整域が整閉かどうかは局所化だけで決まる
整域 について、次の 3 つは同値です[1]。
整閉かどうかは、環の各点を見て回れば決まる。しかも極大イデアルだけ調べれば足ります。
「局所的な性質」と呼ばれる型の主張で、可換環論ではこの型が繰り返し現れる。
整閉であるとは
整域 の分数体を と書きます。 が 上整であるとは、係数を にとった最高次係数 の多項式の根になることをいう[1,2]。
上整な の元をすべて集めたものが、 における の整閉包です。整閉包が 自身に一致するとき、 を整閉と呼びます[2]。
最高次係数が という条件が効いている。ここを外すと、 のどの元も の根になってしまい、区別がつかない。
例: 平方根の環は穴が空くことがある
は整閉ではありません[1]。分数体の元 が、次の式を満たすためです。
最高次係数は で、係数はすべて整数。それなのに は に入りません。
格子のまん中が抜けている、という絵になる。抜けを埋めた が整閉包です。
一般に が整閉になるのは、 が を法として と合同でないときに限ります[2]。合同なときの整閉包が になる。
例: 一意分解整域は整閉
一意分解整域はつねに整閉です[1,2]。証明は既約分数で書くだけで済む。
を既約分数とし、 が 上整だとします。 に を掛ける。
右辺は で割り切れるので、 は を割る。 と が互いに素なので、 は単元しかない。
つまり は の元です。単項イデアル整域も も も、この理由で整閉になる。
局所化で環を小分けにする
積閉集合 に対して、分母を からとった分数の環 が作れる[3]。素イデアル の補集合をとったものが です。
が整域なら、話が単純になる。 はすべて分数体 の部分環として実現でき、 が成り立つ。
は極大イデアルを一つしか持たない局所環です。素イデアルを一点と見て、その近くだけを拡大鏡で見る操作にあたる。
共通部分としての A
局所化を全部集めると、もとの環が復元できる。整域 について、 の中で次が成り立つ。
共通部分は、すべての極大イデアル にわたってとる。この等式が、 の要になる。
証明は分母のイデアルを使う。 をとり、次のイデアルを置く。
がどの極大イデアルにも含まれないことを見ます。もし とすると、 から 、 と書ける。
すると なので となり、 に反する。
真のイデアルは必ず極大イデアルに含まれるので、 は真のイデアルではありません。つまり で 、したがって です。
一点ずつの結果を集めると、全体の結果になる。局所的な性質とは、この向きの復元がきく性質のこと。
上から下へ: 局所化は整閉性を受けつぐ
は分母を払う議論です[4]。 を整閉、 を積閉集合とし、 が 上整だとします。
整方程式の係数は の形。分母をまとめて をとり、両辺に を掛けます。
すると が 上整な元になる。 が整閉なので 、したがって です。
素イデアルでも極大イデアルでも同じ議論が通る。 と が、これで済んだ。
下から上へ: 各点から全体へ
には共通部分の等式を使う。 が 上整だとします。
なので、 は各 上でも整です。仮定から は整閉なので になる。
これがすべての で成り立つので、 は共通部分に入る。共通部分は に一致するので です。
つまり の整閉包は 自身。3 つの条件が輪になってつながりました。
なぜ局所で決まるのか
背景にあるのは、局所化が完全関手であることです[3]。完全列を局所化しても完全列のまま。
いちばん基本の形は、加群 について次が成り立つことです[3]。
かどうかが局所で決まるので、写像の核や余核についても同じことが言える。単射性や全射性が局所で決まるのは、この帰結です。
ほかに局所で決まる性質
同じ型の主張がいくつも並ぶ[3]。
どれも「もとの環の性質で決まり、分母のとり方によらない」という形をしている。分母を付けても付けなくても、完全性は変わらない。
局所で決まらない性質もある
すべてが局所で決まるわけではありません。整域であることが、その例。
体 をとって と置きます。極大イデアルは と の つで、どちらで局所化しても になる。
は整域です。それなのに は という零因子を持ち、整域ではありません。
だから 3 条件の同値は、 が整域だという前提の上に立っている。この前提を落とすと、主張の形自体を変える必要が出る。
正規環へ広げる
整域という前提を外したいときは、正規環という言葉を使う[1]。すべての素イデアルでの局所化が整閉整域になる環のこと。
はこの意味で正規です。局所化がどちらも体になるため。
ネーター環では、セールの判定法が使える[1]。高さ 以下の素イデアルで局所環が正則になり、それより高いところで深さの条件が満たされれば正規になる、という形の判定です。
代数体の整数環
代数体 の中で、 の整閉包をとったものが の整数環です[5]。定義からして整閉になる。
ガウス整数環 やアイゼンシュタイン整数環が、この形で得られる[5]。円分体の整数環も同じ枠に入る。
整数環はデデキント環で、デデキント環は定義に整閉性を含みます[2]。素因数分解がイデアルの水準で復活するのは、この整閉性が効いているためです。
が整閉でなかったのは、 の整数環に届いていなかったから。整数環は のほうです。











