入射包

同義語:単射包入射包絡injective hullinjective envelope本質拡大essential extension

概要

入射包(injective hull)とは、加群 $M$ を含む入射加群 $E$ であって、$E$ の零でない部分加群がすべて $M$ と零でなく交わる(本質拡大である)もののことであり、$E(M)$ と書く。入射包は任意の加群に存在し、$M$ を固定する同型を除いて一意で、$M$ を含む最小の入射加群であると同時に $M$ の最大の本質拡大でもある。Noether 環 $A$ 上では、素イデアル $P$ ごとの $E(A/P)$ が直既約な入射加群のすべてであり、任意の入射加群はそれらの直和に分かれ、各 $P$ の重複度は分解によらない。これは Matlis 双対や Bass 数の基礎になる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 入射対象, 随伴素イデアル, 局所化, Noether環

加群 $M$ を含む入射加群(入射対象)はいくらでも大きく取れるが、その中に「$M$ からはみ出していない」ものが同型を除いてただ 1 つある。それが 入射包 $E(M)$ である。入射包は、$M$ のどの非零元からも $M$ の非零元へ戻れるという「本質拡大」の条件で特徴づけられ、$M$ を含む最小の入射加群であると同時に、$M$ の本質拡大のうち最大のものでもある。
可換 Noether 環 $A$ の上では、入射包はさらに具体的な姿をもつ。素イデアル $P$ ごとに入射加群 $E(A/P)$ が 1 つ定まり、これが直既約な入射加群のすべてであり、どの入射加群もこれらの直和に分かれる(Matlis の構造定理)。各 $E(A/P)$ では $P$ の外の元が自己同型として働き、各元は $P$ のある冪で消える。この記事では、入射包の存在と一意性(thm-ihull-existence)、$E(A/P)$ の性質(thm-ihull-indecomposable)、入射加群の直和分解と重複度の公式(thm-ihull-decomposition)、局所化との両立(thm-ihull-localization)を証明する。これらは Matlis双対 と 入射次元 の Bass 数の基礎になる。

定義

以下、環は単位元をもつ可換環とし、加群はその上の加群とする。

本質拡大

加群 $L$ とその部分加群 $M$ について、$L$ の零でない任意の部分加群 $N$ が $N\cap M\neq0$ を満たすとき、$L$ は $M$ の本質拡大(essential extension)であるといい、$M\subset L$ は本質的であるという。$M\subsetneq L$ のとき真の本質拡大という。単射 $M\to L$ についても、像が本質的なとき本質的という。

$N$ として巡回部分加群 $Ax$ を取れば、$M\subset L$ が本質的であることは次と同値である:$L$ の零でない任意の元 $x$ に対し、$ax\in M$ かつ $ax\neq0$ となる $a\in A$ がある。

入射包

加群 $M$ の入射包(injective hull、injective envelope)とは、入射加群 $E$ と単射 $M\to E$ の組で、$M\to E$ が本質的であるもののことをいう。thm-ihull-existence により入射包は存在し、$M$ を固定する同型を除いて一意なので、$E(M)$ または $E_A(M)$ と書く。

「単射包」ともいう。$M=0$ の入射包は $0$ である($0$ の本質拡大は $0$ だけである)。$M$ 自身が入射的なら $E(M)=M$ である。

直感

$M\subset L$ が本質的であるとは、$L$ の元はどれも $A$ の元を掛けると $M$ に「落ちてくる」ということである。たとえば $\mathbb Z\subset\mathbb Q$ では、$a/b$ に $b$ を掛ければ $\mathbb Z$ の元になる。これに対して $\mathbb Z\subset\mathbb Q\oplus\mathbb Q$(第 1 成分への埋め込み)では、$(0,1)$ に何を掛けても $\mathbb Z\oplus0$ の非零元にはならない。入射包は、$M$ に「落ちてくる」元だけを使って作れる最大の加群であり、余計な直和成分をもたない入射加群である。ベクトル空間では部分空間はすべて直和因子なので、本質拡大は自明なものしかなく、入射包は $M$ 自身になる。

存在と一意性

本質拡大の基本性質
  1. $M\subset L\subset N$ について、$M\subset N$ が本質的であることと、$M\subset L$ と $L\subset N$ がともに本質的であることは同値である。
  2. 包含で全順序づけられた部分加群の族 $\{L_\lambda\}$ がすべて $M$ の本質拡大なら、和集合 $\bigcup_\lambda L_\lambda$ も $M$ の本質拡大である。
  3. 入射加群 $I$ の部分加群 $E$ が入射的なら、$I=E\oplus C$ となる部分加群 $C$ がある。特に、入射加群は真の本質拡大をもたない。

