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素数を集合に置きかえる(素イデアルと整域)

可換環 のイデアル が素イデアルであるとは、 であって、次を満たすことをいいます[1,2]。

積が入っていたら、因子のどちらかがもう入っている。素数がもつ「割り切れば因子まで割り切る」という性質を、そのままイデアルの言葉に置きかえたものです[3]。

素数の性質を写しとる

素数 が を割るなら、 は か のどちらかを割ります。ユークリッドの補題と呼ばれる事実で、素因数分解の一意性を支えている[1]。

で を見ます。 が の倍数なら か が の倍数なので、 は素イデアル。

は素になりません。 は に入るのに、 も も入っていない[2]。

の網は を捕まえる前に を捕まえています。 の網は で初めて反応し、 も も素通りさせた。

素イデアルとは、この「先に因子を捕まえる」網のことです。

割ると整域になる

素イデアルの言い換えとして、いちばん使いやすい形がこれです[1,2,3,5]。

は素イデアルである。
剰余環 は整域である。

証明は書き下すだけで済みます。 で とは のこと。

素イデアルの定義から か 、つまり か が出ます。これは零因子がないという主張そのもの。

逆向きも同じ式を逆にたどるだけです。整域の定義が「 の因子は しかない」なので、翻訳すれば素イデアルの定義に戻ります。

という条件は、 が零環でないことに対応する。整域の定義に が入っているため。

零イデアル が素であることと、 自身が整域であることは同値です[2]。

補集合が積で閉じている

素イデアルの定義を裏返すと、補集合 について次が言えます[1,2]。

は積について閉じ、 も含む。こうした集合を積閉集合と呼ぶ。

積閉集合があると、分母に使って局所化 が作れる。素イデアルの補集合でこれを行った が、局所化のいちばん基本的な形です。

は極大イデアルを ただ一つしか持たない局所環になる。素イデアルを一点に選んで、その周りだけを見る操作にあたる。

極大イデアルとの上下

極大イデアルはつねに素イデアルです[5]。割ると体になり、体は整域なので、そのまま従う。

逆は成り立ちません。 の は素ですが、 に真に含まれるので極大ではない。

単項イデアル整域では、 でない素イデアルがすべて極大になります[5]。 や がその例で、 だけが例外として残る。

一般の環では、素イデアルの鎖がいくらでも長くなる。その最大の長さがクルル次元です。

図形との対応

素イデアルの鎖は、図形の入れ子にそのまま対応する。 で見ると分かりやすい。

は平面全体、 は という直線、 は原点です。イデアルが大きくなるほど、図形は小さくなる。

割った先を見ると理由がはっきりする。 は 変数分の自由度が残った整域で、 は自由度が尽きた体。

既約な図形が素イデアルに対応する[5]。 という図形は 本の直線に分かれるので、 は素になりません。

例: 整数環の素イデアル

の素イデアルは と ( は素数)で尽きます[3]。 でないものが素数と一対一に対応する。

を素に数えるのは奇妙に見えますが、 が整域である以上そうなります。この一点が、有理数体をとる操作に対応している。

例: 一変数多項式環

体 上の では、素イデアルは と既約多項式が生成するイデアルです[3]。単項イデアル整域なので、 でない素はすべて極大にもなる。

なら既約多項式は 次式だけ。素イデアルは と に限られます。

例: 整数係数の多項式環

の素イデアルは 4 つの型に分かれます[3]。

。 が整域であることに対応する。
。 は素数で、割った先は になる。
。 は 上の既約多項式で、原始的なもの。
。 が を法として既約なとき、これが極大イデアルになる。

は定数項が偶数の多項式全体で、素イデアルです[1,5]。割った先は 元体になる。

型が 4 つに分かれるところに、 のクルル次元が であることが現れている。

素元と素イデアル

の元 が素元であるとは、 が でない素イデアルになることをいいます[2]。元の言葉とイデアルの言葉が、ここでつながる。

既約元とは別の概念です。既約元は「単元と自分自身以外に分解できない」元で、素元より条件がゆるい。

一意分解整域では両者が一致する。 のような環ではずれが出ます。

の分解が 通りに割れる点に、その差がはっきり出ます。 となり、どの因子も既約なのに素元ではない。

例: 点で消える関数

多様体の上の可微分関数のうち、ある点で になるものを集めるとイデアルになります[5]。これは極大で、したがって素イデアル。

割った先は実数体そのものです。関数を一点で評価する操作が、そのままイデアルで割る操作にあたる。

代数の側でも同じ形が出ます。 で原点を消す関数の全体が で、これが原点に対応する極大イデアルでした。

極小素イデアル

包含関係で下からの極小元にあたる素イデアルを、極小素イデアルと呼びます[1]。 でない環には必ず存在する。

幾何では既約成分に対応する。 の極小素は と の つで、 本の直線がそのまま出てきます。

イデアル の根基は、 を含む素イデアルすべての共通部分です。ここでも極小なものだけを見れば足りる。

素イデアル回避

有限個の素イデアル があるとき、イデアル がどの にも含まれないなら、和集合にも含まれません[1]。

素イデアル回避と呼ばれる補題です。 なら、どれか一つに丸ごと入る。

和集合は普通イデアルになりません。それでも「はみ出す元が一つある」と言えるところが効く。

スペクトルとザリスキ位相

素イデアル全体の集合を と書き、スペクトルと呼びます[4]。部分集合 に対して、 を含む素の集まりを と書く。

を閉集合とすると位相が入る[4]。 を含まない素の集まり が開集合で、これがスキームの土台になります。

極大イデアルではなく素イデアルを使う理由がある。環準同型 で素イデアルは引き戻せるのに、極大イデアルは極大のまま戻るとは限らないため[3]。

で確かめられます。 の極大イデアル を引き戻すと の になり、これは極大ではない。

よくある誤り

から かつ は出ません。「または」であって「かつ」ではありません。
素イデアルが極大とは限りません。 の が反例です。
を素から外すと定義が壊れます。整域では が素になります。
が素になるのは が素数のときだけです。 は 自身なので除きます。
既約元と素元は同じではありません。一意分解整域でだけ一致します。
素イデアルの和集合はイデアルになりません。回避の補題はイデアルの話ではなく包含の話です。
を素だと思うと外します。図形が 本の直線に割れるためです。

参考文献

Prime ideal(英語版 Wikipedia)
Primideal(ドイツ語版 Wikipedia)
Idéal premier(フランス語版 Wikipedia)
Stacks Project, Definition 10.17.1(Spectrum of a ring)
Ideale primo(イタリア語版 Wikipedia)
積が入っていたら因子のどちらかが先に入っている。素数のこの性質をイデアルに写しとったものが素イデアルです。3 の網と 6 の網の違いを図で見せ、割った先が整域になる同値性、補集合が積閉集合になること、局所化との関係を追います。整数環・多項式環・整数係数多項式環の分類、極小素イデアル、素イデアル回避、スペクトルとザリスキ位相まで。