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生成元は剰余体の次元で数えられる(中山の補題と行列式のトリック)

有限生成の -加群 を満たすとします。局所環なら、これだけで が出ます[3]

極大イデアルを掛けても縮まないなら、はじめから何もなかった。証明は行列式ひとつで終わります。

主張

を局所環、 を有限生成 -加群とします。

一般の環では条件が 1 つ増えます。イデアル が Jacobson 根基、つまりすべての極大イデアルの共通部分に含まれていれば、 から が従う[1]

局所環では極大イデアルが 1 つしかないので、Jacobson 根基がそのまま になります。条件は自動的に満たされている。

もっと弱い形もあります。有限生成でありさえすれば、 の中に を消す元が見つかります[1,2]

かつ が有限生成なら、 となる がとれる。
が Jacobson 根基に入っていれば、その は単元なので になる。
局所環では とすればよく、 の元はすべて単元。
が冪零のときも が出る。根基の条件は要らない。

効いているのは の元が単元になるという一点です。ここが崩れると結論も崩れます。

行列式のトリック

証明は Cayley-Hamilton の定理をまねる形で進みます[2]

の生成元を とします。 なので、各 の元を係数にして書けます。

移項すると です。行列 が生成元のベクトルを消している形。

余因子行列を左から掛けます。すると が各 を単独で消します[3]

の成分はすべて に入っているので、行列式を展開した値は )の形になります。局所環ではこれが単元です。

単元が を消すなら 。生成元が全部 なので になります[3]

行列のサイズは生成元の個数です。有限生成でなければ行列が組めません。仮定が使われる場所はここになります。

有限生成を外すと成り立たない

とし、 をとります。

のどの元も で割れるので 。それでも です。

上で有限生成になりません。分母の の冪に上限がないためです。

の上でも同じことが起きます。 ですが、 は局所環ではありません。

の Jacobson 根基は です。素数が無限にあるので、極大イデアルの共通部分が消えます。 は根基に入らないので、仮定を満たしません。

生成元は剰余体で数える

いちばんよく使う形がここから出ます。 とおき、 で割ります。

上のベクトル空間です。加群の話が線型代数に落ちる。

の像が を張るとします。 とおくと となり、補題から が出ます[2]

つまり剰余体の上で張れば、もとの加群でも張れます。逆は明らかなので、両者は同値。

ベクトル空間で数える

の次元。基底の個数を数えるだけの線型代数

加群で数える

の最小生成元の個数。ふつうは直接には見えない

2 つが一致します。有限生成加群の生成元の個数は、剰余体上の次元で決まる[4]

と書いたのは最小生成元の個数です。次元が なら、どうやっても 個より少なくは生成できません。

例:最小生成元の個数

とします。 を加群と見ます。

の像で張られる 次元の空間です。だから 個で生成でき、 個では足りません。

なら 次元。生成元は 個から減らせない。

数える作業が、毎回ベクトル空間の次元を数える作業に変わります。

全射かどうかも剰余で決まる

を有限生成加群のあいだの準同型とします。 が有限生成なら、次が同値です[1]

が全射である。
が全射である。

像を と書くと になり、補題から が出ます。剰余体の上で調べれば足ります。

単射のほうは同じようにはいきません。剰余に落とすと情報が消えるので、そこから戻せない。

例:局所環上の有限生成射影加群

を局所環、 を有限生成射影加群とします。 とおく。

個の生成元をとると全射 ができます。 が射影的なので分裂し、 と書けます。

剰余体へ落とすと なので、 は有限生成なので補題から になります。

したがって です。局所環の上では、有限生成の射影加群が自由加群に限られます[4]

例:正則局所環の判定

をネーター局所環、 とします。 の最小生成元の個数は です[4]

この値は必ず 以上になります。ちょうど に等しいとき、 を正則局所環と呼びます。

幾何では接空間の次元に対応します。 が余接空間で、その次元が点の次元より大きければ特異点。

を原点で局所化すると、 に対して になります。尖点があるためです。

冪零イデアルなら根基の条件が要らない

が冪零、つまり となる があるとします。このとき なら です[1]

と代入を繰り返すだけ。有限生成の仮定さえ要りません。

この形は持ち上げの議論でよく使います。 の向きに写像を延ばすとき、剰余で全射なら本体でも全射だと言える。

冪零の場合は代入を繰り返すだけで終わるので、行列式のトリックを使わずに済む

有限生成の仮定が消えるのはこのためです。仮定が要るのは行列を組む議論のほうになります。

例:整数環の局所化で確かめる

とし、 をとります。 なので 。仮定を満たさないので何も言えません。

ならどうか。 で、これは と一致しません。やはり と矛盾しない。

にすると になりますが、有限生成ではない。 つの条件のどれを外しても、結論は落ちます。

を導くには、局所性と有限生成の両方が要ります。片方だけでは足りません。

とします。 は成り立ちますか。

  • 成り立つ。よって
  • 成り立たない。 である
  • 成り立つが、 が有限生成でないので結論は出ない
__RESULT__

なので は成り立ちません。 は有限生成ですが、 の Jacobson 根基 に含まれないので、そもそも補題の設定から外れています。

つまずきやすいところ

のような環でそのまま使う。Jacobson 根基が なので条件を満たしません。
有限生成を確かめずに適用する。 のような加群では結論が崩れます。
の次元を局所環でない環で数える。極大イデアルごとに値が変わります。
全射の判定を単射にも当てる。剰余へ落とすと単射性は保たれません。
を混同する。前者は縮まないこと、後者は消えることです。

掛けても縮まないものは、はじめから空だった。局所環という条件が、その言い分を通します。

参考文献

Nakayama's lemma, Lemma 10.20.1. The Stacks Project.
Nicolas Perrin. *Algèbre commutative*, §2.7. Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines.
Markus P. Brodmann. *Kommutative Algebra*, 3.25–3.27. Universität Zürich.
Andrew Kustin. *Commutative Algebra II, class notes*. University of South Carolina.
有限生成の加群に極大イデアルを掛けても縮まないなら、その加群ははじめから $0$ です。証明は Cayley-Hamilton をまねた行列式の計算だけで終わります。$\mathbb{Q}$ を $\mathbb{Z}_{(p)}$ 上で見ると有限生成の仮定が外れ、結論も崩れる。生成元の最小個数が $\dim_k M/\mathfrak{m}M$ と一致すること、局所環上の有限生成射影加群が自由になること、正則局所環の判定まで、この補題ひとつから出てきます。