要点:1 と 2 は部分加群の交わりを順にたどるだけで、3 は恒等写像を入射性で延長した引き込みから従う。

詳しい証明を開く

1:$M\subset N$ が本質的なら、$L$ の非零部分加群も $N$ の非零部分加群なので $M$ と交わり、$N$ の非零部分加群 $K$ は $K\cap M\subset K\cap L$ が非零なので $L$ と交わる。逆に、$N$ の非零部分加群 $K$ を取ると $K\cap L\neq0$ で、これは $L$ の非零部分加群なので $(K\cap L)\cap M\neq0$、したがって $K\cap M\neq0$ である。

2:和集合の非零元 $x$ はある $L_\lambda$ に入り、$Ax\cap M\neq0$ である。上の元による言い換えにより本質的である。

3:恒等写像 $E\to E$ を $E$ の入射性で $I\to E$ に延長したものを $r$ とすると、$r$ は $E$ 上で恒等なので $I=E\oplus\ker r$ である。$E$ が入射的で $E\subset L$ が本質拡大なら、$L=E\oplus C$ と分かれ、$C\cap E=0$ と本質性から $C=0$、すなわち $L=E$ である。$\square$

入射包の存在と一意性

任意の加群 $M$ に対して入射包 $M\subset E$ が存在する。さらに次が成り立つ。

  1. (一意性)$M\subset E$、$M\subset E'$ がともに入射包なら、$M$ の元を動かさない同型 $E\to E'$ がある。ただしこの同型は一般にはただ 1 つではない。
  2. (最大性)$M\subset L$ が本質拡大なら、$M$ 上で恒等な単射 $L\to E$ がある。$E\subset L'$ が $M$ の本質拡大なら $L'=E$ である。
  3. (最小性)$M$ を含む任意の入射加群 $J$ の中に、$M$ を含む部分加群で $M$ の入射包であるものがあり、それは $J$ の直和因子である。

存在. 加群の圏は十分な入射対象をもつので(入射対象 の記事の定理「加群の圏は十分な入射対象をもつ」)、$M$ を入射加群 $I$ の部分加群とみなせる。$I$ の部分加群 $H$ で $M\subset H$ が本質的なもの全体を包含で順序づける。$M$ 自身が属するので空でなく、lem-ihull-essential-basic の 2 により鎖の和集合も属する。Zorn の補題により極大元 $H$ がある。$H$ が入射的であることを示す。
$H\cap K=0$ となる $I$ の部分加群 $K$ のうち極大なものを Zorn の補題で取る($K=0$ が属し、鎖の和集合も条件を保つ)。商写像 $\pi\colon I\to I/K$ は $H$ 上で単射である。$\pi(H)\subset I/K$ は本質的である:$L/K$($K\subsetneq L\subset I$)が $\pi(H)=(H+K)/K$ と $0$ で交わるとすると $L\cap(H+K)=K$ なので $L\cap H\subset K\cap H=0$ となり、$K$ の極大性に反する。
$H\to I$ の包含を $I$ の入射性で $I/K\supset\pi(H)$ から延長し、$\varphi\colon I/K\to I$、$\varphi(\pi(h))=h$ を得る。$\ker\varphi\cap\pi(H)=0$ なので本質性から $\ker\varphi=0$ である。よって $\varphi$ は $I/K$ と $\varphi(I/K)$ の同型で、$\pi(H)\subset I/K$ が本質的だから $H\subset\varphi(I/K)$ も本質的である。lem-ihull-essential-basic の 1 により $M\subset\varphi(I/K)$ は本質的で、$H$ の極大性から $\varphi(I/K)=H$ となる。すると $\varphi\circ\pi\colon I\to H$ は $H$ 上で恒等であり、$I=H\oplus\ker(\varphi\circ\pi)$ と分かれる。入射加群の直和因子は入射的なので(射影で写像を延長すればよい)、$H$ は入射的であり、$M\subset H$ は入射包である。
一意性. 包含 $M\to E'$ を $E'$ の入射性で $f\colon E\to E'$ に延長する。$\ker f\cap M=0$ なので本質性から $\ker f=0$ である。$f(E)\cong E$ は入射的なので lem-ihull-essential-basic の 3 により $E'=f(E)\oplus C$ と分かれる。$M=f(M)\subset f(E)$ なので $C\cap M=0$ であり、$M\subset E'$ の本質性から $C=0$ である。よって $f$ は $M$ 上で恒等な同型である。
最大性. $M\subset L$ が本質的なら、包含 $M\to E$ を $L\to E$ に延長すると、核は $M$ と交わらないので零である。$E\subset L'$ で $M\subset L'$ が本質的なら、lem-ihull-essential-basic の 1 により $E\subset L'$ も本質的であり、同じ補題の 3 により $L'=E$ である。
最小性. $M\subset J$ で $J$ が入射的なら、包含 $M\to J$ を $g\colon E\to J$ に延長する。一意性の証明と同じく $g$ は単射で、$g(E)$ は $M$ を含む入射部分加群、$M\subset g(E)$ は本質的なので入射包である。lem-ihull-essential-basic の 3 により $g(E)$ は $J$ の直和因子である。$\square$

