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二重双対に戻る加群とは何か?反射的加群と因子類群

加群 から二重双対 への自然な写像が同型になるとき、 を反射的と呼びます[5]

正規ネーター整域の上では、階数 の反射的加群の同型類が群をなします。その群が因子類群であり、環が一意分解整域からどれだけ離れているかを測ります[3]

双対加群

を双対加群と呼びます。 から への線形写像を集めたもの。

もう一度双対をとると になります。ここに からの自然な写像が入る。

を「 を返す関数」と見なす写像です[2]。線形代数のベクトル空間で見た構成と同じ形。

3 段階の条件

に何を要求するかで、名前が分かれます。

単射なら torsionless、全単射なら反射的です[5]。何も要求しなければ、ただの加群。

有限生成の自由加群は反射的になります。基底の双対基底をとれば、 が同型だと直に確かめられる。射影加群も反射的です。

torsionless

が単射。 が自由加群の直積に埋め込める

反射的

が全単射。二重双対をとってももとに戻る

整域の上では、有限生成でねじれがないことと torsionless であることが一致します。分母を払えば自由加群に埋め込めるためです。

例: が壊れる場合

加群 をとります。 なので

二重双対も になり、 は単射になりません。ねじれがあると双対が潰れます。

次は 。ねじれはありませんが、 です。

有限生成でない場合には、ねじれがなくても双対が消えることがある。有限生成という条件が効いています。

高さ 1 の素イデアルだけで決まる

正規ネーター整域では、反射的であることが余次元 の情報だけで書けます[1]

高さ の素イデアルで局所化すると離散付値環になります[4]。そこでの様子をすべて集めて交わらせると、反射的加群が復元される。

言いかえると、余次元 以上でどうなっていても結果に響きません。反射的加群は、低い余次元の情報だけで決まる対象です。

Serre の 条件との関係

反射的加群は を満たします[1]。余次元 で随伴素イデアルを持たない、という条件です。

深さの言葉で書けば、各素イデアルで が成り立つ。

があるからこそ、余次元 の情報を貼り合わせて全体が復元できます。低い余次元で穴が開いていないという条件です。

階数 1 のものを集めると群になる

を正規ネーター整域とし、階数 の反射的加群だけを集めます。同型類のあいだに演算が入ります[2]

テンソル積は反射的とは限りません。そこで二重双対をとり、反射包へ戻す。この一手間で演算が閉じます。

逆元は双対です。 となり、単位元は

因子類群

こうしてできた群を因子類群と呼び、 と書きます[3]。因子イデアルの群を単項イデアルで割った商、という書き方もある。

高さ の素イデアルの類が生成元になります。単項なら 、単項でなければ でない元。

であることと、一意分解整域 であることが同値です。

高さ の素イデアルがすべて単項なら、素元分解が一意になる。

因子類群は、一意分解からのずれをそのまま測る量です[4] に近いほど分解が素直になる。

例:二次錐

をとります。原点に頂点を持つ二次錐の座標環です。

は高さ の素イデアルで、単項ではありません。だから

一方 で、 を使うと になります。反射包をとると極大イデアルのぶんが消えて が残る。

位数 の元です。実際 になります[1]

幾何で見ると分かりやすい形です。円錐の上には母線という直線が乗っています。

母線 1 本は、方程式 1 本では切り出せません。ところが 2 本合わせると平面で切った形になり、方程式 1 本で書ける。

例:

代数的整数の側にも同じ現象があります。 をとる。

は単項ではありませんが、 で単項になります。位数 の元です。

デデキント整域では、反射的加群と可逆加群が一致します。因子類群がイデアル類群と同じものになる。

Picard 群との差

可逆な加群、つまり局所自由で階数 のものだけを集めた群が Picard 群です。 となります。

二次錐では ですが 。差が出るのは、頂点の局所環が一意分解でないためです。

すべての局所環が一意分解整域なら、2 つの群は一致します[3]。正則な環ではこの条件が成り立つ。

Picard 群

局所自由で階数 。どの点でも自由になっている

因子類群

反射的で階数 。特異点の上では自由にならなくてよい

反射包という操作

任意の有限生成でねじれのない加群 に対し、 が反射包になります。 を最小限だけ太らせて反射的にしたもの。

高さ の素イデアルでの交わりをとる操作と同じです。余次元 以上で開いている穴を埋める、と読めます。

ねじれのない有限生成加群から始める

高さ 1 の素イデアルで局所化する

すべての局所化を交わらせる

反射包が得られる

が正規ネーター整域のとき、 と同値なのはどれですか。

  • が正則局所環である
  • が一意分解整域である
  • が体である
__RESULT__

高さ の素イデアルがすべて単項であることが で、これは一意分解と同値です。正則なら一意分解ですが、逆は成り立ちません。

余次元 だけを見て貼り合わせる。この視点を持つと、特異点のある環でも因子の言葉が使えるようになります。

参考

Karl Schwede, *Generalized Divisors and Reflexive Sheaves*
Sean Sather-Wagstaff, *Semidualizing modules and the divisor class group*
Divisor class group - Encyclopedia of Mathematics
Krull ring - Encyclopedia of Mathematics
Torsionless module - Wikipedia
$M$ から $M^{**}$ への自然な写像が全単射になる加群を反射的と呼びます。正規ネーター整域の上では、これが高さ $1$ の素イデアルでの局所化を交わらせた形と一致する。余次元 $2$ 以上の情報は効きません。階数 $1$ のものを集めてテンソル積の反射包で足すと群になり、それが因子類群です。二次錐 $k[x,y,z]/(xy-z^2)$ で $(x,z)$ が位数 $2$ になる計算、$\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$ の場合、Picard 群との差まで。