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クルル次元は素イデアルの鎖の長さで決まる

可換環 のクルル次元とは、素イデアルの鎖がどこまで長くなれるかを測った数です[1,4]。

この形の鎖の長さは 、つまり真の包含の本数で数えます。素イデアルの個数ではありません[1]。

長さの上限をとったものが です。上限なので、有限の値になるとは限らない。

数えるのは矢印の本数

素イデアルを 個並べた鎖の長さは です。個数から を引く、と覚えても同じことになる。

この のずれが効く。体には素イデアルが ひとつだけあり、鎖は 個で終わるので長さは 。

玉が 個増えるたびに線が 本増える。だから体の次元は 、 は になります。

例: 体の次元は 0

体 の素イデアルは だけです。真のイデアルが しかないので、鎖はそこで打ち止め。

長さ の鎖しか作れないので になる[1]。 点だけの空間、という幾何の像と合います。

例: 整数環の次元は 1

の素イデアルは と です。鎖は の 段だけ伸びる。

の上には しかなく、 は素イデアルに数えません。したがって です[1]。

体でない単項イデアル整域なら、どれも同じ理由で 次元になる[1]。 もここに入る。

例: 多項式環は変数の本数

体 上の の次元は です[1,3]。変数を 本足すごとに、鎖が 段長くなる。

変数なら、次の鎖が長さ を実現します。

平面、直線、点という 段の図形に対応する。図形の次元が と落ちていくので、鎖の段数と一致する。

次元 0 の環

すべての素イデアルが極大になる環は、クルル次元が です[5]。鎖が 段も伸びる余地がないため。

体はその最小の例。 が素であると同時に極大でもあります。

アルティン環もここに入ります[1]。 の素イデアルは の像だけで、それが極大になる。

も 次元です。素イデアルは と の つで、どちらも上に何も持ちません。

高さ

素イデアル の高さとは、 に含まれる素イデアルだけで作った鎖の長さの上限です[1,4]。

局所化の次元として言いかえられます[4]。 より上を切り捨てて、下だけを見る操作にあたる。

環の次元は、素イデアルの高さの上限として書き直せます[1,4]。極大イデアルだけ見れば足りる。

鎖はどれも極大イデアルまで伸ばせるので、途中で止まった鎖を数える必要がありません。

クルルの標高定理

ネーター環で、 が 個の元で生成されるイデアルの極小素イデアルなら、 が成り立ちます[1,4]。

生成元の本数が高さを抑える、という形の定理です。 の場合が単項イデアル定理で、 個の元で切ると高さは か にしかならない[4]。

幾何で言えば「 本の方程式を課すと次元が しか落ちない」に当たる。 本課しても より多くは落ちない。

逆向きも成り立ちます。高さ の素イデアルは、 個の元が生成するイデアルの極小素として実現できる[1]。

割ると次元は増えない

イデアルで割っても次元は上がりません。 が成り立つ。 の素イデアルは を含む素イデアルに対応するので、鎖の候補が減るだけです。

局所化でも同じ。 なので、 を超えません。

ネーター局所環で をとると、次の不等式が立ちます[4]。

が極小素イデアルのどれにも入っていなければ等号になる[4]。 本の方程式で切って次元がちょうど 落ちる状況が、この等号にあたります。

超曲面は 1 つ落ちる

次元のアフィン空間の中で、 つの方程式 が定める図形は 次元です[3]。

環の言葉では となる。標高定理が保証する落ち方の、いちばん素直な形です。

球面 なら 次元。曲面としての次元と一致する。

有限生成代数の次元は超越次数

体 上の整な代数多様体では、次元が有理関数体の超越次数に一致する[3]。

の分数体は で、 上の超越次数が 。次元 と合っています。

代数的な独立変数が何本とれるか、という数え方に翻訳できる。幾何の「自由に動ける方向の本数」と同じ発想になる。

局所環は有限、環全体は無限もある

ネーター局所環の次元は必ず有限です[1]。極大イデアルが一つなので、鎖の伸びる先が限られる。

ネーター環全体では有限とは限りません。永田がクルル次元の無限なネーター環を作っています[1]。

作り方は、高さがいくらでも大きい極大イデアルを無限に並べるというもの。各点では有限なのに、全体の上限が発散する。

「昇鎖が止まる」という条件は、鎖の長さに一様な上限を与えません。ここが直感からずれるところ。

変数を 1 本足すと 1 増える

ネーター環 について、次が成り立ちます[1,2]。

の次元が になるのは、この公式からです。 が 次元なので 。

ネーター性を落とすと崩れる。 のとき は から のあいだのどこかにしか定まりません[1]。

形式的冪級数環でも同じ形が成り立つ[2]。 です。

幾何との対応

の閉集合のうち既約なものを並べた鎖の長さでも、同じ次元が測れます[2,3]。

素イデアルと既約閉集合が対応するので、鎖もそのまま対応する。包含の向きは逆になる。

イデアルが太るほど図形はやせるので、素イデアルの鎖を上へたどることと、図形を小さくしていくことが同じ操作。 が成り立ちます。

位相空間に当てると 0 になる

同じ定義を位相空間へ持っていくと、思わぬ結果が出る。ハウスドルフ空間のクルル次元は です[2]。

既約な閉集合が 点だけになるためです。 に通常の位相を入れると、次元は ではなく になる[3]。

ザリスキ位相でないと意味をなさない、という点が見えます。閉集合が少ない位相だからこそ、既約なものが大きく育つ。

よくある誤り

鎖に現れる素イデアルの個数を次元と呼ぶと ずれます。数えるのは包含の本数です。
自身を鎖の一員に数えられません。 は素イデアルではないためです。
ネーター環の次元がつねに有限だとは言えません。永田の例が反例になります。
標高定理は「ちょうど 落ちる」とは言っていません。上から抑える形の主張です。
極大イデアルの高さが全部そろうとは限りません。上限をとる定義になっているのはそのためです。
はネーター環での話です。一般には幅のある範囲しか決まりません。
通常の位相空間にこの定義を当てると になります。ザリスキ位相を前提にした量です。

参考文献

Krull dimension(英語版 Wikipedia)
Krulldimension(ドイツ語版 Wikipedia)
Dimension de Krull(フランス語版 Wikipedia)
Stacks Project, Section 10.60(Dimension)
Ideal maximal(スペイン語版 Wikipedia)
素イデアルの鎖がどこまで長くなれるかを測った数がクルル次元です。数えるのは素イデアルの個数ではなく包含の本数で、体が 0、整数環が 1、n 変数の多項式環が n になります。高さの定義と極大イデアルによる言いかえ、クルルの標高定理、超曲面で 1 つ落ちる仕組み、超越次数との一致を追い、永田の無限次元ネーター環と、ハウスドルフ空間に当てると 0 になる話まで。