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割り算の筆算が使える整域(ユークリッド整域から整閉整域まで)

整数と 1 変数多項式には、割り算の筆算があります。余りが「小さくなる」ことを保証する量があるためです。

その量を公理として抜き出したものがユークリッド整域[2]。ここから始めて、条件をゆるめていくと整域の階層ができます。

ユークリッド整域

整域 に関数 があり、次を満たすとします[2]

に対し、 となる がとれて、 または

これがユークリッド関数です。余りが になるか、測った値が真に小さくなる。

でユークリッド整域になる。
体上の 1 変数多項式環 でユークリッド整域になる。
ガウス整数環 でユークリッド整域になる。
アイゼンシュタイン整数環も同じくノルムでユークリッド整域になる。
体は を定数にとればよい。余りは常に になる。

値が小さくなる、という条件だけで互除法が回ります。有限回で止まる保証がここから出る。

ユークリッド整域は単項イデアル整域になる

証明は短い。イデアル をとり、 でない元のうち の値が最小のものを とします。

に対して と書くと、 に入ります。 なら となり、最小性に反する。

だから で、 の倍数。 です[1]

最小の値を持つ元をとる。この一手で すべてのイデアルが単項になる

「小さくなる」量があるかどうかだけが効いている。

単項イデアル整域は一意分解整域です[3]。整数の素因数分解と同じ形の分解が成り立つ。

階層

条件をゆるめる向きに並べると、体、ユークリッド整域、PID、UFD、整閉整域、整域という順に広がります[4]

どの包含も真です。それぞれの隙間に、きちんと例があります。

PID だがユークリッドでない

いちばん有名な隙間がここです。 が単項イデアル整域でありながら、どんなユークリッド関数も持ちません[1]

Motzkin が 1949 年に判定条件を作り、それを使って示しました。普遍側因子という元が存在しないことを見る議論です。

虚二次体で見ると線引きがはっきりします[1] の整数環がユークリッドになるのは の 5 つだけ。

一方で単項イデアル整域になるのは の 9 つです。差の 4 つが、この隙間を埋めています。

ユークリッド整域

割り算の筆算が書ける。

単項イデアル整域

イデアルは単項だが筆算は書けない。 が追加で入る

単項性だけを問うなら、ユークリッド関数より弱い条件で足ります。Dedekind-Hasse ノルムを持つことと PID であることが同値になります[1]

UFD だが PID でない

が例です[3]。一意分解は成り立ちますが、イデアル は単項ではありません。

の公約数は単元しかないので、単項なら になるはず。ところが は定数項が偶数の多項式全体で、 を含みません。

多変数でも同じです。 が単項になりません。

一意分解と単項性は別の条件です。次元が 以上の環では、必ず単項でないイデアルが出ます。

整閉だが UFD でない

をとります。 の分解が 2 通りに書けます。

はどれも既約で、たがいに同伴ではありません。一意分解は崩れています。

それでもこの環は整閉です。 の整数環そのものだからです。

イデアルまで上がると分解は一意に戻ります。デデキント整域だからです。元の分解が崩れているだけ。

整閉でない整域

を見ます。 は分数体に入っていて、 の根です[4]。係数は環の中にある。

ところが 自身は環に入りません。整な元が外にいるので、整閉ではない。

幾何ではカスプにあたります。尖った特異点を持つ曲線の座標環です。

も整閉ではありません。 の根で、環の外にあります[4]

整閉になる例

で割ると 余るので、これが整数環そのもの

整閉にならない例

で割ると 余るので、整数環はもっと大きい

上へ行くほど何が言えるか

条件が強いほど、使える道具が増えます。

整閉なら、整な元が外へ逃げない

UFD なら、既約元による分解が一意になる

PID なら、すべてのイデアルが 1 つの元で書ける

ユークリッドなら、互除法で公約元が計算できる

いちばん上のユークリッド整域だけが、計算の手順まで与えます。ほかは存在を保証するだけ。

で最大公約数を求めるとき、互除法があるから具体的に計算できます。PID であることだけ知っていても、公約元がどれかは分かりません。

GCD 整域という段

UFD と整閉のあいだに、もう 1 段あります[4]。任意の 2 元が最大公約元を持つ整域です。

UFD なら分解から公約元が作れるので、GCD 整域になります。逆は成り立ちません。

ネーター環に限ると、GCD 整域と UFD が一致します。だから隙間の例は、ネーターでない環から探すことになる。

について正しいのはどれですか。

  • ユークリッド整域である
  • UFD だが PID ではない
  • 整閉でない
__RESULT__

が UFD なので も UFD です。ところが が単項でないため PID にはなりません。UFD は整閉なので、整閉でないという選択肢も誤りです。

小さくなる量があるか、イデアルが 1 元で書けるか、分解が一意か、整な元が外へ出ないか。4 つの問いの答えが、そのまま階層の段になっています。

参考

Keith Conrad, *Remarks about Euclidean domains*
Euclidean ring - Encyclopedia of Mathematics
Principal ideal ring - Encyclopedia of Mathematics
Integrally closed domain - Wikipedia
余りが「小さくなる」ことを保証する関数を持つ整域がユークリッド整域です。値が最小の元をとるだけで、すべてのイデアルが単項だと分かる。そこから PID、UFD、整閉整域と条件をゆるめていくと、包含がどれも真になる階層ができます。隙間を埋めるのは、ユークリッドでない PID $\mathbb{Z}[(1+\sqrt{-19})/2]$、PID でない UFD $\mathbb{Z}[x]$、UFD でない整閉整域 $\mathbb{Z}[\sqrt{-5}]$、整閉でない $k[t^2,t^3]$。虚二次体でユークリッドになる 5 つと類数 1 の 9 つの差まで。