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デデキント整域の 3 条件、元が壊れてもイデアルは一通り

元の段階では と 通りに分かれます。イデアルの段階へ上げると分解は 通りに戻る。

この復活を保証する条件は、たった つの言葉で書けます。デデキント整域の定義です[1]。

条件は 3 つだけ

整域 がデデキント整域であるとは、次の つを満たすこと[1][3]。

整閉である。商体の中で 上整な元は、すべて に属する。
ネーター環である。どのイデアルも有限個の元で生成される。
でない素イデアルがすべて極大である。

番目は、素イデアルの階層が 段しかないという意味です。クルル次元が と言いかえられます[2]。

外れる例を見ると条件の役割が分かります。 は整閉でネーターですが、 番目で落ちる[1]。 は でない素イデアルなのに、 に真に含まれるので極大ではありません。

の素イデアル

の 段。 の上には しかない

の素イデアル

の 段。途中に素イデアルが挟まる

段が つあると、分解の「一番下」が定まりません。素イデアルを掛け合わせて表す、という枠組みが崩れます。

整数環はいつでも満たす

数体 の整数環 は、 つとも満たします[3]。確かめ方はどれも短い。

整閉であることは定義そのものです。 は の中の代数的整数全体なので、 の中に整な元が残ることはありません。

ネーターであることは、 が 加群として階数 の自由加群になることから出ます。イデアルはその部分加群なので、生成元は 個以下。

番目は剰余環を見ます。 が素イデアルなら は整域で、しかも有限個の元しか持ちません。有限整域は体なので、 は極大です[3]。

有限整域が体になるのは、 に対して掛け算が単射になるためです。

有限集合では単射なら全射なので、 となる が必ず見つかる。

含むことは割ること

デデキント整域でいちばん働く定理がこれです。 でないイデアル について、 と が同値になります[1]。

割り切るとは、 となるイデアル があること。 とおけば、これが のイデアルになっていて、 です[1]。

大きいイデアルほど小さい数を割る、という向きが逆さまに感じられます。 で考えると納得できる。 で、実際 です。

この同値のおかげで、包含関係の計算がそのまま整除の計算になります。集合として大きいかどうかを見れば、割り切るかどうかが分かる。

分数イデアルが群をなす

逆元を作るには、 の外へ出る必要があります。 の部分 加群 で、ある について となるものを分数イデアルと呼びます[1]。

で言えば や が分数イデアルです[1]。分母を払えば通常のイデアルに戻る。

でない分数イデアルの全体は、掛け算について群になります。これがデデキント整域の特徴づけの つで、逆に分数イデアルが群をなす整域はデデキント整域です[2]。

分解は一意に決まる

道具が揃うと定理が出ます。 の でない真のイデアルは、 でない素イデアルの積として一意に表される[1]。

順序を除いて一意です。元の分解が何通りあっても、イデアルの分解は 通りに定まります。

上の 通りは、下の つの素イデアルを と で束ねるか、 と で束ねるかの違いです。

例:小さい素数を分けてみる

で、有理素数がどう分かれるかを実際に計算します。判別式が なので、分岐するのは と だけ。

。分岐する
。 つに分かれる
。分岐する
。 つに分かれる
分かれない。 のまま素イデアル

の場合を検算します。 なので、 は を割る素イデアルに入っている。 なら が同じ役をします。

が分かれない理由は平方剰余です。 で、 を法とする平方数は の 個。 は入っていません。

最大公約数は和、最小公倍数は共通部分

分解が一意になると、整数と同じ言葉づかいが戻ってきます。、 と書いたとき、次が成り立つ[1]。

指数はそれぞれ と です。 なので も出ます[1]。

整数で が成り立つのと同じ形。失われていた最大公約数が、イデアルの言葉では和として書けるようになっています。

もう つ実用的な事実があります。 のどのイデアルも高々 個の元で生成でき、 つ目は でない元を自由に選んでよい[1]。

数論の外にもいる

デデキント整域は整数論だけの概念ではありません。 を体、 を既約とし、 と偏導関数 、 が 全体を生成するとします。このとき がデデキント整域になる[3]。

幾何の言葉なら、特異点を持たないアフィン代数曲線の座標環です[3]。

が具体例で、一意分解は成り立ちません[3]。 と 通りに分かれ、 と には最大公約数がない。

円周という素朴な図形の上で、 と同じことが起きています。デデキント整域という条件が、数論と幾何の両方を同時に説明している。

がデデキント整域でない理由はどれですか。

  • ネーター環でないため
  • が でない素イデアルなのに極大でないため
  • 整閉でないため
__RESULT__

はヒルベルトの基底定理からネーター環で、 が整閉なので も整閉です。 となるため、 番目の条件だけが破れています。

一意分解を捨てるかわりに、対象を元からイデアルへ移す。この置き換え 1 回で、整除も最大公約数も素因数分解も、そのままの形で使えるようになります。

参考

Keith Conrad, *Ideal factorization*, University of Connecticut
Dedekind ring - Encyclopedia of Mathematics
B Edixhoven, L Moret-Bailly, *Théorie algébrique des nombres*, Université de Rennes 1
整閉であること、ネーター環であること、$0$ でない素イデアルが極大であること。この 3 つを満たす整域では、$0$ でないイデアルが素イデアルの積に一意に分かれます。$\mathbb{Z}[X]$ は $(X) \subsetneq (2, X)$ となるので 3 番目だけで落ちる。整数環が 3 条件を満たす確認、$\mathfrak{a} \supset \mathfrak{b}$ と $\mathfrak{a} \mid \mathfrak{b}$ が同値になること、$\gcd$ が和で $\mathrm{lcm}$ が共通部分になることまで。$\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$ で $2, 3, 5, 7, 11$ を実際に分け、円周の座標環 $\mathbb{R}[X,Y]/(X^2+Y^2-1)$ でも同じことが起きる話も。