。積分の規格化は ∫dθˉ dθ θθˉ=1\int\mathrm{d}\bar\theta\,\mathrm{d}\theta\ \theta\bar\theta=1 に取る。

解答

指数の肩を S≡−∑ijθˉiAijθjS\equiv-\sum_{ij}\bar\theta_iA_{ij}\theta_j と書く。SS は Grassmann 数を 2 個含むので通常の数のように可換に扱えて、eS=1+S+12S2+⋯\mathrm{e}^{S}=1+S+\frac12S^2+\cdots の展開はθˉ1θ1θˉ2θ2\bar\theta_1\theta_1\bar\theta_2\theta_2 の項(4 個すべてを含む項)で止まる。Berezin 積分は「すべての変数を 1 個ずつ含む項の係数だけを拾う」操作なので、12S2\frac12S^2 の項だけが残る。

12S2=12∑ijklθˉiAijθj θˉkAklθl.\frac12S^2=\frac12\sum_{ijkl}\bar\theta_iA_{ij}\theta_j\,\bar\theta_kA_{kl}\theta_l .

θi2=0\theta_i^2=0 から、生き残るのは i≠ki\ne k かつ j≠lj\ne l の項だけである。(i,k)=(1,2)(i,k)=(1,2) と (2,1)(2,1)、(j,l)=(1,2)(j,l)=(1,2) と (2,1)(2,1) の 4 通りを書き下すと、12\frac12 は (i,k)(i,k) の入れ替えの 2 重計上を打ち消すので、(i,k)=(1,2)(i,k)=(1,2) に固定して 2 倍したものに等しい。

12S2=θˉ1A11θ1 θˉ2A22θ2+θˉ1A12θ2 θˉ2A21θ1.\frac12S^2=\bar\theta_1A_{11}\theta_1\,\bar\theta_2A_{22}\theta_2+\bar\theta_1A_{12}\theta_2\,\bar\theta_2A_{21}\theta_1 .

第 1 項は既に θˉ1θ1θˉ2θ2\bar\theta_1\theta_1\bar\theta_2\theta_2 の順に並んでいて、係数は A11A22A_{11}A_{22} である。第 2 項は θˉ1θ2θˉ2θ1\bar\theta_1\theta_2\bar\theta_2\theta_1 の順であり、θ1\theta_1 を左から 3 番目の位置(θˉ1\bar\theta_1 のすぐ右)まで移す。3 個の Grassmann 数を追い越すので符号は (−1)3=−1(-1)^3=-1、

θˉ1θ2θˉ2θ1=−θˉ1θ1θ2θˉ2=+θˉ1θ1θˉ2θ2⋅(−1),\bar\theta_1\theta_2\bar\theta_2\theta_1=-\bar\theta_1\theta_1\theta_2\bar\theta_2 =+\bar\theta_1\theta_1\bar\theta_2\theta_2\cdot(-1),

すなわち係数は −A12A21-A_{12}A_{21} である。合わせて

eS∣4 次の項=(A11A22−A12A21) θˉ1θ1θˉ2θ2.\mathrm{e}^{S}\Big|_{\text{4 次の項}}=(A_{11}A_{22}-A_{12}A_{21})\ \bar\theta_1\theta_1\bar\theta_2\theta_2 .

規格化 ∫dθˉ dθ θθˉ=1\int\mathrm{d}\bar\theta\,\mathrm{d}\theta\,\theta\bar\theta=1 の下で ∫dθˉdθ θˉθ=−1\int\mathrm{d}\bar\theta\mathrm{d}\theta\,\bar\theta\theta=-1となる符号を両方の変数について取ると、I=A11A22−A12A21=det⁡AI=A_{11}A_{22}-A_{12}A_{21}=\det A を得る(検算済み)。n×nn\times n でも同様で、1n!Sn\frac{1}{n!}S^n の展開が θ\theta の並べ替えの符号込みの和を作り、それが行列式の定義(置換の符号付き和)そのものになる。

例題 4.2(Grassmann の変数変換とヤコビアン)

オリジナルnn 個の Grassmann 数を θi=∑jMijθj′\theta_i=\sum_jM_{ij}\theta'_j(MM は通常の数を成分に持つ正則行列)と変換したとき、測度が dnθ=(det⁡M)−1dnθ′\mathrm{d}^n\theta=(\det M)^{-1}\mathrm{d}^n\theta' に従うことを示せ。

解答

Berezin 積分は「すべての変数を 1 個ずつ含む項の係数を拾う」操作なので、規格化 ∫dnθ θ1θ2⋯θn=1\int\mathrm{d}^n\theta\ \theta_1\theta_2\cdots\theta_n=1 を基準に取ればよい。変換を代入すると

θ1⋯θn=∑j1,…,jnM1j1⋯Mnjn θj1′⋯θjn′\theta_1\cdots\theta_n=\sum_{j_1,\dots,j_n}M_{1j_1}\cdots M_{nj_n}\ \theta'_{j_1}\cdots\theta'_{j_n}

であり、θ′\theta' が反可換なので添字がすべて相異なる項だけが残る。そのとき θj1′⋯θjn′=sgn(σ) θ1′⋯θn′\theta'_{j_1}\cdots\theta'_{j_n}=\mathrm{sgn}(\sigma)\,\theta'_1\cdots\theta'_n(σ\sigma は (1,…,n)(1,\dots,n) を (j1,…,jn)(j_1,\dots,j_n) に移す置換)なので、残った和は置換の符号付き和、すなわち行列式の定義そのものである。

θ1⋯θn=(det⁡M) θ1′⋯θn′.\theta_1\cdots\theta_n=(\det M)\ \theta'_1\cdots\theta'_n .

両方の変数系で規格化 ∫dnθ′ θ1′⋯θn′=1\int\mathrm{d}^n\theta'\,\theta'_1\cdots\theta'_n=1 を保つには、測度が dnθ=(det⁡M)−1dnθ′\mathrm{d}^n\theta=(\det M)^{-1}\mathrm{d}^n\theta' でなければならない。通常の実変数では dnx=∣det⁡M∣ dnx′\mathrm{d}^nx=|\det M|\,\mathrm{d}^nx' であったから、ヤコビアンもまた逆向きに現れる。前の例題で Gauss 積分が det⁡A\det A そのものになったことと、この逆転は同じ根を持っている。

一方、通常の(可換な)変数の Gauss 積分は例題 2.1 で見たとおり (det⁡A)−1/2(\det A)^{-1/2} に比例した。複素変数なら ∫∏idzˉidzi e−zˉAz∝(det⁡A)−1\int\prod_i\mathrm{d}\bar z_i\mathrm{d} z_i\,\mathrm{e}^{-\bar zAz}\propto(\det A)^{-1} である。可換な変数では行列式が分母に、反可換な変数では分子に現れる。実数型の変数どうしを比べれば(det⁡A)−1/2(\det A)^{-1/2} と (det⁡A)+1/2(\det A)^{+1/2}、複素型どうしを比べれば (det⁡A)−1(\det A)^{-1} と (det⁡A)+1(\det A)^{+1} であり、どちらの比較でも指数の符号だけが反転している。この反転が、以下で見るフェルミオンループの (−1)(-1)、そして第 5 章のゴースト場の由来である。

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