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English

主イデアル定理と標高定理:素イデアルの鎖はどこで止まるか

素イデアルの鎖の長さは、段の数から 1 を引いた値です。

この鎖の長さは 、素イデアルの個数は 個になります[1]

数え方が決まっても、鎖のふるまいはそこから先です。両端をそろえた鎖の長さが一致するとは限らず、鎖に上限があること自体にも証明が必要になる。

鎖にまつわる 4 つの言葉

鎖を扱うときに使い分ける言葉を並べます。

長さ。包含の記号の本数で、素イデアルの個数から 1 引いた値。
飽和鎖。隣り合う 2 つのあいだに、真に挟まる素イデアルがない鎖。
極大鎖。両端も含めてこれ以上伸ばせない鎖。飽和で、下端が極小素イデアル、上端が極大イデアルになる。
高さ。 は、 で終わる鎖の長さの上限。

Krull 次元は、すべての鎖の長さの上限です[1]。極大鎖だけを見れば足りるため、両端は極小素イデアルと極大イデアルに限られる。

高さの反対にあたる量もあります。 から上へ伸びる鎖の長さで、余高さと呼ばれる。

局所化と剰余で鎖を切り出す

高さと余高さは、どちらも環をとりかえると次元そのものになります。ここは証明が短いため、先に済ませます。

で局所化します。素イデアル に残る条件は 、つまり

残ったものが元に戻ることを見ます。 とすると と書ける。分母を払うと となる がとれる。

だから です。 は素イデアルなので になる。よって

これで包含を保つ 1 対 1 対応が決まりました。 で終わる鎖と の鎖が対応するため、次の等式が成り立ちます[2]

剰余のほうは対応がもっと素直です。 の素イデアルは を含む素イデアルだけで、 が上向きの鎖の長さになる。

で確かめます。 次元、 次元で、足すと

一意分解整域なら高さ 1 は単項

高さ は、 のすぐ上の一段です。一意分解整域では、この段が単項イデアルに限られます[2]

を一意分解整域、 を高さ の素イデアルとします。 から でない がとれ、 より は単元ではない。

を素元に分解して と書きます。積が素イデアル に入るため、どれかの に入る。

は素元だから は素イデアルで、 から です。並べると素イデアルの鎖ができます。

だから、この鎖はこれ以上伸びない。よって となる。

例:平面の鎖を全部書く

の素イデアルを分類しましょう。 は代数閉体とします。

が唯一の極小素イデアルです。 が整域だから。

高さ は、いま示した通り単項です。 は一意分解整域で、既約多項式 による に限られる。

高さ の素イデアルは極大イデアル で、平面の点に対応します[5]

から出発する

既約多項式で高さ 1 へ上がる

点の極大イデアルで高さ 2 へ上がる

極大鎖はどれも長さ です。 の形しかない。

下端が 1 つ、上へ枝分かれしていく。どの経路も 2 段で上端に届く。

上端の点は無限にありますが、鎖の長さはどれも同じです。このそろい方が、次の例では崩れます。

極大鎖の長さがそろわない例

をとります。まず極小素イデアルを求めましょう。

主張は です。左辺が右辺に入ることは、 も両方のイデアルに属することから分かる。

逆を見ます。 とすると と書けて、 です。 は素イデアルで だから

と書けるため となり、 に入ります。これで等号が示せました。

はどちらも整域で、 は素イデアル。互いに含み合わないため、極小素イデアルはこの 2 つになる。

それぞれから極大イデアル まで伸ばします。

飽和であることを剰余環で確かめます。左の鎖を で見ると で、高さは 。段のあいだに何も挟めません。

右の鎖は になります。 次元で、こちらも挟めない。

上の鎖は長さ 、下の鎖は長さ です。どちらも極大鎖なのに長さが違う。

図形の側で見ると当たり前になります。 平面と 軸の和で、平面の中では点まで 2 段、直線の中では 1 段しか下りられません。

次元は上限をとるため です。極大鎖の長さがすべて次元に等しいとは限らない、という例になる。

カテナリー環

長さのそろい方には名前がついている。

を結ぶ飽和鎖がどれも同じ長さになるとき、環をカテナリーといいます[4]

さきほどの例はカテナリーです。長さが違ったのは両端が違う極小素イデアルにあるためで、同じ 2 点を結ぶ鎖どうしはそろっている。

飽和かどうかは、鎖として正しいかどうかとは別です。 をとると長さ の鎖になりますが、 を挟めるため飽和ではない。

刻めるところまで刻んだ鎖の長さが、2 点のあいだの本当の距離です。カテナリー性は、この距離が経路によらないことを言っている。

有限生成代数まですべてカテナリーになるとき、普遍カテナリーといいます[4]。体上有限生成な環や、コーエン・マコーレー環がこの仲間です。

鎖定理を証明する

上有限生成な整域 では、次の等式が成り立つ[2][3]

