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環のテンソル積はなぜ零因子を生じるのか?普遍性とファイバー積

を の上で とテンソルすると、体ではなく つの の積になります。

体を つ持ってきても、できあがる環に零因子が入る。テンソル積は積を並べるだけの操作ではありません。

加群のテンソル積を思い出す

を可換環、 と を 加群とします。テンソル積 は、双線型写像を線型写像に直す場所として決まります[1]。

双線型写像 があれば、線型写像 がただ つとれる。

を満たすものが、その です。

この条件だけで は同型を除いて決まります[2]。存在のほうは、 の自由加群を双線型性の関係式で割って組み立てる[2]。

環のテンソル積

と を 代数とします。加群としてのテンソル積 に、成分ごとの積を入れる。

この式だけでは定義になりません。 の書き方が 通りではないため、代表元によらないことを確かめる必要がある。

変数の写像 が各成分について線型だから、普遍性を 回使えば積が の上の写像として決まります[3]。

単位元は 。、 で 代数になる。

普遍性で言い直す

は、 代数の圏での余積です[5]。 と の両方から への準同型の組が、 から への準同型 つと対応します。

対応は、 と の組に を返す形です。像が の中で交わっても構造は決まる。

生成元と関係式で計算する

多項式環の商どうしなら、変数をまとめて関係式を足すだけで計算できる。

右辺の と は の中で生成したイデアルです。変数を並べ、両方の関係式を課す形。

なら 。テンソル積が変数を増やす操作になる。

この式が、以下の計算のほとんどを引き受けます。

例:

と書いて、上の式に入れる。片側は係数の側へ移す。

の中では が と分かれる。 と は互いに素なイデアルだから、中国剰余定理が使える。

を つ並べた環になりました。 と の積が で、零因子が生まれている。

もとの つはどちらも体でした。テンソル積は体を体へ写しません。

例: と

を計算します。 と見て、剰余の式を当てる。

と が互いに素なら で、テンソル積は です。。

でない加群を つ持ってきても、テンソル積が になることがある。

剰余と局所化はテンソル積で書ける

イデアルで割る操作も、分母を入れる操作も、テンソル積の形になります[1]。

剰余

。 の側で割ると、 の側でも が生成するイデアルで割れる。

局所化

。 の側で分母を入れると、 の側にも同じ分母が入る。

は になります。 を と書き直せて、右側が だから。

分母を入れる側と、割る側がぶつかると何も残りません。

右完全だが左は崩れる

とのテンソル積は右完全関手です[2]。完全列 に当てると、次も完全になる。

左端の単射性は残りません。 に をかけると、 が零写像に変わる。

もとの写像は単射でしたが、テンソルしたあとは単射ではありません。このずれを測るのが です。

ではファイバー積

環の側の余積は、空間の側では引き戻しになります[4]。

で 、 が座標環なら、 が 点だから、普通の直積になります。 が、直線 直線 平面にあたる。

のほうは、 点の上に 点が つ乗った形。 上の 点を へ広げると 点に分かれる、という事情が零因子として現れている。

保たれない性質

テンソル積を通すと落ちる性質があります。整域どうしでも整域とは限らないことは、 で見たとおり。

被約でもなくなる。標数 の体 と をとる。

で、 の中では です。

の類が冪零元になる。分離的でない拡大では、こういう形が現れる。

ネーター性も保たれません[3]。 とすると、 の中で次のイデアルが真に増え続けます。

ここで 、。 は体でネーター環ですが、 つのテンソル積は昇鎖条件を満たさない。

はどれと同型ですか。

__RESULT__

で、 です。 になるのは直積のほうの大きさで、テンソル積は最大公約数までしか残しません。 になるのは互いに素なとき。

に をテンソルすると、どうなりますか。

  • 単射のまま残る
  • 零写像になり、単射が崩れる
  • 全射になる
__RESULT__

で、 は の上で零写像です。テンソル積は右完全なので右端の全射性は残りますが、左端の単射性は保証されません。このずれを測る道具が になります。

と の両方から へ向かう準同型を 本にまとめる場所、それが です。空間の側では引き戻しにあたり、点が割れたり潰れたりする分だけ、環の側に零因子や冪零元が現れます。

参考

Andreas Gathmann, *Commutative Algebra*, RPTU Kaiserslautern-Landau.
Nicolas Perrin, *Algèbre commutative*, Université de Versailles Saint-Quentin.
Wolfgang Soergel, *Kommutative Algebra und Geometrie*, Universität Freiburg.
Stacks Project, Lemma 26.6.7(タグ 01HX).
Romyar Sharifi, *Homological Algebra*, UCLA.
$\mathbb{C} \otimes_{\mathbb{R}} \mathbb{C}$ は体ではなく $\mathbb{C} \times \mathbb{C}$ で、零因子を持ちます。$A \otimes_R B$ は $R$ 代数の圏での余積で、$A$ と $B$ から $C$ への準同型の組が $1$ 本にまとまる場所。$R[x]/I \otimes_R R[y]/J \cong R[x, y]/(I + J)$ を使えば、$\mathbb{Z}/m \otimes \mathbb{Z}/n \cong \mathbb{Z}/\gcd(m, n)$ も手で計算できる。$\mathrm{Spec}$ の側ではファイバー積になり、点が割れることと零因子が生まれることが同じ話です。右完全だが左が崩れること、整域も被約もネーターも保たれないことまで。