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English

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 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

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]

の既約部分多様体の鎖の最大の長さ。
座標環 の Krull 次元。
関数体の 上の超越次数。
滑らかな点での接空間の次元。

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

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。

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。 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 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。 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、 次元です。 より下しか残らないからです。

でとれば 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 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。 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

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。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Z k[x] k[x,y] Z[x] k[x,y,z] 0 1 1 2 2 3 環ごとの次元

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。

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
__RESULT__

について 1 次なので、 を消去できます。 となり、次元は です。標高定理の言葉では、 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。

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。

鎖の長さを素イデアルの個数だと思う。数えるのは包含の記号の本数である。
イデアルが大きいほど図形も大きいと思う。対応は向きが逆になる。
式を 1 本足せば必ず次元が 1 落ちると思う。零因子で切ると落ちない。
ネーター環なら次元が有限だと思う。永田の例が反例になる。
接空間の次元をそのまま次元だと思う。特異点では接空間のほうが大きい。
局所化しても次元が変わらないと思う。高さのぶんまで落ちる。

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。

参考文献

Krull dimension, Wikipedia (English).
Krulldimension, Wikipedia (Deutsch).
Anneau de valuation discrète, Wikipédia (français).
Dimension of an algebraic variety, Wikipedia (English).
Regular local ring, Wikipedia (English).
素イデアルを何段積み上げられるか、その上限が Krull 次元です。数えるのは項の個数ではなく包含の記号の本数。体・整数環・多項式環で鎖を実際に書き下し、既約閉集合の鎖・関数体の超越次数・滑らかな点の接空間の次元と一致することを確かめます。標高定理から、1 本の式で切っても次元は 1 しか落ちない。零因子で切ると落ちない例、成分ごとに次元が違う図形、ネーターなのに次元が無限になる永田の例まで並べます。