出発点は鎖定理です。 を商体の 上の超越次数とすると、 の極大鎖はどれも長さ になる[3]。ネーターの正規化定理で を多項式環上有限にし、下降定理で鎖を移して示します[5]

これを認めて等式を出しましょう。 から までの飽和鎖を 1 本とり、長さを とします。

から極大イデアルまでの飽和鎖のうち、長さが のものをとります。 の中でいちばん長い鎖は飽和で、上端が極大イデアルになるためです。

2 本を でつなぐと、 から極大イデアルまでの飽和鎖ができる。長さは で、下端は 、上端は極大イデアルだから極大鎖になる。

鎖定理より、この長さは に等しい。つまり が、飽和鎖の選び方によらず決まります。

の上限が だから、 です。移項すると等式になる。

永田の反例

カテナリーでも普遍カテナリーとは限りません。永田雅宜が 1956 年に反例を構成しました[4]

次元のネーター局所整域で、カテナリーだが普遍カテナリーでないものです。 の中に 上超越的なべき級数をとり、そこから作った半局所環の 2 つの極大イデアルを貼り合わせて得られます[4]

貼り合わせる 2 つの高さが違うところで、鎖の長さがそろわなくなる。

同じ永田は、ネーターで Krull 次元が無限になる環も構成しました[1]。どの素イデアルも高さは有限なのに、高さに上限がありません。

ネーター性は各点でしか効かない、という例です。全体を縛るには有限生成のような条件が別に必要になる。

主イデアル定理

鎖の長さを上から縛る定理に移ります。証明の中心はここです[2][3]

ネーター環 をみたす をとります。 の極小素因子なら 。これが主イデアル定理です。

背理法で示します。 とすると、 となる素イデアルがとれる。

まず で局所化します。さきほどの対応で鎖はそのまま残り、 の極小素因子のままです。次に で割ります。局所環であることも極小素因子であることも保たれる。

こうして をネーター局所整域、 の極小素因子、 としてよくなりました。

は唯一の極大イデアルで、しかも の極小素因子です。だから を含む素イデアルは だけで、 になります。ネーターかつ 次元なので は有限長で、降鎖条件が成り立つ[2]

ここで記号的べきを持ちこみます。

を、記号的べき といいます。

となる がある の全体。 準素で、 より大きくなりうる。

より、 の中に降鎖ができる。有限長のため止まり、ある で次が成り立つ[2]

をとって と書きます。 に入るため、 となる がとれる。

の極小素因子で だから、 の外にあるため となり、 に入ります。

に入るということは、 が次の形に書けるということです。

より右辺は に含まれる。 がネーターで が有限生成なため、中山の補題から

これを へ送ります。 が成り立つため、次の等式になる。

局所環 と有限生成加群 に中山をもう一度当てて、 を得ます。

すると に送られる元の全体になり、 が整域なので から です。

整域で なら だから となり、 に反します。これで背理法が閉じました。

標高定理へ広げる

個の元に広げたものが標高定理です。ネーター環で の極小素因子なら になります[2][3]

についての帰納で示します。 がいま証明した主イデアル定理です。

と仮定し、鎖 をとる。ここで が言えたとしましょう。

そのとき の中で の像が生成するイデアルの極小素因子になり、長さ の鎖が残ります。 個の元に対する帰納法の仮定に反する。

あとは を下の段まで押し下げる手順です。 に入って に入らないとします。

局所整域 を考え、 の極小素因子 をとる。主イデアル定理から です。 は高さ 以上なので、

より でもある。 へ引き戻すと、 のあいだにあって を含む素イデアルが手に入る[3]

これで を置き換えると、 を含む段が 1 つ下がります。繰り返せば にできて、帰納が回ります。

高さ 1 に戻る

主イデアル定理があると、高さ の話が両方向に伸びる。

まず逆向きの特徴づけです。ネーター整域で高さ の素イデアルがすべて単項なら、その環は一意分解整域になる[2]

