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極大イデアルがただ一つ - 局所環の性質

極大イデアルをちょうど一つだけ持つ環を局所環と呼びます[1,2,3]

一点の近くだけを見ている環、という気分の名前です。クルルが 年に Stellenringe という名で導入しました[2]

条件の書き方はいくつもあります[1,3]。どれも同じ環を指しますが、使う場面がそれぞれ違う。

三通りの言いかえ

の環 について、次は同値です[1,2,3]

は極大イデアルをちょうど一つ持つ。
単元でない元の全体がイデアルをなす。言いかえると、単元でない元どうしの和がまた単元でない。
どの元 についても、 の少なくとも一方が単元である。

番目から 番目が出る筋は短い。 が両方とも単元でないと、和の も単元でなくなってしまいます。

内側の橙が単元でない元の全体で、これがそのまま唯一の極大イデアル になります。外側の青が単元。

真のイデアルは単元を含めません。だから に入らないイデアルは作れず、 がすべての真のイデアルを飲み込む。

剰余体

局所環 に対して、 を剰余体と呼ぶ[1,2,3]。極大イデアルで割った先なので、これは体になります。

可換でない場合には斜体が出る[2]。ジャコブソン根基で割った先が剰余体にあたります[2]

剰余体は「その点での値」を測る道具になる。関数の芽の環なら、剰余体への写像がちょうど点での値を返す。

局所準同型

局所環どうしの準同型では、極大イデアルの行き先を条件にします[1]

を満たすとき、局所準同型と呼ぶ[1]

条件を付けないと不都合が出ます。 のような写像は、極大イデアルを へ潰してしまう。

局所準同型に限れば、剰余体のあいだの写像が自然に定まる。点と点の対応が保たれる、という気分になります。

例: 体

体は極大イデアルが ひとつだけなので局所環です[1,2]。単元でない元は だけ。

いちばん退屈な例ですが、剰余体が自分自身になるという性質は使い道があります。

例: 形式的冪級数環

上の は局所環です[1,2]。定数項が でない冪級数が単元になる。

逆数は等比級数で書ける。 の逆数が になる、という形です。

定数項が の冪級数の全体が、唯一の極大イデアル です。次元は で、離散付値環にもなる。

例: 素イデアルでの局所化

可換環 と素イデアル に対して、 を分母にとった は局所環です[1,2,3]

極大イデアルは の像が生成する[3] の外の元を全部単元にしたので、残る非単元が 由来のものだけになる。

が例です[1,2]。分母が奇数の有理数を全部集めた環で、極大イデアルは になる。

局所環を作る操作としては、これがいちばん基本的な形です。素イデアルを一点に選び、その周りだけを見る。

例: p 進整数と剰余環

進整数環も局所環です[1]。極大イデアルは が生成する。

も局所環になる[2,3]。単元でない元は の倍数で、それらが極大イデアルをなす。

も同じ形です[2]。次元は で、極大イデアルの 乗が消える。

例: 関数の芽

の近くで定義された連続関数を、 のまわりで一致するものどうし同一視した集まりを考えます[1,2]

これは局所環になる[1]。ある芽が単元であることと、その点での値が でないことが同値になる。

正則関数の芽でも同じ[3]。代数多様体の点における局所環も、この発想を代数の側で実現したものです[2]

「点の近く」という言葉が、環の言葉にそのまま乗る。

反例: 整数環と多項式環

は局所環ではありません[1,2]。極大イデアルが素数ごとにあり、無限個ある。

も局所環になりません[1]。既約多項式ごとに極大イデアルが立つ。

どちらも局所化すれば局所環になります。もとの環が局所でないことと、各点で見れば局所になることは両立する。

半局所環

極大イデアルが有限個の環を半局所環と呼ぶ[1]。局所環をゆるめた概念。

アルティン環はこの形に入ります。有限個の極大イデアルを持ち、局所環の直積に分解する。

中山の補題

局所環でいちばんよく使う道具が中山の補題です[1]

有限生成 加群 について が成り立てば、 が従う。「少し縮めて元に戻るなら、もともと何もなかった」という主張です。

系として、生成元の本数が測れるようになる。 の剰余体上の次元が、最小生成系の本数を与える。

有限生成という仮定は外せません。無限生成の加群では成り立たない例が作れる。

クルルの交叉定理

ネーター局所環では、極大イデアルの冪の共通部分が になります[1]

無限に小さい元がない、という主張です。 でない元は、どこかの段階で から外れる。

この性質があるので、 の冪を使って距離を測れる。冪の指数が大きいほど に近い、と決めればよい。

完備化

進位相についての完備化 は、射影極限として作ります。

各段で を無視した近似を並べ、それらが整合する列を集めた環です。

を完備化すると 進整数環が出る。多項式環を原点で局所化して完備化すれば、形式的冪級数環になる。

完備化しても次元も剰余体も変わりません。扱いにくい部分だけを整えて、幾何の情報は保つ操作になる。

ヘンゼルの補題

完備な局所環では、方程式の解を段階的に持ち上げられます[4]

多項式 を法として単純根 を持てば、 は各 を法とする単純根へ一意に持ち上がる[4]

手順はニュートン法とそっくりです[4]

が単元であることが、割り算を可能にしている。単純根という条件がここで効く。

進整数環では、 を法とする平方剰余が一意に平方根へ持ち上がります[4] も同じ性質を持つ[4]

この性質を満たす局所環をヘンゼル環と呼びます[4]。完備でなくても成り立つ場合がある。

幾何での意味

代数多様体の点をとり、その点で消えない関数を分母に許すと局所環が出ます[2]。点のまわりだけを見る操作にあたる。

極大イデアルは、その点で消える関数の全体です。剰余体はその点での値の体になります。

環の性質が点の性質になる、という対応がここで立つ。特異点かどうかも、局所環の性質として書けるようになります。

よくある誤り

極大イデアルが有限個なら局所環、とはなりません。ちょうど一つのときに限ります。
局所環という名前から小さい環を想像すると外します。冪級数環のように大きな環も入ります。
を局所環だと思うと外します。素数ごとに極大イデアルが立ちます。
局所環の準同型がいつでも局所準同型、とはなりません。条件として別に課します。
中山の補題を無限生成の加群に当てられません。有限生成が効いています。
完備化で次元が変わる、と考えると外します。次元も剰余体も保たれます。
ヘンゼルの補題に完備性が必須、とはなりません。ヘンゼル環という枠が別にあります。

参考文献

Local ring(英語版 Wikipedia)
Lokaler Ring(ドイツ語版 Wikipedia)
Anneau local(フランス語版 Wikipedia)
Hensel's lemma(英語版 Wikipedia)
極大イデアルをちょうど一つ持つ環が局所環です。単元でない元が集まってイデアルをなすとも、どの a についても a か 1-a が単元だとも言いかえられます。剰余体と局所準同型、冪級数環や素イデアルでの局所化や関数の芽といった例を並べ、中山の補題とクルルの交叉定理を置きます。m 進の完備化がどう距離を測るか、ヘンゼルの補題がニュートン法とどう重なるかまで。