Krull 次元(素イデアルの鎖の長さで環の大きさを測る)
Krull 次元は、素イデアルを何段積み上げられるかで環の大きさを測ります。
真の包含で伸びる鎖を書き、その長さの上限をとる。それだけの定義です[1]。
長さは項の個数ではなく、包含の記号の本数を数えます。 段の鎖なら長さ 。
以下では体・整数環・多項式環と順に計算し、幾何の次元と一致する理由を見ます。落ちる量を支配する標高定理まで進み、直観が破れる例も並べる。
長さの数え方
数え方をまず固定します。 という鎖は、素イデアルが 2 つで長さ です。
体では真の素イデアルが しかないので、鎖は の 1 項で終わります。長さ なので 。
上限が存在しなければ とします。ネーター環でもこれが起きる例があとで出てきます[1]。
高さと余次元
鎖を素イデアル 1 つで区切ると、上下 2 つの量に分かれます。
素イデアル の高さとは、 で終わる鎖の長さの上限です。 より下に何段あるかを数えています。
局所環では、極大イデアルの高さがそのまま次元です。 になります。
幾何では高さを余次元と呼びます。周りの空間に対して、どれだけ細いかを表す量です。
例: 整数環と 1 変数多項式環
の素イデアルは と です。鎖は で長さ 、これ以上は伸びません。
は極大イデアルなので、上に真の素イデアルがないためです。したがって 。
体 上の も同じ形です。素イデアルは と既約多項式が生成するものだけで、後者は極大です。
やはり長さ で止まります。単項イデアル整域が体でなければ次元 になる、と一般に言えます[1]。
例: 多変数多項式環
の次元は です[1]。鎖を実際に書き下せます。
各段でイデアルが真に大きくなり、どの段も素イデアルです。剰余環が という整域になるためです。
長さは なので が出ます。逆向きの不等号は、次に見る超越次数の議論で示せます。
変数の本数が次元になる。いちばん覚えやすい例です。
鎖を階段として見る
いま書いた鎖を絵にしておきます。

イデアルが増えると図形は減ります。 は平面 、 は直線、 は原点です。
包含の向きが逆になっている点が要です。素イデアルの鎖は、図形の側では小さくなる鎖に対応します。
幾何の次元と一致する
いまの対応を定理として書きます。アフィン多様体 の座標環を とすると、次の 4 つが一致します[4]。
1 つ目と 2 つ目が対応するのは、既約閉集合と素イデアルが 1 対 1 に対応するからです。閉集合が小さくなるほどイデアルは大きくなる。
3 つ目は計算に効きます。 の商体は で、超越次数は です。だから次元も になります。
4 つ目は滑らかな点でだけ成り立ちます。特異点では接空間のほうが大きくなるので、次元の定義には使えません。
図形の鎖をたどる
平面の中の鎖を、実際に動かして見ましょう。
平面、その中の曲線、その上の点。3 つの既約閉集合が真に縮む鎖をなしています。
段数は 3 つで、包含の記号は 2 本です。だから次元は になります。
対応する素イデアルの鎖は です。図形の鎖をそのまま裏返した形になっている。
標高定理
次元がどれだけ落ちるかを支配する定理があります。クルルの標高定理です[1]。
ネーター環において、素イデアル の高さが 以下であることと、 個の元で生成されるイデアルの上に が極小であることが同値になります。
の場合を主イデアル定理といいます。 本の式で切ると、次元は しか落ちない。
不等号が等号になるのは、 が零因子でも単元でもないときです。切る式が新しい条件を課している場合、と読めます。
例: 式で切って次元を落とす
は 次元です。 で切りましょう。
となり、次元は です。ちょうど 落ちました。
もう 1 本切ります。 を加えると になり、次元は です。式を 1 本足すたびに 1 ずつ落ちている。
余次元 の部分多様体を 本の式で切れるとき、完全交叉といいます。標高定理は、 本より少ない本数では切れないことを保証しています。
例: 落ちない場合
いつでも落ちるわけではありません。 を考えます。
は 直線の和に対応し、次元は です。ここで で割ると になります。
