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開集合が大きすぎる位相〜ザリスキ位相の作り方と癖

ザリスキ位相は、閉集合の側から定めます。開集合を先に並べるのではなく、「ここで全部消える」という集合を閉集合と呼ぶところから始まります[1]。

可換環 に対し、イデアル を含む素イデアルの全体を と書きます。

この族が閉集合の全体になります。以下では位相になっていることを確かめ、そのあとで癖の強い性質を並べます。

閉集合が少なすぎるので、開集合はどれも巨大になる。そこから出る帰結を順に見ていきます。

位相になっていること

3 つの恒等式を確かめます[1]。

まず両端です。 はいつでも成り立つので です。 なら になりますが、素イデアルは真のイデアルなので になります。

交わりは和で書けます。

がすべての を含むことと、和を含むことが同値だからです。添字の個数に制限はありません。

和集合は積で書けます。有限個の場合だけ必要です。

証明: 和集合の等式

素であることが効く唯一の場所なので、書き下します。

とします。 なら、 がとれます。

任意の について です。 が素で なので となります。

は任意だったので です。したがって が出ました。

逆向きは と から従います。 も に挟まれるので同じ集合になります。

これで有限和と任意交わりについて閉じました。ザリスキ位相が定まります。

基本開集合

閉集合の補集合が開集合です。 元で作ったものを基本開集合といいます[1]。

が消えない点の全体、と読めます。、 です。

積について次が成り立ちます。

かつ であることと であることが、素であることから同値になるためです。

任意の開集合は基本開集合の和で書けます。 が開基になります。

例: アフィン直線の閉集合

を代数閉体、 とします。イデアルは の形しかありません。

なら は の既約因子が生成する素イデアルの集合で、有限個です。 なら全体になります。

したがって閉集合は、有限集合と全体だけ。開集合は、有限個の点を抜いたものと空集合だけです。

が無限体なら、空でない開集合はどれも無限集合です。有限個しか抜けないためです。

でも同じ形になります。閉集合は有限個の素数の集合と全体です。

閉集合が少ない

図にしておきます。

上が閉集合、下が開集合です。抜けるのが有限個しかないので、開集合はほとんど全体を占めます。

通常の位相では、いくらでも小さい開球がとれました。ザリスキ位相にはそれがありません。

空でない開集合はどれも交わる

開集合が大きいことの帰結を見ます。

と をどう動かしても、交わりが空になりません。抜けた点を合わせても有限個だからです。

したがってハウスドルフではありません[1]。2 点を交わらない開集合で分けられない。

有限集合の場合だけが例外です。点が有限個なら離散位相になり、ハウスドルフになります。

ではあるが ではない

分離公理を細かく見ます。

とすると、片方に入って片方に入らない元 がとれます。 なら が を含み を含みません。

したがって です。どの 2 点も、開集合で見分けられます[1]。

にはなりません。点が閉であることと は同値ですが、極大でない素イデアルは閉点になりません。

なら、生成点 が閉になりません。閉包が全体になるためです。

点の閉包

を含む最小の閉集合を求めます。

が を含むことと は同値です。したがって最小のものは ととったときになります。

が極大なら で、点は閉です。極大でなければ閉包が広がります。

を の生成点といいます[2]。1 点が閉集合全体を代表する、という状況です。

なら、 が放物線の生成点です。放物線の上の閉点は、すべてこの点の閉包に入ります。

既約であること

空でない開集合がどれも交わる、という性質を既約といいます。

が既約であることと、冪零根 が素イデアルであることが同値です。

が既約であることと が素であることが一般に同値で、 の場合がこれにあたります。

が整域なら が素なので、 は既約です。 では が素でないので既約になりません。

既約な空間には生成点がちょうど 1 つあります。 に対応する点です。

閉集合と根基イデアルの対応

が成り立ちます。素イデアルは冪根に閉じているためです。

したがって閉集合とイデアルの対応は 1 対 1 になりません。根基イデアルに限ると 1 対 1 になります[3]。

代数閉体の上の では、零点定理から代数的集合と根基イデアルが 1 対 1 に対応します[3]。

と は同じ閉集合を定めます。位相では区別が付かず、環の側でだけ違いが見えます。

準コンパクトであること

