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English

Rees 環と随伴次数付き環〜イデアルの冪から接錐と爆発へ

とします。 次の同次式が並ぶ空間で、次元は です。

段ごとに集めて足し合わせると、もとの がそのまま戻ってくる。イデアルの冪を次数に組み替える、という操作をしている。

この組み替えを 2 通りの環にまとめたものが、Rees 環と随伴次数付き環です。

イデアルの冪を並べる

を可換環、 をイデアルとします。冪をとると、下がっていく列ができる。

が成り立ち、この列は 進フィルトレーションと呼ばれます[1]

包含だけを見ていると、どこまで下がるかしか分かりません。段と段の差を取り出すか、段を全部横に並べるか。方向が 2 つある。

Rees 環

段を横に並べるほうが Rees 環です。変数 を用意して、 段目に をかけて区別する。

次の成分が になる次数付き環。 の冪を見れば、何段目かが分かる。

と生成されているなら、 と書けます[1] 個の元を添加しただけの環になる。

ネーター性はヒルベルトの基底定理から

がネーター環なら もネーター環です[1]。証明は短い。

の生成元 をとり、多項式環から写します。

で生成されるため、 は全射です。ヒルベルトの基底定理から はネーター環で、その商もネーター環になる。

有限生成でないイデアルだと、この写像が用意できません。ネーター性がここで効く。

随伴次数付き環

段と段の差を取り出すほうが、随伴次数付き環です。

次成分は 次成分は 。積は代表元の積で決める[4]

Rees 環から見ると、係数を へ落としたものになる。

Rees 環

段を横に並べる。 の情報をすべて持ったまま、次数を付け直しただけ

随伴次数付き環

段の差だけを残す。 の中で 段ぶんずれた情報が消える

拡張 Rees 環では で割る

も入れた環を考えると、2 つの関係がはっきりします。

の中で零因子になりません。この元で割ると、随伴次数付き環になる。

逆に を可逆にすると が入り、 に広がる。 を座標と見ると、 でないところの繊維が での繊維が

へ動かす族が、1 つの環の中に収まる。

例:

をとります。 はどれも と同型で、 が基底。

冪の段が、そのまま多項式の次数になる。

では 次の同次式の空間で、次元は

もとの環に戻りました。 が同次イデアルで、 が最初から次数付きだったからです。

接錐を座標環で書く

を局所環とし、 をとります。 は、その点での接錐の座標環になる。

平面曲線で見ると分かりやすい。 で定まる曲線が原点を通るとします。

の最低次の同次部分を初期形式といいます。初期形式が生成するイデアルが、接錐の方程式になる。

が多項式環になることと、 が正則局所環であることは同値になります。多項式環からずれた分が、特異点の情報。

例:尖点と結節点

の尖点を見ます。 の最低次は 次の

接錐は で、 軸が二重に重なった直線です。枝が 本しかない形が、そのまま出ている。

の結節点では、最低次が になる。

と分かれるため、接錐は交わる 本の直線。原点で 本の枝が交差する形に合います。

gr の性質は へ戻る

を見て分かることが、もとの環の性質へ戻ってきます。フィルトレーションが を満たす場合です[4]

が整域なら、 も整域になる。 でないとき、それぞれが属する最小の段をとって初期形式を見ればよい。

初期形式の積が でないなら、 ではありません。

がネーター環なら もネーター環です[4]。次数付きの側は単項式で扱えるぶん、判定が軽くなる。

Artin-Rees の補題へ

Rees 環は Artin-Rees の補題の土台になる。 の部分加群の列 について、 加群と見る[1]

このとき次の 2 つが同値です[1]

が有限生成

加群として有限生成になる。

フィルトレーションが安定

ある番号から先で になる。

がネーター環なら もネーター環で、部分加群も有限生成になる。ここから Artin-Rees の補題が導けます[1]

に入る側の減り方が、 の冪と同じ速さでそろう、という主張になります。

Hilbert-Samuel 関数

をネーター局所環、 準素イデアルとします。この条件があると の長さが有限になる。

が十分大きいところで、 の多項式に一致します。次数は

準素という条件を外すと長さが無限になり、この数え上げが動きません。

多項式の最高次の係数から重複度が読める。 の原点で 、尖点や結節点では になる。

爆発は Rees 環の Proj

とします。 に沿った の爆発は、Rees 環の Proj です[2]

例外因子は の逆像で、 と同じものになります[2]。接錐を射影化したものが、爆発でできた新しい部分。

古典的には、 の中で の生成元の比を座標にとった閉集合として組み立てます[3]。同じものを、環の側から Proj で書いたのが上の式になる。

と同型になるのはどれですか。

__RESULT__

はどれも と同型で、 の類が基底になります。段を並べると 係数の多項式環。 進完備化のほうで、次数付き環ではありません。

の原点での接錐はどれですか。

  • 軸と 軸の
  • の二重直線
  • そのもの
__RESULT__

の最低次の同次部分は 次の です。初期形式が生成するイデアルが接錐を決めるため、 になります。 次の は次数が高く、初期形式に入りません。

イデアルの冪を横に並べれば Rees 環、段の差だけを残せば随伴次数付き環。前者は爆発を組み立て、後者は接錐を書きます。フィルトレーションを次数に置きかえるという 1 つの操作から、 つの環が決まります。

参考

Damian Rössler, *Commutative Algebra*, University of Oxford.
Stacks Project, Definition 31.33.1(タグ 01OF).
Andreas Gathmann, *Algebraic Geometry*, RPTU Kaiserslautern-Landau.
Wolfgang Soergel, *Kommutative Algebra und Geometrie*, Universität Freiburg.
$k[x, y]$ で $I = (x, y)$ をとると、$I^n/I^{n+1}$ は $n$ 次の同次式が並ぶ空間です。段を横に並べたものが Rees 環 $R[It] = \bigoplus I^n t^n$、段の差だけを残したものが随伴次数付き環 $\mathrm{gr}_I(R) = \bigoplus I^n/I^{n+1}$。$R$ がネーター環なら Rees 環もネーター環で、証明はヒルベルトの基底定理 1 回で済みます。拡張 Rees 環を $t^{-1}$ で割ると gr になり、$R$ を gr へ動かす族が 1 つの環に収まる。尖点 $y^2 = x^3$ の接錐が二重直線、結節点が 2 本の直線になる計算、Artin-Rees の補題、Hilbert-Samuel 関数、爆発が Rees 環の Proj になることまで。