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整な元が外へ逃げない整域 - 整閉整域と正規性の判定

を見ます。分数体は で、その中の の根です。係数の に入っています。

それでも 自身は に入りません。整な元が環の外に残っている。この状態を整閉でないといいます[2]

整閉整域とは

整域 が整閉であるとは、分数体 の元で 上整なものがすべて に属することです[1]

係数のモニック多項式の根で に入るものは、はじめから の元だった。外へはみ出す部分がない、という条件になります。

正規整域という呼び方もします[2]。幾何では正規多様体に対応する言葉です。

UFD は整閉

いちばん使う十分条件がこれです[2]。証明は既約分数の議論で終わります。

を既約分数とし、 上整とします。

を掛けると 。第 2 項から先はすべて で割れます。

だから が互いに素なので は単元で、 です[1]

一意分解が効いているのは、互いに素という言い方ができるところ。、正則局所環はすべて整閉になります[2]

体はつねに整閉。分数体が自分自身なので条件が自明になる。
は整閉。既約分数の分母が単元に限られる。
UFD は整閉。上の議論がそのまま通る。
正則局所環は UFD なので整閉。

反例を 2 つ

が最初の例です。冒頭で見たとおり がはみ出します。

幾何ではカスプにあたります。 の原点で尖った曲線の座標環です。整閉包をとると になり、尖りが消えます。

2 つ目は です。 の根になります。

この元は に入りますが には入りません。整閉包は です。

のときにこの現象が起きます。 のほうは なので、これ自身が整数環で整閉。

整閉包

上整である の元をすべて集めたものを、 の整閉包 といいます。

これは環になります。整な元どうしの和と積が、また整になるためです。 自身は整閉整域。

代数体の整数環がこの形です。 における整閉包が、その体の整数環になります。

なら 、それ以外なら です。

幾何では正規化と呼びます。カスプを直線に直す操作が、整閉包をとる操作にあたる。

整閉性は局所的

が整閉であることは、局所化で確かめられます[1]

が整閉なら、どの素イデアル でも が整閉。
逆に、すべての極大イデアルで が整閉なら も整閉。
乗法的集合 について、 が整閉なら も整閉。

点ごとに調べれば足ります[2]。大域の条件を局所の条件に落とせる、という性質です。

次元 1 なら離散付値環と同じこと

を次元 のネーター局所整域とします。次が同値です[1]

が整閉である。
が単項イデアルである。
でないイデアルがすべて の形に一意に書ける。

3 つ目まで来ると、離散付値環そのものです。次元 では整閉性が単項性に化ける。

デデキント整域を素イデアルで局所化すると、この状況になります。だから局所化はつねに単項イデアル整域です[1]

デデキント整域の定義も、この線で書けます。ネーターで、次元が高々 で、整閉であること[4]

次元 1

整閉であることが、極大イデアルの単項性と同じ意味になる

次元 2 以上

単項性までは言えない。整閉でも単項イデアル整域とは限らない

Serre の判定条件

ネーター環が正規であることは、2 つの条件に分かれます[3]

高さ の素イデアル で、 が正則局所環になる。
どの素イデアル でも、 が成り立つ。

この 2 つを満たすことと正規であることが同値です[3] が余次元 での滑らかさ、 が深さの条件。

言いかえると、特異点が余次元 以上にしか現れず、しかも低い次元で切れていない。正規性の意味がここに出ます。

カスプは余次元 の特異点なので が破れます。だから整閉になりません。

Going-down が使える

整閉性は素イデアルの動き方にも効きます。 を整域の整拡大とし、 が整閉とします[2]

このとき Going-down が成り立ちます。 の素イデアルの列を、 側の列に合わせて下へ延ばせる[2]

幾何では、写像が開になることに対応します。整閉性がないと、下へ降りる道が塞がることがある。

Going-up は整拡大というだけで成り立ちますが、Going-down には整閉性が要る

上へ延ばすのと下へ延ばすので条件が違います。整閉性は下向きの自由さを保証します。

ノードも整閉でない

を見ます。原点で自分自身と交わる曲線です。

が分数体に入ります。曲線の式から なので、 上整。

ところが です。だから整閉ではありません。整閉包は になります。

正規化すると交点がほどけて、2 回通っていた点が別々の点に分かれます。

は整閉整域ですか。

  • 整閉である
  • 整閉でない
  • 整域ではない
__RESULT__

なので、 の整数環は です。 の根で、 の外にあります。

まちがえやすい点

整閉であることを UFD と同じ条件だと思う。 は整閉ですが UFD ではありません。
がつねに整数環だと考える。 では小さすぎます。
整閉性を大域でしか調べられないと思う。極大イデアルごとに確かめられます。
を高さ 以上だけの条件と読む。すべての素イデアルで と比べます。
Going-down が整拡大だけで出ると考える。整閉性が要ります。

はみ出した元を拾って環に戻す。それが整閉包で、幾何では尖りや交わりをほどく操作になります。

参考文献

Damian Rössler. *Commutative Algebra*, §12. University of Oxford.
Wolfgang Soergel. *Kommutative Algebra und Geometrie*, §5.7–5.9. Universität Freiburg.
Serre's criterion for normality, Lemma 10.157.4. The Stacks Project.
Andrew V. Sutherland. *Number Theory I, Lecture 3*, Theorem 3.30. Massachusetts Institute of Technology.
$k[t^2, t^3]$ の分数体には $t$ がいます。$X^2 - t^2 = 0$ の根なのに環の外。これが整閉でないということです。UFD が整閉になるのは既約分数の議論で片づき、$\mathbb{Z}[\sqrt{5}]$ が整閉でないのは $(1+\sqrt{5})/2$ が外にいるため。整閉性は極大イデアルごとに確かめられ、次元 $1$ では極大イデアルの単項性と一致します。Serre の $(R_1)$ と $(S_2)$、Going-down まで扱います。