同型がただ 1 つでないことは次の例で分かる。

$M$ を固定する自己同型が恒等とは限らない

$p$ を素数とし、$\mathbb Z/p\cong\langle 1/p+\mathbb Z\rangle\subset\mathbb Z/p^\infty$ を考える($\mathbb Z/p^\infty$ は $\mathbb Q/\mathbb Z$ の元のうち分母が $p$ の冪のもの全体)。入射対象 の記事の例「入射包の例」の 2 により、これは $\mathbb Z/p$ の入射包である。$u=1+p$ 倍の写像 $\sigma$ は、$p$ と互いに素な整数倍なので $\mathbb Z/p^\infty$ の自己同型であり($p^n$ を法とする $u$ の逆元を掛ければ逆写像になる)、$\sigma(1/p)=1/p+1\equiv1/p$ なので $\mathbb Z/p$ の元を動かさない。しかし $\sigma(1/p^2)=1/p^2+1/p\neq1/p^2$ である。したがって恒等写像と $\sigma$ は、$M$ を固定する $E(M)$ の異なる自己同型である。

例

整域の商体

$A$ を整域、$K$ をその商体とすると $E(A)=K$ である。$K$ の入射性は Baer の判定法(入射対象 の記事の定理「Baer の判定法」)で確かめる。イデアル $I\neq0$ と $A$ 線形写像 $f\colon I\to K$ を取り、$0\neq a\in I$ を固定する。$b\in I$ について $af(b)=f(ab)=bf(a)$ なので $f(b)=b\cdot f(a)/a$ であり、$1\mapsto f(a)/a$ で $A\to K$ に延長できる($I=0$ なら零写像で延長する)。本質性:$K$ の非零元 $c/s$($c,s\in A$、$s\neq0$)に $s$ を掛けると非零元 $c\in A$ になる。$A$ が体なら $E(A)=A$ で、これも同じ主張に含まれる。

離散付値環の剰余体

$A$ を体でない離散付値環、$t$ を素元、$K$ を商体、$k=A/tA$ とすると $E(k)=K/A$ である。$A$ の非零イデアルは $t^rA$ の形なので、写像 $f\colon t^rA\to K/A$ が $f(t^r)=\alpha+A$ なら $1\mapsto\alpha/t^r+A$ で延長でき、Baer の判定法により $K/A$ は入射的である。$t^{-1}A/A\cong k$ であり、$K/A$ の非零元 $c+A$ は付値が $-r<0$ の $c$ で代表され、$t^{r-1}$ 倍は $t^{-1}A/A$ の非零元なので、$k\subset K/A$ は本質的である。$A=\mathbb Z_{(p)}$ なら $K/A=\mathbb Q/\mathbb Z_{(p)}\cong\mathbb Z/p^\infty$ である。

整数環上の入射包

$\mathbb Z$ 上では $E(\mathbb Z)=\mathbb Q$、$E(\mathbb Z/p)=\mathbb Z/p^\infty$ である(入射対象 の記事の例「入射包の例」)。$n=p_1^{e_1}\cdots p_r^{e_r}$ なら $\mathbb Z/n\cong\bigoplus_i\mathbb Z/p_i^{e_i}$ で、$\mathbb Z/p^{e}\subset\mathbb Z/p^\infty$(分母が $p^e$ を割る元全体)は本質的なので、prop-ihull-direct-sum により
$$E(\mathbb Z/n)=\bigoplus_{i=1}^r\mathbb Z/p_i^\infty$$
である。また $\mathbb Q/\mathbb Z=\bigoplus_p\mathbb Z/p^\infty$(各元の分母を素因数分解して部分分数に分ける)なので、$0\to\mathbb Z\to\mathbb Q\to\mathbb Q/\mathbb Z\to0$ は、各項が $E(A/P)$ の直和である入射分解になっている。

打ち切り多項式環

体 $k$ と $q\ge1$ について $A=k[x]/(x^q)$ とする。$A$ は $A$ 加群として入射的であり($q\ge2$ は Gorenstein環 の記事の命題「打ち切り多項式環の自己入射性」、$q=1$ は体)、$A$ の零でないイデアルはすべて $(x^{q-1})$ を含む($(x^j)$ の形だから)。したがって $k\cong(x^{q-1})\subset A$ は本質的で、$E_A(k)=A$ である。

環 $A$加群 $M$$E_A(M)$
整域$A$商体 $K$
体でない離散付値環剰余体 $k$$K/A$
$\mathbb Z$$\mathbb Z/n$($n\ge2$)$\bigoplus_{p\mid n}\mathbb Z/p^\infty$
$k[x]/(x^q)$$k$$A$
体 $k$ベクトル空間 $V$$V$

