商環をとると次元はどう変わるか|落ちる場合と落ちない場合
商環をとると、素イデアルの一部だけが生き残ります。
の素イデアルは、 を含む の素イデアルと 1 対 1 に対応します。 を含まないものは、商へ移った時点で消える。
鎖を作る材料が減るので、次元は上がりません。どれだけ減るかが本題です。
以下では対応を確かめてから、落ちる量を左右する条件を並べます。落ちない例と、落ちすぎるように見える例まで扱う。
商環の素イデアル
を自然な全射とします。 の素イデアル に対して をとりましょう。
は の素イデアルで、 を含みます。逆に を含む素イデアル からは が作れます。
2 つの対応は互いに逆で、包含関係も保ちます。したがって次が成り立ちます。
鎖もそのまま対応します。 の鎖は、 を含む素イデアルだけからなる の鎖です。
材料が部分集合になったので が出ます。等号もありえます。
根基だけで決まる
次元を左右するのは そのものではなく、その根基です。
素イデアルは冪根に閉じています。 なら です。
したがって を含む素イデアルと を含む素イデアルは同じ集合になります[3]。
と を比べましょう。前者には で という冪零元がありますが、次元はどちらも です。
環としては違い、次元では差が出ない。冪零元は素イデアルに全部入るので、鎖に影響しません。
残る素イデアルを絞る
対応のようすを動かします。
が大きくなるほど、それを含む素イデアルは少なくなります。最後は で 1 つも残りません。
材料が減れば鎖も短くなる。ただし減り方は一定ではありません。
の段では、まだ長い鎖が残っています。どの素イデアルが消えたかで、落ち方が決まります。
素イデアルで割ると余高さになる
が素イデアル の場合は、量に名前が付いています。
を の余高さといいます。 から上へ伸びる鎖の長さです。
反対に は下へ伸びる鎖の長さでした。上と下を分けて数えています。
体上有限生成な整域では、この 2 つを足すと全体になります[2]。
、 で確かめましょう。 で 、高さは 、合わせて です。
例: 計算を 6 つ並べる
実際に手を動かします。
| に同型で次元 1 | |
| 根基が なので次元 1 | |
| 2 直線の和で次元 1 | |
| に同型で次元 0 | |
| 平面と直線の和で次元 2 | |
| 既約な曲線で次元 1 |
上から 3 つは、 次元の環を割って 次元にした例です。 本の式で 落ちています。
4 つ目は極大イデアルで割ったので になりました。 本の式で 落ちています。
5 つ目は 本の式で しか落ちていません。 と に という共通因子があるためです。
成分ごとに見る
落ち方が読みにくいときは、極小素イデアルへ分けます。
の極小素イデアルを とすると、 の既約成分がこれらに対応します。
次元は成分ごとの次元の最大値です。
なら で、極小素イデアルは と です。
が 次元、 が 次元なので、最大をとって になります。
成分の次元がそろっていないので、等次元ではありません。落ちる量が読みにくかったのは、この非対称のせいです。
対応を絵にする
と の関係を描きます。

は、 の閉部分集合 とそっくり同じ空間です。
環の側では冪零元の分だけ情報が増えます。図では帯の厚みが、その増えた分にあたります。
位相空間としては同じでも、環としては違う。この差が次元には効きません。
例: 落ちない場合と、消える場合
両端の例を確かめます。
が冪零元だけからなるなら、 なので次元は変わりません。 と は同じです。
なら は零環です。素イデアルが 1 つもないので、鎖が作れません。慣習として次元を とします。
が極小素イデアルの 1 つに等しいなら、その成分だけが残ります。 をさらに で割ると で、次元は のままです。
零因子で割ったときに落ちないのは、この形になっているためです。成分を選び出しただけで細くなっていません。
落ちる量の下限
上限は でした。下限のほうも押さえられます[1]。
が 個の元で生成されるなら、 が成り立ちます。標高定理から出る形です。
なら しか落ちません。 本なら までしか落ちない。
は で 以上、実際は です。下限に届いていません。
下限に届くのが完全交叉の場合です。正則列で生成されていれば、ちょうど 落ちます。
幾何の側から読む
商をとる操作は、閉部分スキームを切り出す操作です[4]。
が図形、 がその座標環になります。次元は図形の次元です。
イデアルを大きくするほど図形は小さくなります。包含が逆転する対応の、いちばん基本的な現れです[5]。
根基まで込みで考えると、図形は根基しか見ません。太さを見たいときは環の側へ下りる必要があります。
練習
を で割ったときの はいくつですか。
- 0
- 1
- 2
- 3
まず根基を求める。それだけで次元の計算はほとんど終わります。
よくある誤り
まとめます。
根基をとってから極小素イデアルに分ける。この 2 手で、たいていの計算は片づきます。










I=(x) です。x2∈I から x∈I が出て、xy もそこに入ります。したがって dimR/I=dimR/(x)=dimk[y,z]=2 です。生成元が 2 本あっても、根基が 1 本で書けるので落ちる量は 1 にとどまります。