# Bałaban『Renormalization group approach to lattice gauge field theories II』精読 第 2 部：指数化クラスター展開と帰納的仮定の証明（§2、Lemma 3）

> Bałaban の RG II の §2 を精読する。Mayer 展開・条件付きガウス積分・補間パラメータで活動度を局所化し、複素ガウス積分の評価と再和で Lemma 3 を示し、指数化クラスター展開で論文 I の帰納的仮定を完成させる。
> https://rikai.mugen-giken.com/physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-2-part-2

## 0. この記事の要点

- 格子の上の「たくさんの変数についての積分の対数」を、互いに離れた小さな領域ごとの寄与の和に書き直し、各寄与が領域の大きさについて指数的に小さいことを示すのが本章の仕事です。T. Bałaban, "Renormalization group approach to lattice gauge field theories. II. Cluster expansions"（Commun. Math. Phys. 116 (1988) 1–22）の §2（pp.11–22）を精読し、論文 I の Theorem 3（くりこみ変換が帰納的仮定を保つこと）の証明を完成させます。
- 第 1 部で局所化した揺らぎ場の作用 $\sum_Y\mathbf V_k(Y,B)$ の指数を、Mayer 展開（$e^{\sum v}=\prod(1+(e^v-1))$ の展開）で領域ごとの因子に分け、小さい場への制限 $\chi_k$ を包除原理で分解します。[ガウス測度](/physics/constructive-qft/rigorous-renormalization-group#def-lattice-gaussian)は、領域 $Z_0$ の上の変数を条件付けし、残りを標準ガウス変数 $X$ と共分散の平方根で書き直して、すべての非局所性を作用素に押し込みます。
- 作用素に補間パラメータ $s$ を入れて微積分の基本定理で展開すると、積分は互いに両立する連結な領域 $Z$ の活動度 $H(Z)$ の積の和（[ポリマー展開](/physics/constructive-qft/cluster-expansion#def-polymer-system)）になり、[Kotecký–Preiss の判定条件](/physics/constructive-qft/cluster-expansion#thm-kotecky-preiss)で指数化できます。新しい有効作用の項 $\mathbf E^{(k+1)}(X)$ は連結グラフの和 $\rho^{\mathrm T}$ で与えられます。
- 活動度の評価（Lemma 3）は、複素ガウス積分を実の正定値の場合と比べる評価、特性関数の小因子、補間の Cauchy 評価、そして局所化領域・大場ボンド・成分についての 4 段の再和からなります。原論文が「容易」「面倒だが単純」とした幾何の不等式 (2.27)(2.30)(2.32)(2.36) と和の評価 (2.29) をすべて証明し、(2.30) の誤り（小さい領域で下界が破れる）と (2.7) の係数 $1/\pi$ の欠落を訂正します。
- 結論として $\lvert\mathbf E^{(k+1)}(X)\rvert\le\frac12E_0e^{-\kappa d_{k+1}(X)}$ が成り立ち、規格化因子の局所化とゲージ不変性を合わせて、論文 I の帰納的仮定が $k+1$ 段目で成り立ちます。スケールを 1 段上げるたびに減衰率が $L$ に比例して回復することが、帰納法を閉じる仕組みです。本章の定理に残る仮定は、論文 I の第 3 部の (P4)（無限格子への延長）です（第 1 部の性質 (GF)、すなわちプロパゲータのゲージ固定の項の局所化された展開は、準備章の Hölder 評価から証明されています）。解析性の定義域には <Ref to="thm-theorem-i3-proof-complete" /> の但し書きがつきます。この但し書きのため、論文 I の Theorem 3（すべての段についての帰納法）には、(P4) のほかに、定義域についての 2 つの仮定 (M4)（論文 I の空間の条件 4 の単調性）と (T)（背景場の立方体ごとの表示）が残ります（<Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-1-part-1#thm-inductive-assumptions-preserved" /> の言明）。解析性は、背景場に 1 階の条件だけを課し、Wilson 作用の勾配を独立な変数にした空間で示します（<Ref to="rem-domain-part-two" />）。

## 1. 動機

### 1.1. 何を示した論文か

論文 I（本テーマの <Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-1-part-1#thm-inductive-assumptions-preserved" />）は、4 次元の格子ゲージ理論で小場のくりこみ変換を繰り返したとき、有効作用が「Wilson 作用 + 局所化された小さい項」の形を保つという帰納的仮定を立て、その証明を論文 II に委ねました。$k$ 段目から $k+1$ 段目へ移ると、新しく現れる項は

$$
\mathbf E^{(k+1)}(g_k,U_{k+1})=\log\int d\mu_{C^{(k)}}(B)\,\chi_k\exp\Bigl[\sum_{Y\in\mathbf D_k}\mathbf V_k(Y,U_{k+1},B)\Bigr]
$$

という積分の対数です（<Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-1-part-1#prop-new-action-representation" /> の (2.13) に、第 1 部の Lemma 2 <Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-2-part-1#thm-fluctuation-action-localized" /> を代入したもの）。帰納的仮定が要求するのは、これが局所化表示 $\sum_{X\in\mathbf D_{k+1}}\mathbf E^{(k+1)}(X)$ をもち、各項が

$$
\lvert\mathbf E^{(k+1)}(X,\mathbf U,\mathbf J)\rvert\le E_0e^{-\kappa d_{k+1}(X)}
$$

を複素配位の空間で満たし、ゲージ不変であることです。第 1 部は被積分関数の指数を局所化しましたが、積分そのものはまだ非局所です。ガウス測度の共分散 $C^{(k)}$ が格子全体に広がっているからです。本章はこの最後の非局所性を処理します。