素因数分解を持たない元があるとして、そういう のうち が極大なものをとります。 の極小素因子 は主イデアル定理より高さ 以下で、 から だから高さはちょうど

仮定より と書けます。 から となり、 が示せる。 の極大性から は素因数分解を持ちます。 は素元だから、 をかけた も分解を持つことになり矛盾する。

次に、単項でない高さ の例です。 をとります。

は整域なので、 は素イデアル。 について 1 次で に共通因子がないため既約で、 も整域になります。

高さを測ります。 では となるため、 を含む素イデアルは も含む。だから の唯一の極小素因子で、主イデアル定理より高さは 以下です。 とあわせて、ちょうど になる。

単項でないことを次数で見ます。 次の斉次式なので は次数付き整域で、 はどちらも 次です。

と書けたとします。 をみたす がとれる。

次数付き整域では、積の最低次の成分も最高次の成分も消えない。 次の斉次式であることから、 は斉次で次数の和が になる。

なら でない定数で となり、素イデアルであることに反する。 なら は定数で、 に同じ議論を当てると も定数になり、 が導けます。

ところが 次部分は を基底とする 次元空間です。 は成り立たず、 は単項ではありません。

例:算術の側の鎖

で鎖を書きます。ネーター環では となるため です[1]

は素数が生成する高さ の素イデアル、 は剰余体が の極大イデアル。

別の鎖もとれる。 で、 の中で既約。

どちらも長さ です。 は普遍カテナリーで、長さがそろいます[4]

例:短い鎖しか作れない環

鎖が伸びない例も見ておきます。

しか素イデアルがありません。鎖は 1 段で長さ 、次元は です。

離散付値環

の 2 つだけです。鎖は で長さ になります。

素イデアルは の像だけです。冪零元は素イデアルにすべて含まれるので、鎖は 1 段しかありません。

素イデアルは の 2 つで、どちらも極大です。包含関係にないので鎖は伸びず、次元は になります。

最後の例では素イデアルが 2 つあっても長さは です。個数ではなく包含の段数を数えている、という点がここで効く。

幾何の側から数え直す

鎖の言葉は、図形の言葉にそのまま翻訳できます[5]

素イデアルの鎖 には、既約閉集合の鎖 が対応する。

高さは余次元にあたる量です。 なら、 は周りの空間より 次元だけ細い。

余高さ 自身の次元です。さきほど証明した等式は、余次元と次元を足すと全体になる、と読めます。

において、極小素イデアル から極大イデアルまでの極大鎖の長さはいくつですか。

  • 0
  • 1
  • 2
  • 3
__RESULT__

軸に対応する極小素イデアルです。 次元なので、この上の鎖は の 1 段で終わります。環全体の次元は平面の側が与える ですが、この極大鎖の長さは です。

ネーター環 で、素イデアル 個の元で生成されるイデアルの極小素因子だとします。 について言えるのはどれですか。

  • ちょうど である
  • 以下である
  • 以上である
  • 何も言えない
__RESULT__

標高定理が与えるのは上からの縛りだけです。 は言えますが、等号になるとは限りません。たとえば 個の元がすべて同じ素イデアルの中に重なっていれば、高さはもっと小さくなります。

補足:標高定理の逆向き

上からの縛りには逆もあります。高さ の素イデアル は、 個の元で生成されるイデアルの極小素因子にとれる[3]

だから高さとは、 の中に何本の式を置けば がその極小素因子になるか、その最小の本数です。上からの縛りと下からの構成が、同じ数を挟み込んでいる。

系として、ネーター局所環の次元は極大イデアルの生成元の本数以下になる[3]。とくに有限です。

正則局所環の定義で使うのも、この向きの不等号でした。生成元の本数が鎖の長さを押さえている。

参考

Krull dimension, Wikipedia (English).
Markus P. Brodmann, *Kommutative Algebra*, Universität Zürich, 2009(3.28 Hauptideallemma・3.29 Höhensatz・10.2・13.24 Kettensatz)
*Dimension theory and systems of parameters. Krull's principal ideal theorem*, 講義資料, University of Haifa
The Stacks Project, Tag 02JE: カテナリーだが普遍カテナリーでないネーター局所環(永田の例)
J. S. Milne, *Algebraic Geometry*, version 6.10(2.45 ネーターの正規化定理、次元)
鎖の長さは素イデアルの個数から 1 を引いた値です。飽和鎖と極大鎖を分け、$k[x,y,z]/(xz,yz)$ では極大鎖の長さが 2 と 1 に割れることを確かめます。局所化と剰余で高さと余高さを切り出し、一意分解整域の高さ 1 が単項になることを示す。主イデアル定理は記号的べきと中山の補題で証明し、そこから標高定理を帰納で広げる。体上有限生成な整域で余次元と次元の和が全体になる理由、永田の反例、単項でない高さ 1 の例まで。