次元は のまま落ちていません。 が の中で零因子だからです。 軸の成分をまるごと残してしまいます。
零因子で切ると、成分を選び出すだけで細くならない。標高定理の不等号が等号になる条件は、ここで効きます。
変数を 1 本足すと 1 増える
多項式環との関係も定理になっています。 がネーター環なら次が成り立ちます[1]。
とすると です。 という鎖が実際に書けます。
が「算術的な曲面」と呼ばれるのは、この 次元性によります。
べき級数環でも同じ形が成り立ちます。 です[2]。
ネーター性を外すと崩れます。一般の環では が より大きくなることがある。
例: 次元 0 の環
とは、すべての素イデアルが極大だということです。鎖が伸びる余地がありません。
体はこの形です。 や も 次元になります。
ネーター環では、 次元であることとアルティン環であることが同値です。降鎖条件が入るぶん、構造がかなり限られます。
局所環で言い直すと、極大イデアルの元がすべて冪零であることと 次元であることが同値になります[1]。
例: 局所環の次元
局所化は次元を落とします。 となるためです。
、 とすると、 は 次元です。 より下しか残らないからです。
でとれば は 次元になります。局所化する場所で答えが変わる。
離散付値環はこの形の代表です。 次元の局所整域のうち、整閉なものが離散付値環になります[3]。
例: 無限次元のネーター環
直観が破れる例も挙げておきます。永田はネーターで Krull 次元が無限大の環を構成しました[1]。
ネーター環では、どの素イデアルも高さが有限です。それでも高さに上限がなければ、全体の次元は無限になります。
高さが と際限なく上がる素イデアルを並べて作ります。有限性が各点でしか効いていない、という例です。
有限型代数に限れば、こういうことは起きません。体上有限生成なら次元は超越次数と等しく、有限です[1]。
例: 成分ごとに次元が違う図形
既約でない図形では、成分ごとに次元が違うことがあります。
の中で、平面 と 軸の和を考えましょう。イデアルは です。
平面の成分は 次元、直線の成分は 次元です。鎖の長さの上限をとるので、全体の次元は になります。
次元は最大値です。すべての成分がその値をもつとは限りません。成分の次元がそろっている場合を等次元といいます。
局所的に見ると差が出ます。原点を通る局所環は 次元ですが、 軸の上で原点以外の点をとれば 次元です。
例: 有限な拡大では次元が変わらない
を考えます。右辺は について整な拡大です。
右辺は に同型なので次元は です。左辺も なので変わっていません。
超越次数で見ると当たり前になります。 という代数的な関係があるので、商体の超越次数は増えません[4]。
一般に、整な拡大では次元が保たれます。有限射で図形を写しても、次元は動かない。
では次元が から へ上がります。 が 上代数的でないためです。整であるかどうかが分かれ目になります。
例: 積をとると次元は足し算になる
と の積は です。次元は になります。
座標環はテンソル積で、 です。
超越次数で見ると、 本と 本の独立な元を合わせて 本になります[4]。だから次元も足し算です。
体上の既約多様体どうしなら、この足し算はいつでも成り立ちます。曲線と曲線の積は曲面になる。
いくつかの環の次元
数を並べて見ておきます。
と が同じ なのは偶然ではありません。どちらも単項イデアル整域で、体ではないからです。
と が同じ になるところに、整数と多項式の似方が出ています。
練習
の Krull 次元はいくつですか。
- 1
- 2
- 3
- 無限大
消去できる形かどうかを最初に見ると、計算がとても軽くなります。
よくある誤り
つまずきやすい点を並べます。
定義に戻れば、どれも短く決着します。鎖を 1 本書いてみるのがいちばん早い。












z−xy は z について 1 次なので、z を消去できます。A≅k[x,y] となり、次元は 2 です。標高定理の言葉では、3 次元の環を零因子でない 1 本の式で切ったので、ちょうど 1 だけ落ちたことになります。