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アルティン環はなぜネーター環にもなるのか?

がアルティン環であるとは、イデアルの降鎖がどこかで止まることをいいます[1,3]

この形の列が、ある番号から先でずっと同じになる。ネーター環が昇鎖について要求する条件を、そのまま逆向きにした形です。

見た目は対称なのに、中身は対称ではありません。アルティン環はすべてネーター環になり、逆は成り立たない[1,2,3]

上りと下りは対称ではない

で試すと差が出ます。昇鎖 で止まる。

降鎖は止まりません。 といくらでも小さくなる[3]

を掛けるたびにイデアルは真に小さくなり、 には届かない。だから はネーター環でありながらアルティン環ではありません。

右では と、 段で に着く。着いてしまえばそれ以上は下がれない。

アルティンならネーター

左アルティン環は必ず左ネーター環になります[1,3]。ホプキンス・レヴィツキの定理と呼ぶ。

降鎖条件のほうが強い、という非対称がここに出る。逆は成り立たず、 が反例です[2]

証明の筋は、根基が冪零であることと、剰余加群がベクトル空間になることを組み合わせるものです。有限の長さを持つことから昇鎖条件も出る。

クルル次元 0 との同値

可換環では、きれいな言いかえがあります[1,2]

はアルティン環である。
はネーター環で、クルル次元が である。
は有限個のアルティン局所環の直積である。
が有限集合で、離散位相を持つ。

番目が扱いやすい形です。アルティン性は「ネーター性 + 次元 」に分解できる。

ネーター環のうち、素イデアルの鎖が 段も伸びないものだけがアルティン環になる。 は次元 なので外れます。

素イデアルはすべて極大

アルティン環では、素イデアルと極大イデアルが一致する[1]。次元 という条件を言いかえただけの形です。

を素イデアルとすると は整域で、しかもアルティン環になる。アルティン整域は体になるので、 は極大です。

アルティン整域が体になる理由も降鎖から出る。 について が止まるので 、整域なので となる。

裏返すと、素イデアルの鎖は 点で終わります。次元 という言い方と、素イデアルが全部極大だという言い方が、同じものを指している。

極大イデアルは有限個

アルティン環の極大イデアルは有限個しかありません[1,4]

証明は中国剰余定理を使う。相異なる極大イデアルを無限に並べると、それらの積が真に減りつづける降鎖を作ってしまう[4]

降鎖条件に反するので、極大イデアルは途中で尽きる。 が有限集合になるのはこのためです。

根基は冪零

ジャコブソン根基、つまりすべての極大イデアルの共通部分は、アルティン環では冪零になります[1]

極大イデアルが有限個なので、共通部分と積が同じ役割を果たす。冪零であることが、有限の長さにつながる。

局所環の場合はいっそう単純です。唯一の極大イデアル について となる がある[3]

逆にネーター局所環で が成り立てば、その環はアルティンです[3]

有限個の局所環に分かれる

可換アルティン環は、有限個のアルティン局所環の直積に分解します[1,2,3]

極大イデアルが有限個で互いに素なので、中国剰余定理がそのまま当たる。分解は同型を除いて一意です。

が有限で離散だという条件は、この分解と同じことを述べています[1]。点が離れて並んでいるので、環も因子に分かれる。

有限の長さを持つ

アルティン環は、自分自身を加群と見たとき有限の長さを持ちます[1]。組成列が有限で終わる、という意味です。

有限の長さは、昇鎖条件と降鎖条件を同時に与える。ここがアルティン性からネーター性が出る仕組みの中心にある。

なら長さは になる。素因数分解 の指数を足した数と一致します。

体上の有限次元代数がアルティンになるのも、同じ理由です[2]。次元が有限なら、部分空間の鎖が上にも下にも伸びません。

例: 体

体はいちばん単純なアルティン環です。イデアルが と全体の つしかないので、降鎖は自明に止まる。

次元 でネーターでもあるので、同値条件のどれから見ても当てはまる。

例: k[x] を x の冪で割る

はアルティン局所環の典型です[1,3]。極大イデアルは の像が生成し、その 乗が になる。

イデアルは の像だけで、全部で 個。降鎖はどうやっても 段で尽きます。

上のベクトル空間としての次元は で、長さも です。有限次元代数としてもアルティンになる。

例: 整数を n で割る

は有限環なので、アルティンです[1]。イデアルの個数そのものが有限なので、降鎖の入りようがありません。

なら極大イデアルは つ。構造定理どおり に分かれる。

反例: 整数環と多項式環

もアルティンではありません[1,3]。どちらもネーター環で、次元が あります。

では が止まらない。 を掛け続けても にならないところが、 との違いです。

割ってはじめてアルティンになる、と読めます。次元を まで落とす操作が、そのまま降鎖条件を生む。

剰余環と局所化は受けつぐ

アルティン環の剰余環は、またアルティン環になります[1] のイデアルは のイデアルの像なので、降鎖もそのまま像として降りてくる。

局所化も同じ[1]。次元 とネーター性が両方とも局所化で保たれるので、同値条件の 番目から従います。

もっとも、次元 の環では局所化しても新しいものは出ません。極大イデアルで局所化すれば、直積の因子がそのまま取り出せる。

非可換だと左右が食い違う

可換環では左の降鎖条件と右の降鎖条件が一致します。非可換環では、この つが食い違うことがあります[1]

体上の有限次元行列環はアルティンです[1,2]。ベクトル空間として有限次元なので、左右どちらの鎖も止まる。

極小素での局所化

ネーター環を極小素イデアルで局所化すると、アルティン環が出ます[3]

極小素の下には素イデアルがないので、局所環の次元は 。ネーター性は局所化で保たれるので、同値条件の 番目がそろう。

準素分解や重複度の議論で、この形のアルティン環がよく現れる。長さが有限なので、数として扱えるためです。

よくある誤り

昇鎖条件と降鎖条件は対等ではありません。降鎖条件のほうが強く、アルティンならネーターになります。
アルティン環がネーター環より広い、と考えると逆です。ネーター環の中の次元 のものがアルティン環です。
をアルティンだと思うと外します。 の冪で割ってはじめてアルティンになります。
アルティン環のイデアルが有限個とは限りません。有限なのは極大イデアルの個数です。
素イデアルと極大イデアルの区別が消えるのは、次元 だからです。一般の環では別の概念です。
直積分解の因子は局所環です。体になるとは限らず、 のような因子も出ます。
降鎖が止まることと、有限個のイデアルしか持たないことは違います。前者だけが定義に入っています。

参考文献

Artinian ring(英語版 Wikipedia)
Artinscher Ring(ドイツ語版 Wikipedia)
Anneau artinien(フランス語版 Wikipedia)
Stacks Project, Lemma 10.53.3
イデアルの降鎖がどこかで止まる環がアルティン環です。昇鎖の条件と鏡に見えて対称ではなく、アルティンならネーターになる。可換環では「ネーターかつ次元 0」と同値で、素イデアルはすべて極大、極大イデアルは有限個、根基は冪零になります。有限個の局所環への直積分解、有限の長さ、体や k[x]/(xⁿ) や Z/nZ の例、そして整数環が外れる理由まで。