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局所化するとどの素イデアルが消えるのか?拡大と縮約の 1 対 1 対応

の素イデアルは と、素数ごとの で無限にあります。

これを で局所化した では、素イデアルが の 2 つだけになる。残りは全部消えます。

どれが残ってどれが消えるか。分母に許した元との交わりだけで決まる。

拡大と縮約

を可換環、 を乗法的集合、 を標準的な準同型とします。

イデアルは 2 つの向きに移せます。 のイデアル へ送るのが拡大で、分母を許した集合になる。

逆に のイデアル へ引き戻すのが縮約で、こちらは逆像です。

どちらの操作もイデアルをイデアルに移す。問題は、往復すると元に戻るかどうかになる。

縮約すると戻るとは限らない

一般のイデアルでは戻りません。 で試します。

。ここでは が単元なので、 が消えて になる。

縮約を計算すると で、 には戻りません。分母に許した のぶんだけ、イデアルが太っている。

一般に、縮約は次の形になります。

ですが なので、 が拾われる。この操作を飽和といい、 による飽和といいます。

素イデアルなら 1 対 1 に対応する

素イデアルに限ると、往復がきちんと戻る。

の素イデアル全体と、 の素イデアルのうち と交わらないもの全体。この 2 つが拡大と縮約で 1 対 1 に対応します。

と交わる素イデアルは、対応の相手を持たない。拡大すると全体になってしまうためです。

に元 があると、 に入る。単位元を含むイデアルは環全体なので、素イデアルとしては残りません。

拡大したものが素になる

とし、 が素イデアルであることを見ます。

とすると、 をとって と書ける。

分数が等しいとは、ある となることです。移項すると

の元なので には入らない。 が素だから、残るのは です。

もう一度素であることを使うと になり、 に入る。

が全体でないことの確認もいる。

なら、 となる が見つかります。これは交わらないという仮定に反する。

縮約すると戻る

のとき、 になります。

飽和の形にあてはめると、 となる があることです。 が素だから、 が従う。

さきほど に太ったのは、 が素イデアルでなかったからです。 なのに に入っていない。

素イデアルなら、この拾い上げが起きません。飽和しても自分自身のまま。

逆向きも戻る

のイデアル については、素かどうかによらず が成り立ちます。

とすると、 をかけて 。だから で、 になる。

逆の包含は定義からすぐ分かる。つまり のイデアルは、すべて のイデアルの拡大として書けます。

の側

イデアルは往復で太ることがある。戻るのは飽和したものだけ

の側

イデアルはすべて拡大として書ける。往復すると必ず戻る

が素なら も素です。素イデアルの逆像は素イデアルになるため。 が空であることは、 をとると が単元になって となることから分かります。

例: では だけが消える

とすると、 と交わる素イデアルは だけです。 を含む素イデアルがほかにないため。

残りの はすべて の素イデアルへ移る。素イデアルが 1 つだけ減った形。

という記号で書くと、 から 点を抜いた開集合にあたります。

例: には素イデアルが 2 つしかない

とすると、 と交わらない素イデアルは に含まれるものだけです。

に含まれる素イデアルは の 2 つ。だから は 2 点になります。

と交わるので消える。 も分母に使えるようになり、単元になってしまうからです。

残った はただ 1 つの極大イデアルで、 は局所環になる。

素イデアルは と素数ごとに無限個
が消えて、残りはそのまま
の 2 つだけ
の 1 つだけ

での局所化です。 以外のどの素イデアルも と交わるので、残るのは だけになる。

対応は包含も保つ

この 1 対 1 対応は、順序も保つ。 なら で、逆も同じ。

だから素イデアルの鎖がそのまま移ります。 の素イデアルの鎖は、 で終わる の鎖と 1 対 1 になる。

局所化したときの次元が、もとの素イデアルの高さと一致します。

開集合を見るか、点のまわりを見るか

局所化の選び方で、見える範囲が変わる。

で局所化

を分母に許す。 を含まない素イデアルだけが残り、開集合 を見ることにあたる

で局所化

の外を分母に許す。 に含まれる素イデアルだけが残り、 のまわりを見ることにあたる

前者は広がりのある範囲を切りとる操作で、後者は 1 点まで絞る操作です。どちらも「 と交わるものが消える」という同じ規則から導けます。

分母に許す元の集合 S を決める

S と交わる素イデアルが消える

残った素イデアルが局所化した環の Spec になる

とするとき、 の素イデアルに対応しないのはどれですか。

__RESULT__

なので と交わります。拡大すると を含んでしまい、環全体になる。 と交わらないので、そのまま の素イデアルに移ります。

とするとき、 の飽和 はどれですか。

__RESULT__

となる があるかを見ます。 なら で条件を満たすため、 が拾われる。 から の冪をすべて落とした が飽和です。

と交わるかどうか。素イデアルが残るか消えるかは、この一点だけで決まります。

$\mathbb{Z}$ の素イデアルは無限にありますが、$(5)$ で局所化した $\mathbb{Z}_{(5)}$ に残るのは $(0)$ と $(5)$ の 2 つだけです。残るか消えるかは、分母に許した $S$ と交わるかどうかだけで決まる。$S$ と交わる素イデアルは、拡大すると $1$ を含んで環全体になります。素イデアル以外では往復が戻らず、$(6)$ を $\mathbb{Z}[1/2]$ へ移して引き戻すと $(3)$ に太る。この飽和が素イデアルでは起きないことが、対応の正体です。包含も保たれるので、$\dim R_\mathfrak{p}$ が $\mathfrak{p}$ の高さと一致する。