数学講師2913151 views
MathPython501700 views
高校倫理1444503 views
高校日本史191026 views
中学社会670081 views
教育150077 views
中学英語813624 views
LaTeX965557 views
英語617403 views
小学算数1203731 views
Help
Tools

English

可換環の直積と直和分解〜成分ごとのイデアルと Spec の非連結性

の元は、 の組として書けます。 なら 、 なら 。

足し算もかけ算も、組のまま成分ごとに計算できる。 は、 に対応します。

直積は、この「成分ごとに計算する」を定義にした環。

直積の定義

可換環 の直積 は、集合としては直積集合で、演算を成分ごとに定めたものになります。

単位元は 、零元は 。環の公理はどれも成分ごとに確かめられるので、直積はふたたび可換環になります[1]。

単元も零因子も成分ごとに決まる

が単元になるのは、どの も単元のときに限ります。逆元も成分ごとにとれるため。

の単元は と の 2 個。 で数えると で 2 個になり、確かに合う。

零因子のほうは、ある成分が になっている元がすべて該当します。その成分だけ を立てた元とかければ になる。

直積は整域にならない

成分が 2 つ以上あると、次の 2 つはどちらも ではないのに積が です。

零因子が必ずいるので、直積は整域になれない。整域がほしい場面で直積が使えないのは、この一点によります。

イデアルは成分ごとに決まる

が のイデアルなら、 のイデアル と のイデアル をとって と書けます。

は射影 による像とする。 は定義からすぐ分かる。

逆向きは と をかけて確かめます。 に をかけると 、 をかけると 。

つまり と がどちらも に入ります。足せば になる。

例: のイデアルは 4 つ

を体とします。 のイデアルは と の 2 つだけなので、 のイデアルは組み合わせて 4 つ。

零イデアル
第 1 成分だけ
第 2 成分だけ
全体

体を 個並べれば 個です。イデアルの個数が成分の数で決まる、という形になる。

素イデアルは片方が全体になる

の形で両方が真のイデアルだと、素にはなれません。 がこの中に入るのに、 も も入らないため。

、 なので、どちらの元も外にいる。

だから素イデアルは片方の成分が環全体になる形に限られます。

剰余環を計算すると で、確かに整域です。

一般のイデアル

の形。両方の成分が独立に動く

素イデアル

片方の成分が環全体になる。 か のどちらか

Spec は 2 つに離れる

素イデアルが片方の成分に寄るので、 は 2 つの部分に分かれる。

分かれ目は です。 を含む素イデアルの全体と、 を含む素イデアルの全体。この 2 つはどちらも閉集合で、たがいに補集合になっています。

閉集合の補集合が閉なので、どちらも開かつ閉。位相空間としては非連結になる。

逆に が非連結なら、 は自明でない直積に分解します。環の分解と空間の連結成分が、そのまま対応している。

いつ直積に分解できるか

(どちらも零環でない)と書けるための条件は、 に でも でもない冪等元があることです。

をみたす元を冪等元という。 では がそれにあたる。

逆に が自明でない冪等元なら、 も冪等元で になり、 と分解します[1]。 の単位元は 、 の単位元は 。

例:多項式環を 2 つに切る

を体、標数は でないとします。 で、この 2 つは互いに素になる。差が で、標数が でなければ単元だから。

中国剰余定理から次の同型になります。

の像は 。2 つの根を成分に振り分けた形になります。

いっぽう は分解しない。 なので、冪等の条件は と 。

なら 、 でも から です。冪等元は と だけになり、切る場所がない。

同じ 2 次式の剰余でも、重根かどうかで結果が分かれます。

例: を局所環に分ける

。中国剰余定理から になります。

対応する冪等元は と 。、 で、、 です。

をかけて得られる が の側、 をかけて得られる が の側になる。

成分の は体ではありません。極大イデアル をただ 1 つ持つ局所環。

アルティン環はいつでも、極大イデアルでの局所化の有限直積になります[2]。 はその最小の例のひとつ。

極大イデアルが有限個しかない

どの素イデアルも極大になる

極大イデアルごとに局所化して直積にする

連結な環

冪等元が と しかない環を連結といいます。 が連結であることと同じ条件になる。

整域は連結

なら で、整域だから か 。 や が該当します。

局所環は連結

自明でない冪等元は単元でも零でもない元になりますが、局所環でそれを と の両方について立てられません。 が該当します。

は連結でない

と が冪等元です。、 で、。

体の有限直積は連結でない

では が冪等元。成分が 2 つ以上ある直積は、いつでも非連結になります。

無限個の直積と直和

無限族 でも直積 は定義でき、成分ごとの演算で可換環になります。

直和 のほうは環にならない。有限個の成分を除いて という条件があるため、単位元 が入らないからです。

成分が有限個なら、この差は消える。直積と直和が同じ集合になるためです。

有限個のとき

は環になる。直積と直和は同じもの

無限個のとき

は環になるが、 は単位元を持たない。加群としては意味が残る

無限直積のスペクトルは、有限直積のような簡明な形にならない。各成分が体のときでさえ、極大イデアルは添字集合 上の超フィルターと対応します[3]。

の各点から決まる素イデアルのほかに、主でない超フィルターから決まる素イデアルが並ぶ。有限直積で成り立っていた「成分ごとに読める」が、ここで崩れる。

を体とするとき、 のイデアルはいくつありますか。

  • 3 個
  • 6 個
  • 8 個
  • 無限個
__RESULT__

イデアルは成分ごとに決まり、各成分では と の 2 通りです。3 成分あるので 個になります。3 個や 6 個は、成分そのものの個数と取り違えた形。

次のうち、自明でない直積に分解できない環はどれですか。標数は でないとします。

__RESULT__

は局所環で、冪等元が と しかありません。 は が異なる 2 つの因数に分かれるので 、 は に分解します。重根かどうかが分かれ目になる。

成分ごとに読めるかどうか。単元も零因子もイデアルも素イデアルも、有限直積ではこの一言で片づきます。

参考

Wolfgang Soergel. *Kommutative Algebra und Geometrie*. Universität Freiburg.
Artinian rings. The Stacks Project.
Carmelo A. Finocchiaro, Sophie Frisch, Daniel Windisch. *Prime ideals in infinite products of commutative rings*. 2020.
$\mathbb{Z}/6\mathbb{Z}$ の元が $(1,2)$ のような組で書けるように、直積は成分ごとに足してかける環です。単元も零因子もイデアルも、成分ごとに決まる。$k \times k$ のイデアルはちょうど 4 つで、素イデアルだけは片方の成分が環全体になります。だから $\mathrm{Spec}$ は 2 つに離れ、非連結になる。$k[x]/(x^2-1)$ は $k \times k$ に切れるのに $k[x]/(x^2)$ は切れない、$\mathbb{Z}/20\mathbb{Z}$ が $\mathbb{Z}/4\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}/5\mathbb{Z}$ に分かれるといった例まで。無限個になると直和は単位元を失い、極大イデアルは超フィルターと対応する。