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加群の長さ|組成列とジョルダン・ヘルダーの定理

加群 の組成列とは、部分加群の列であって、隣り合う商がどれも単純加群になるものです[1,3]

を組成因子と呼ぶ[1]。単純加群とは、 でなく、真の部分加群を持たない加群のこと。

この の長さです[2]。ベクトル空間の次元を、加群まで広げた量にあたります。

これ以上は割れない、という刻み方

組成列は「もう細かくできないところまで刻んだ列」です[1] の中で極大な部分加群になっている、と言いかえられる。

途中に部分加群を挟む余地があれば、それはまだ組成列ではない。挟めなくなった状態が単純な商として現れる。

単純加群は、極大イデアル を使って と同型になります[5]。長さがちょうど の加群、という言い方とも同値です[5]

刻み方は一通りではない

加群 には、組成列が 通りあります[1]。どの道を通っても長さは で、出てくる組成因子の顔ぶれも変わりません。

左の道は

因子は下から と出ます。

まん中は を経由し、因子は の順に出ます。

右は から始まり、 の順に並ぶ。

順番は 通りに散らばるのに、集めてみれば つと つ。これは偶然ではありません。

長さが 1 の加群

長さが であることと、加群が単純であることは同じです[5]。さらに、ある極大イデアル について と同型になることとも同値になる[5]

組成因子はすべてこの形をとります[5]。組成列とは、 を極大イデアルによる剰余体へ分解する手続きだと読めます。

どの剰余体が何回現れるかが、次の定理で決まる量です。

極大な鎖はどれも組成列になる

長さが有限のとき、部分加群の極大な鎖はどれも長さ を持ちます[5]。途中に挟み込む余地がなくなった時点で、その鎖はもう組成列になっている。

長さを「鎖の長さの上限」と定めても、「組成列の段数」と定めても、同じ値が出ます[2,5]

ジョルダン・ヘルダーの定理

組成列を持つ加群では、どの つの組成列も同値になる[1,3,4]。長さが等しく、組成因子の多重集合も順序を除いて一致する、という主張です。

この定理があるおかげで、長さが加群の不変量として定まる[2]。刻み方を選んでも答えが動かない。

証明はシュライアーの細分定理を通す道が標準です[1] つの列に共通の細分をとり、そこから同値性を引き出す。

細分定理の土台はツァッセンハウスの補題です[1] つの部分加群から作った つの商が同型になる、という補題で、蝶の形の図から蝶の補題とも呼ばれます。

長さの加法性

短完全列があるとき、長さは足し算になります[2,5]

の組成列と の組成列を継ぎ足せば、 の組成列ができる。段数はそのまま足された数になる。

の一方でも長さが無限なら、 も無限になります[2]。有限性が つのあいだで連動する。

長さがベクトル空間の次元公式と同じ形をしているのは、この加法性のためです。

ベクトル空間では次元と一致

上のベクトル空間では、長さが次元に一致します[2]。単純な 加群は 自身しかないので、組成因子がすべて 次元になる。

代数の上の加群なら、長さは ベクトル空間としての次元を超えません[2]。長さは次元より粗い刻み方になる。

有限の長さと 2 つの鎖条件

加群が組成列を持つことと、アルティン加群かつネーター加群であることは同値です[1,2]

上へ伸びる鎖も下へ伸びる鎖も止まる、という条件がそろってはじめて刻み切れる。片方だけでは足りない。

長さが有限なら、その加群は有限生成です[5]。生成元の本数は長さで抑えられる。

アルティン環が自分自身の上で有限の長さを持つのも、この同値から出ます[2]

例: 12 で割った剰余群

の長さは です[2] の指数を足した数と一致する。

一般に の長さは、 の素因数を重複を込めて数えた個数になります[2]

部分加群は の約数と一対一に対応します。組成列は、 から へ素数を つずつ掛けて登る道にあたる。

の順に掛けるか、 か、 か。 通りの登り方が、そのまま 通りの組成列です。

素因数分解と組成列が、そのまま対応している。ジョルダン・ヘルダーの一意性が、素因数分解の一意性に重なって見えます。

例: 変数の冪で割った環

を自分自身の上の加群と見ます。部分加群は の像だけで、鎖は 段で尽きる。

各段の商は と同型です。組成因子がすべて で、長さは になる。

上のベクトル空間としての次元も なので、 つの数が一致します。

例: 整数環には組成列がない

を自分自身の上の加群と見ると、組成列を持ちません[1]

が止まらないので、アルティン加群になりません。刻もうとしても底に着かない。

長さは無限と定める[2]。ネーター加群ではあるので、片方だけでは組成列に届かないと分かります。

群の場合

同じ定義が群にもあります[3,4]。正規部分群の列で、商がすべて単純群になるものを組成列と呼ぶ。

有限群には必ず組成列があります[3]。ジョルダン・ヘルダーの定理から、単純群の重複を込めた並びが群ごとに決まる。

有限単純群の分類が重い意味を持つのは、この定理があるためです。組成因子まで下ろせば、単純群の話に帰着する。

が短い例です[4]。因子は になる。

よくある誤り

組成列の長さは部分加群の個数ではありません。数えるのは真の包含の本数です。
組成因子の順序まで決まるわけではありません。決まるのは重複を込めた顔ぶれです。
長さが有限なら部分加群も有限個、とは言えません。有限なのは鎖の段数です。
ネーター加群であることだけでは組成列は作れません。アルティン性も要ります。
長さと生成元の本数は違います。長さが有限なら有限生成ですが、逆は成り立ちません。
を長さ の加群だと思うと外します。単純加群ではないので、そもそも刻めません。
ベクトル空間以外でも長さと次元が一致する、とはなりません。一致するのは体上の場合です。

参考文献

Composition series(英語版 Wikipedia)
Length of a module(英語版 Wikipedia)
Kompositionsreihe(ドイツ語版 Wikipedia)
Suite de composition(フランス語版 Wikipedia)
Stacks Project, Section 10.52(Length)
これ以上細かく割れないところまで部分加群を刻んだ列が組成列で、その段数が加群の長さです。Z/12Z の 3 通りの刻み方を並べ、順番は違っても出てくる単純加群の顔ぶれが同じになること、つまりジョルダン・ヘルダーの定理を見ます。短完全列での加法性、ベクトル空間の次元との一致、アルティンかつネーターという存在条件、そして素因数分解との重なりまで。