### 1.2. 方法の要点

クラスター展開の標準的な考え方（<Ref to="physics/constructive-qft/cluster-expansion#prop-formal-cluster-expansion" />）を、ガウス測度の共分散が非局所な場合に使えるように組み立てたのが §2 です。手順は次の 4 段です。

1. **被積分関数の局所化**。$\exp\sum_Y\mathbf V_k(Y)$ を Mayer 展開し、特性関数 $\chi_k$ を「領域の中は小場、外は大場の集合 $P$ を包除」と分けます。各項は領域 $Z_0$ の上の場 $B$ だけに依存します。
2. **積分の局所化**。$Z_0$ の外の変数で条件付けし、外の変数を $(C^{(k)})^{1/2}X$（$X$ は独立な標準ガウス変数）と書きます。非局所性は作用素 $C^{(k)}(Z_0)$、$(C^{(k)})^{1/2}$、$C^*\Delta_kC$ に集まり、これらはどれもランダムウォーク展開をもちます。第 1 部と同じく補間パラメータ $s$ で展開すると、活動度 $H(Z)$ は $Z$ の上のデータだけによります。
3. **指数化**。$\int=\sum\prod H(Z_i)$ はポリマー系の分配関数なので、活動度が小さければ対数をとれて、$\mathbf E^{(k+1)}(X)$ が連結グラフの和で与えられます。
4. **評価**。$\lvert H(Z)\rvert\le C_3\varepsilon_1e^{-b\kappa d_{k+1}(Z)}$（Lemma 3）を示します。ここで $b$ は $L$ に比例する数で、細かい格子での減衰率 $\kappa$ を粗い格子の単位で測り直すと $L$ 倍になることから来ます。

### 1.3. 物理への含意

段 4 の「減衰率が $L$ 倍に回復する」ことが、くりこみ群の帰納法の余裕の正体です。局所化の各段（第 1 部の Cauchy 評価、本章の再和）で減衰率は少しずつ（$\delta\kappa$ ずつ）失われますが、スケールを上げると $L$ 倍に戻るので、$L$ が十分大きければ同じ $\kappa$ で仮定が閉じます。原論文は $(1-10\delta)\frac12L=1$ と定数を決めます。本章では幾何の不等式 (2.36) を自分で証明した結果、係数 $\frac L2$ が $\frac L{1+2\sqrt d}$ に変わりますが、$L\gt1+2\sqrt d$（$d=4$ で $L\gt5$）なら同じ議論が通ります。

このクラスター展開は、論文 III と Large field renormalization I・II で境界層と大場領域を伴う形に一般化され（<Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-rg-3-part-1#lem-large-plaquette-gain" /> の周辺）、3 次元の紫外安定性の論文の規格化因子の局所化（<Ref to="physics/gauge-rg-papers/balaban-prereq-large-field-3d#prop-log-det-random-walk" />）とも同じ型です。QED₄ のような可換理論でも共分散の構造は同じなので、本章の議論はそのまま使えます。困難は局所化ではなく、結合定数の流れ（β 関数の符号）にあります。

### 1.4. 本章の範囲と原論文との対応

| 原論文 | 本章 |
|---|---|
| (2.1) | <Ref to="lem-mayer-expansion" /> |
| (2.2)–(2.4) | <Ref to="lem-characteristic-function-decomposition" />、<Ref to="prop-resummation-into-z0" /> |
| (2.5)(2.6) | <Ref to="lem-complex-gaussian-formula" />、<Ref to="prop-conditional-gaussian-integral" /> |
| (2.7) | <Ref to="lem-inverse-square-root-representation" />、<Ref to="def-covariance-input" /> |
| (2.8)–(2.10) | <Ref to="prop-activity-factorization" /> |
| (2.11)–(2.13) | <Ref to="thm-exponentiated-polymer-expansion" /> |
| (2.15)–(2.17) | <Ref to="lem-first-estimate-complex-measure" />、<Ref to="lem-operator-replacement-error" /> |
| (2.18)–(2.22) | <Ref to="lem-mayer-factor-bound" />、<Ref to="lem-quadratic-form-resummation" />、<Ref to="lem-characteristic-function-exponential-bound" /> |
| (2.23)–(2.26) | <Ref to="prop-gaussian-integral-bound" />、<Ref to="prop-term-bound" /> |
| (2.27)(2.30)(2.32)(2.36) | <Ref to="lem-linear-size-subadditivity" />、<Ref to="lem-volume-vs-linear-size" />、<Ref to="lem-component-inequality" />、<Ref to="lem-scale-change-linear-size" /> |
| (2.28)(2.29)(2.31)(2.33)–(2.35) | <Ref to="lem-sum-over-families" />、<Ref to="lem-sum-over-large-field-bonds" />、<Ref to="prop-partial-resummation" /> |
| (2.37)、Lemma 3 (2.38) | <Ref to="prop-z0-resummation" />、<Ref to="thm-activity-bound" /> |
| (2.39)–(2.41) | <Ref to="lem-connected-graph-sum" />、<Ref to="thm-new-term-satisfies-inductive-bound" /> |
| p.21 の規格化因子、pp.21–22 のゲージ不変性、結論 | <Ref to="prop-normalization-factor-localized" />、<Ref to="prop-gauge-invariance-of-activities" />、<Ref to="thm-theorem-i3-proof-complete" /> |

原論文の式は (2.x)、第 1 部の式は (1.x)、論文 I の式は (I.x.y) で引きます。原論文の参照 [13][16] は論文 I の文献表の番号で、それぞれ背景場中のプロパゲータの論文（CMP 99）と 3 次元の紫外安定性の論文（CMP 102）です。

（この章の続きは購入者向けです。）