ザリスキ位相の扱いやすい性質です[1]。

は準コンパクトになります。開被覆から有限部分被覆がとれる、という意味です。

証明は短く済みます。基本開集合で覆えたとして とします。

補集合をとると 、つまり です。真のイデアルはどれかの極大イデアルに含まれるので、 となります。

を有限和として と書けます。この有限個で覆えるので、有限部分被覆がとれました。

ハウスドルフでないのにコンパクト性が出る点が、通常の位相の感覚と違うところです。

ネーター空間

がネーター環なら、 はネーター空間になります。閉集合の降鎖が止まります。

このとき、どの閉集合も有限個の既約閉集合の和に一意に分かれます。図形の既約成分にあたります。

アフィン空間や射影空間はネーター空間です[1]。したがって、どの閉部分集合も準コンパクトになります。

を既約閉集合の鎖の長さで定めると、Krull 次元と一致します[5]。位相だけから次元が読める形です。

環準同型は連続写像を与える

を環準同型とします。素イデアルの逆像は素イデアルなので、写像が作れます。

これは連続です。 について が成り立つためです。

基本開集合では になります。開基の逆像が開集合なので、連続性が従います。

向きが逆になっている点が要です。環の射が 、空間の射が です[4]。

例: 3 つの射で像を見る

具体的に像を計算します。

全射

の像は です。 を含む素イデアルだけが対応します。閉部分集合への同相になります。

局所化

の像は です。 を含まない素イデアルだけが残り、開部分集合への同相になります。

包含

は 1 点で、行き先は です。像は生成点 1 つだけで、閉集合でも開集合でもありません。

包含

は平面から直線への射影です。像は全体で、各点の上に直線が乗ります。

3 番目のように、像が開でも閉でもないことがあります。一般には構成可能集合になります。

通常の位相との比較

感覚の違いを並べます。

ユークリッド位相

小さい開球がいくらでもとれる。ハウスドルフで、点は閉。連結成分や収束が素直に扱える。

ザリスキ位相

空でない開集合はどれも巨大で、既約なら必ず交わる。ハウスドルフでなく、閉でない点がある。そのぶん、代数との対応がきれいになる。

粗いことは欠点ではありません。多項式で書ける閉集合だけを扱うので、代数の言葉がそのまま位相の言葉になります。

体が なら、ザリスキ閉集合はユークリッド閉集合でもあります。逆は成り立たず、ザリスキ位相のほうが粗くなります。

練習

( は無限体)のとき、 の空でない開集合 2 つについて正しいものはどれですか。

  • 交わらないように選べる
  • どう選んでも交わる
  • 一方が他方に含まれる
  • 交わりが有限集合になる
__RESULT__

空でない開集合は、有限個の点を抜いた残りです。2 つを重ねても抜けた点は有限個にとどまるので、交わりは空になりません。 が無限体なら残りは無限集合です。これがハウスドルフでない理由でもあります。

閉集合が有限集合しかない、という一点からすべて出ます。

よくある誤り

まとめます。

開集合を先に定義しようとする。閉集合の側から定めるのが定義である。
とイデアルが 1 対 1 に対応すると思う。 なので根基でしか決まらない。
点がいつでも閉だと思う。生成点は閉にならない。
ハウスドルフでないからコンパクトでないと思う。準コンパクトである。
と書く。和集合は積、交わりが和である。
環の射と空間の射の向きをそろえる。 は反変関手である。

閉集合が少ないという 1 点を押さえておけば、癖のある性質はどれも見通せます。

参考文献

Zariski topology, Wikipedia (English).
Scheme (mathematics)), Wikipedia (English).
Hilbert's Nullstellensatz, Wikipedia (English).
Schema (algebraische Geometrie)), Wikipedia (Deutsch).
Krull dimension, Wikipedia (English).
開集合ではなく閉集合の側から定めるのがザリスキ位相です。$V(I) \cup V(J) = V(IJ)$ で素であることが効く場所を見せ、$D(f) \cap D(g) = D(fg)$ まで確かめます。アフィン直線では閉集合が有限集合しかないので、空でない開集合はどう選んでも交わる。だからハウスドルフになりません。$T_0$ だが $T_1$ でないこと、点の閉包と生成点、準コンパクト性の短い証明、環準同型が連続写像を与えることまで扱います。