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クルルの交叉定理はイデアルの冪をどこまで削るのか

ネーター局所環 では、極大イデアルの冪をすべて交わらせると何も残りません[1]

に深く沈んだ元は しかない、という主張です。ネーター性を外すと途端に崩れます。

主張の 3 つの形

いちばん使うのは局所環の形です。 を有限生成 -加群、 を真のイデアルとすると が成り立ちます[1]

局所でない環でも、 が Jacobson 根基に含まれていれば同じ結論が出ます[3] の元が単元になることが効いています。

整域でもよい。ネーター整域なら、真のイデアル について です[4]

局所環の形

。極大イデアルが 1 つなので、真のイデアルは自動的に根基に入る

整域の形

。極大イデアルは複数あってよく、零因子がないことで代わりが利く

どちらの条件も落とすと成り立ちません。次の節でその例を見ます。

ネーター環でも局所でも整域でもないと崩れる

をとります。有限環なのでネーターです[4]

とすると なので 。冪を重ねても縮みません。

この環は局所でもなく整域でもない。 という 2 つの極大イデアルを持ち、 という零因子があります。

冪等なイデアルがあると、そこで下降が止まります。ネーター性だけでは足りない、という例。

証明は 2 段で終わる

とおきます。Artin-Rees の補題から、ある について次が成り立ちます[4]

なので左辺は そのものです。右辺は が掛かっているので、 とすれば になります。

逆の包含は明らかなので がネーター加群なら も有限生成なので、中山の補題から が出ます[1]

Artin-Rees でイデアルを 1 段外へ出し、中山で消す。この 2 段だけです。

交わりの正体を書き切る形

条件を何も置かずに書くと、交わりは とは限りません。ネーター環と有限生成加群だけを仮定すると、次の等式になります[2,3]

右辺は の元で消される元の集まりです。 が根基に入っていればそれらは単元なので、右辺が に落ちます。

で確かめます。 とすると 。確かに の形で、交わりに残る理由がそのまま見えます。

一般形のほうが情報量は多い。ただ、実際に使うのは根基の条件を付けた になる形です。

連続関数の芽では冪が縮まない

原点のまわりの連続関数の芽の全体を とします。 となる芽の集まりとすると、 は局所環です[3]

ここでは が成り立ちます。 に対して次のように分ければよい。

は連続で、原点で になります。符号を付けたほうも同じ。2 つとも に入るので です。

平方根をとる操作が、いくらでも「浅く」できてしまう。だから冪が縮まず、 になります[3]

滑らかな関数の芽でも交わりは消えません。 階までの微分が原点で消える芽なので、交わりは無限位で平らな芽の全体になります。

を原点で と定めた関数がその例です。どの階数の微分も原点で消えるのに、関数そのものは ではありません。

多項式や収束冪級数の環ならこうはならない。テイラー係数がすべて なら関数も です。ネーター性の有無が、ここで分かれます。

位相で読み直す

の基本近傍系にとると、 に位相が入ります。 進位相と呼ばれるものです。

この位相がハウスドルフになる条件が、そのまま です。交わりが でなければ、そこに入る元と が分離できません。

したがってネーター局所環では位相がハウスドルフになる。完備化への自然な写像 が単射になります[3]

交叉定理は、完備化で情報が失われないことの保証になっています。

はもとの環より大きいのに、 の元どうしは の中でも区別されたままです。

例:形式的冪級数環と 進整数環

とします。 で割り切れる級数の全体。

すべての で割り切れる級数は だけです。 が直接見えます。

も同じで、。どの桁まで見ても が続くなら、その数は です。

では、 で割れる条件が「 次までの係数が 」に対応する。
では、 で割れる条件が「下から 桁が 」に対応する。
どちらも「全部の桁が なら数そのものが 」という当たり前の話になる。
連続関数の芽では、桁にあたるものがないので同じ議論が通らない。

初等的な証明もある

Artin-Rees を使わずに済ませる道もあります。Perdry による証明では、Hilbert の基底定理だけを使います[4]

と書きます。 なので、 となる 次の斉次多項式 がとれる。

という多項式環のイデアルの列を作ると、基底定理から昇鎖が止まります。 となる段が来る。

そこで で書き直し、 を代入すると の形になります。 なので

すべての について掛け合わせると、 が交わり全体を消します。 です。

確かめかた

主張が正しいかどうかは、冪等なイデアルがあるかどうかで見当が付きます。

となる真のイデアルがあれば、その で交わりは のまま。 にはなりません。

ネーター局所環では、 から中山の補題で が出ます。だから真のイデアルには冪等なものがない。

とします。 はどれですか。

__RESULT__

なので です。冪等なので冪を重ねても縮まず、交わりは のままになります。 は局所環でも整域でもないので、定理の条件から外れています。

冪を重ねて縮むかどうか。それだけの話が、完備化の単射性まで支えています。

出典

Krull's intersection theorem, Lemma 10.51.4. The Stacks Project.
Damian Rössler. *Commutative Algebra*, Corollary 11.9–11.11. University of Oxford.
Wolfgang Soergel. *Kommutative Algebra und Geometrie*, Satz 8.3.1 と Beispiel 8.3.2. Universität Freiburg.
Felix Gotti. *Krull's Theorems and Artin-Rees Lemma*. Massachusetts Institute of Technology.
ネーター局所環では $\bigcap_n \mathfrak{m}^n = 0$ になります。証明は Artin-Rees でイデアルを 1 段外へ出し、中山の補題で消すだけの 2 段。条件を外すとすぐ崩れ、$\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}$ の $(2)$ は冪等なので縮まず、原点まわりの連続関数の芽では $\mathfrak{m}^2 = \mathfrak{m}$ が起きます。平方根をとれば沈み方をいくらでも浅くできるため。交わりが $0$ であることは $I$ 進位相のハウスドルフ性にあたり、完備化への写像が単射になることを保証します。