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素イデアルごとに確かめれば足りる - 加群の局所大域原理

加群が かどうかは、素イデアルごとに調べれば決まります。すべての素イデアル で なら [1]。

単射も全射も完全性も平坦性も同じ。大域の主張を、局所環という扱いやすい場所へ落とせます。

局所化は完全関手である

局所化 は 上平坦です[2]。完全列を局所化しても完全列のまま。

この列を で送ると、また短完全列になります。核も余核も局所化と交換する。

この交換が、これから見るすべての「局所で足りる」の元になります。

であることは局所で決まる

ならどの局所化も 。これは明らかです。問題は逆向き。

と仮定して、 でない元 をとります。消滅イデアル を考える。

なので です。真のイデアルなので、ある極大イデアル に含まれます。

この で局所化すると になる。もし なら、 の外にある で となり、 と矛盾します。

つまり なら、 となる極大イデアルが必ずある。

対偶をとると、すべての極大イデアルで消えていれば加群自体が になる。

証明に出てきたのは消滅イデアルと極大イデアルだけ。ネーター性も有限生成性も要りません。

例: の局所化

を素数ごとに局所化します。 では が可逆なので、。

だから です。同じように 。

では 自体が可逆になり、 になります。

となる を集めた集合が台です。ここでは の 2 点だけ。

台が空でない

どこかの素イデアルで局所化が生き残る。加群は でない

台が空

すべての素イデアルで消える。加群は になる

単射・全射・完全性

写像 が単射であることは、 と同じです。核は局所化と交換します。

だから が単射であることと、すべての で が単射であることが一致する[1]。

全射は余核で同じ議論。全単射も、単射と全射を合わせれば出ます。

複体 が完全であることも局所的です。核と像がどちらも局所化と交換するためです。

平坦性も局所的

が平坦であることと、すべての素イデアルで が 上平坦であることは同値です[4]。極大イデアルだけで確かめても足ります。

平坦性の判定が局所環の話に落ちる。局所環では極大イデアルが 1 つしかないので、扱いがずっと軽くなります。

有限表示の加群なら、平坦性は局所自由性と同じになる[4]。各点で自由になっていれば平坦だと分かります。

加群が である。
写像が単射である。全射である。全単射である。
複体が完全である。
加群が平坦である。
加群がねじれなしである(整域上)。

これらはすべて局所的な性質です[2]。大域の主張を、点ごとの主張に置きかえられる。

極大イデアルだけで足りる

素イデアル全体で確かめる必要はありません。極大イデアルだけで同じ結論が出ます[1]。

理由は簡単です。任意の素イデアル は、ある極大イデアル に含まれます。 なら はその局所化なので、やはり 。

確かめる相手が減るので、実際の計算では極大イデアル版を使います。

有限個の元で覆う版

もっと粗い覆い方でも足ります。 が単位イデアルを生成するとしましょう。

このとき と、すべての で が同値になります。有限個で済む点が効きます。

幾何の言葉なら、 を有限個の基本開集合で覆ったことにあたる。素イデアルは無限にあっても、確かめる場所は 個。

局所的でない性質もある

すべてが局所で決まるわけではありません。自由性がその例です。

デデキント整域の単項でないイデアルを とします。 は各局所化で階数 の自由加群になる。局所環では単項イデアルになるためです。

ところが 自体は自由ではありません。自由なら単項になってしまう。

局所で見えるもの

かどうか、単射・全射、完全性、平坦性。点ごとの情報を貼り合わせれば決まる

局所では見えないもの

自由性、同型かどうか。貼り合わせのねじれが大域にだけ現れる

局所自由でありながら自由でない。この差を測る量が因子類群や Picard 群になります。

使い方の型

局所大域原理の使い道は、証明を局所環へ移すことです。局所環には道具が多い。

極大イデアルが 1 つしかないので、中山の補題が素直に効きます。生成元の個数も剰余体上の次元で測れる。

大域の主張を立てる

極大イデアルで局所化する

局所環の道具で示す

局所大域原理で大域へ戻す

証明を書くときは、最初に「 を任意の極大イデアルとする」と置いて始めます。あとは局所環の議論だけ。

例:ねじれなしを局所で見る

を整域、 を 加群とします。 がねじれなしであることは局所的です[3]。

ねじれ部分加群 は局所化と交換します。 となる。

だから を示すには、各 で を見れば足ります。

例:有限生成のとき局所化が消える条件

が有限生成なら、 と「 の中に 全体を消す元がある」が同値です[2]。

生成元 のそれぞれに をとり、積 を作る。この が を消します。

有限生成でないと積がとれません。無限個の分母を一度に払えないためです。

加群 の台に入る素イデアルはどれですか。

  • だけ
  • と
  • すべての素イデアル
__RESULT__

なので、 と では が可逆になりません。 では が単元になり、局所化は になります。

かどうかを点ごとに見る。この 1 つの原理から、単射も完全性も平坦性も同じ形で従います。

参考文献

The Stacks project, *Tag 00HN*
Localization in a commutative algebra - Encyclopedia of Mathematics
Flat module - Encyclopedia of Mathematics
Flat module - Wikipedia
加群が $0$ かどうかは、極大イデアルごとに局所化して調べれば決まります。$0$ でない元をとれば消滅イデアルが真のイデアルになり、それを含む極大イデアルで局所化が生き残る。核と余核が局所化と交換するので、単射も全射も完全性も同じ形で局所に落ちます。平坦性や、整域上でねじれがないことも同様。$\mathbb{Z}/6$ の台が 2 点しかない計算、有限個の $f_i$ で覆う版、そして自由性のように局所では見えない性質まで。