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。
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。 は 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 が 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。
で 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。 は 次元、 は 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 が 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 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。
と はどちらも整域で、 と 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 で になります。 は 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。 は 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。 で 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
体 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 と をみたす をとります。 が 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、 は 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、 を 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、 の 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。 は に入るため、 となる がとれる。
が の極小素因子で だから、。 も の外にあるため となり、 も に入ります。
が 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 は で 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 が 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 は 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。 が 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。 を へ引き戻すと、 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。 で をとります。
は整域なので、 は素イデアル。 は について 1 次で と 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 が 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。 は 次の斉次式なので は次数付き整域で、 と はどちらも 次です。
と書けたとします。 と 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。 が 次の斉次式であることから、 と は斉次で次数の和が になる。
なら は 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 の 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、 は 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。
と 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 と 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 は 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
ネーター環 で、素イデアル が 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
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。












(x,y) は z 軸に対応する極小素イデアルです。A/(x,y)≅k[z] が 1 次元なので、この上の鎖は (x,y)⊊(x,y,z) の 1 段で終わります。環全体の次元は平面の側が与える 2 ですが、この極大鎖の長さは 1 です。