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方程式を 1 本足すと次元は「1 だけ」下がるのか

方程式を 1 本足すと、次元は 1 だけ落ちる。この期待は半分正しく、半分外れます。

落ちる量は のどちらかで、 以上落ちることはありません。上からはこう縛られています[2]

ところが しか落ちない場合があります。切った式が新しい条件になっていないときです。

以下では落ちる場合と落ちない場合を並べ、きちんと落ちる条件を正則列という言葉でつかまえます。

標高定理が上限を与える

ネーター環 と元 をとります。 の上に極小な素イデアルは、高さが 以下です[2]

これをクルルの主イデアル定理といいます。標高定理の の場合にあたります。

幾何の言葉では、 本の式で切った図形の各成分は、余次元が 以下だということです。

したがって が成り立ちます。 以上は落ちません。

上限の側は です。商をとると素イデアルが減るためです。

落ちるか落ちないかを分けるもの

が単元なら で、これは例外です。空集合を切り出したことになります。

が零因子でも単元でもなければ、次元はちょうど 落ちます。 が体上有限生成な整域なら、この形になります[3]

が零因子なら落ちないことがあります。ある成分をまるごと残してしまうためです。

なら で、まったく落ちません。何も課していないので当然です。

分かれ目は零因子かどうか。この 1 点に集約されます。

例: きちんと落ちる

次元です。 で切りましょう。

で次元は 、ちょうど 落ちています。 は整域 の中で でないので零因子ではありません。

もう 1 本足します。 を加えると になり、次元は です。

3 本目に を足すと になり、次元は 本の式で 段落としました。

整域の中では、 でない元はすべて非零因子です。だから 本ごとにきちんと落ちます。

例: 落ちない

を考えます。図形は 軸と 軸の和で、次元は です。

で切りましょう。 になります。

次元は のままです。 の中で零因子で、 が成り立ちます。

図形の側で見ると、 という条件は 軸をそのまま残します。細くなっていません。

零因子で切ると、成分を選び出すだけで終わる。これが落ちない仕組みです。

切るたびに細くなる

うまく切れる場合を絵にします。

左から順に、空間・立体・曲面・点と細くなっています。式を 1 本ずつ足した結果です。

どの段でも、足した式が前の段の環で零因子になっていません。だからきちんと落ちます。

正則列

いまの条件に名前を付けます[1]

が正則列であるとは、次の 2 つが成り立つことです。

の非零因子で、 の非零因子である。
でない。

正則列なら次元はちょうど 落ちます。各段で 1 ずつ落ちるためです。

をとると正則列です。 の中で は非零因子、その先も同様になります。

順番に条件を確かめる形になっている点が要です。 だけを見ても判定できません。

順序を変えると崩れる

正則列は、並べ替えると正則でなくなることがあります[1]

をとると正則列になります。

順序を変えて とすると正則列ではありません。2 番目の段で零因子が現れます。

の中で、 を掛けて になる元があるためです。図形が 2 つの成分に割れ、片方が丸ごと残ります。

ネーター局所環で、 がすべて極大イデアルに入っていれば、並べ替えても正則列のままです[1]。局所化しておけば順序を気にせずに済みます。

1 本ずつ切る

切っていく手順を動かします。

球面から始めて で切ると円、さらに を足すと 2 点になります。

本ごとに次元が ずつ落ちています。 が正則列になっているためです。

最後に残るのが点で、次元は です。もう 1 本足すと空になり、そこから先は落としようがありません。

完全交叉

余次元 の図形が、ちょうど 本の式で書けるとき完全交叉といいます。

正則列で定義される図形は完全交叉です。上の球面と平面の例がそれにあたります。

本より少ない本数では書けません。標高定理から、余次元が本数以下に押さえられるためです[2]

逆に、 本では足りない図形もあります。ねじれ 3 次曲線が有名な例です。

の中の余次元 の曲線ですが、定義イデアルの生成に 本の 2 次式が要ります。 本では生成しきれません。

深さとコーエン・マコーレー環

正則列の長さにも名前があります[1]

イデアル に含まれる正則列の長さの上限を、深さといいます。 と書く。

いつでも が成り立ちます。等号が成り立つ環をコーエン・マコーレー環といいます[1]

コーエン・マコーレーなら、次元のぶんだけ正則列がとれます。切りたいだけ切れる、という状態です。

正則局所環はコーエン・マコーレーです。正則パラメータ系がそのまま正則列になります。

例: 冪零元で切る

零因子のうち、冪零なものは特別な振る舞いをします。

で割りましょう。 です。

なので、台は 軸です。次元は で、 落ちています。

で割っても次元は です。冪零元は素イデアルにすべて含まれるので、次元には効きません[2]

図形としては同じでも、環としては違います。 には という元があり、直線を「太らせた」形になっている。

次元だけを見ていると、この違いは見えません。

練習

の次元は です。 で割ると はいくつになりますか。

  • 0
  • 1
  • 2
  • 3
__RESULT__

で、次元は のままです。 の中で零因子で、 が成り立ちます。図形の側では、 が定める 2 枚の平面のうち の側をそのまま残しただけになります。細くなっていません。

零因子かどうかを先に確かめる。この 1 手で結果が読めます。

よくある誤り

まとめます。

式を 本足せば次元が 落ちると思う。正則列でなければ落ちない段がある。
次元が 以上落ちることがあると思う。標高定理から 本につき までである。
正則列の順序を気にしない。局所環でなければ並べ替えで崩れることがある。
余次元 の図形がいつでも 本で書けると思う。ねじれ 3 次曲線が反例になる。
冪零元で切ると次元が変わらないと思う。根基が小さくなれば落ちる。
深さと次元をいつでも等しいと思う。等しい環をコーエン・マコーレーと呼んで区別する。

切る式が前の段で零因子かどうか。確かめる場所はここ 1 か所です。

参考文献

Regular sequence, Wikipedia (English).
Krull dimension, Wikipedia (English).
Catenary ring, Wikipedia (English).
Dimension of an algebraic variety, Wikipedia (English).
Noether normalization lemma, Wikipedia (English).
落ちる量は 0 か 1 のどちらかで、2 以上落ちることはありません。標高定理が上限を与え、下限を決めるのが零因子かどうかという条件です。きちんと落ちる例と、零因子で切って落ちない例を並べ、正則列という言葉で条件をつかまえます。$\mathbb{C}[x,y,z]$ では並べ替えると正則列でなくなる例もある。完全交叉、ねじれ 3 次曲線が 2 本では書けないこと、深さとコーエン・マコーレー環まで扱います。