直和との関係

直和の入射包
  1. $M_\lambda\subset L_\lambda$($\lambda\in\Lambda$)がすべて本質的なら、$\bigoplus_\lambda M_\lambda\subset\bigoplus_\lambda L_\lambda$ も本質的である。
  2. $\Lambda$ が有限なら $E\bigl(\bigoplus_\lambda M_\lambda\bigr)=\bigoplus_\lambda E(M_\lambda)$ である。
  3. $A$ が Noether 環なら、任意個の入射加群の直和は入射的であり、任意の $\Lambda$ について 2 の等式が成り立つ。

要点:1 は非零成分の個数についての帰納法、3 は Noether 環のイデアルが有限生成なので写像の像が有限個の成分に収まることによる。

詳しい証明を開く

1:$\bigoplus L_\lambda$ の非零元 $x$ について、$ax\in\bigoplus M_\lambda$ かつ $ax\neq0$ となる $a\in A$ があることを、$x$ の非零成分の個数 $n$ についての帰納法で示す。$n=1$ は $M_\lambda\subset L_\lambda$ の本質性そのものである。$n\ge2$ とし、非零成分の 1 つを $x_\mu$、残りの成分からなる元を $x'$ とする($x=x'+x_\mu$)。$ax_\mu\in M_\mu\setminus0$ となる $a$ を取る。$ax'=0$ なら $ax=ax_\mu$ が求める元である。$ax'\neq0$ なら、$ax'$ の非零成分は $n-1$ 個以下なので、帰納法の仮定により $b(ax')\in\bigoplus M_\lambda\setminus0$ となる $b$ がある。$bax_\mu\in M_\mu$ でもあるから、$bax=bax'+bax_\mu$ は $\bigoplus M_\lambda$ に入り、$\mu$ 以外の成分 $bax'$ が非零なので非零である。

2:有限個の入射加群の直和は入射的である(写像を成分ごとに延長する)。1 と合わせて $\bigoplus E(M_\lambda)$ は $\bigoplus M_\lambda$ の入射包である。

3:$I=\bigoplus_\lambda I_\lambda$ を入射加群の直和とする。Baer の判定法により、イデアル $J$ からの写像 $f\colon J\to I$ を $A$ に延長すればよい。$J$ は有限生成なので、生成元の像は有限個の成分の直和 $I'=I_{\lambda_1}\oplus\cdots\oplus I_{\lambda_n}$ に入り、$f(J)\subset I'$ である。$I'$ は入射的なので $f$ は $A\to I'\subset I$ に延長できる。よって $I$ は入射的で、1 と合わせて 2 の等式が任意の $\Lambda$ で成り立つ。$\square$

3 の Noether 性は外せない。

反例:Noether でない環では入射加群の直和が入射的とは限らない

$A$ を Noether 環でない環とし、イデアルの真の増大列 $I_1\subsetneq I_2\subsetneq\cdots$ を取って $I=\bigcup_nI_n$ とする(たとえば $A=k[x_1,x_2,\dots]$、$I_n=(x_1,\dots,x_n)$)。$E_n=E(I/I_n)$ とし、
$$f\colon I\to\bigoplus_nE_n,\qquad f(a)=(a+I_n)_n$$
を考える。$a\in I$ はある $I_m$ に入るので $n\ge m$ の成分は零で、$f$ は直和への $A$ 線形写像である。$f$ が $g\colon A\to\bigoplus_nE_n$ に延長できたとすると、$g(1)$ の成分はある $N$ 以降すべて零なので、$a\in I$ について $f(a)=ag(1)$ の第 $N$ 成分は零、すなわち $a\in I_N$ となる。これは $I\subset I_N$、したがって $I_{N+1}\subset I_N$ を意味し、矛盾である。よって $\bigoplus_nE_n$ は入射的でない。各 $E_n$ は入射的なので、入射加群の直和が入射的でない例になっている。

Noether 環上の直既約入射加群

以下この節と次の節では $A$ を Noether 環とする。加群が直既約であるとは、零でなく、零でない 2 つの部分加群の直和に分かれないことをいう。素イデアル $P$ について $\kappa(P)=A_P/PA_P$ と書く。

$E(A/P)$ の性質

$A$ を Noether 環、$P,Q$ を素イデアルとし、$E=E(A/P)$ とする。

  1. $E$ の零でない 2 つの部分加群は必ず零でなく交わる。特に $E$ は直既約である。
  2. $x\in A\setminus P$ なら、$x$ 倍は $E$ の自己同型である。$x\in P$ なら、$x$ 倍は $E$ 上で単射でない。
  3. 直既約な入射加群は、ある素イデアル $P$ について $E(A/P)$ と同型であり、その $P$ はただ 1 つに定まる。
  4. $\operatorname{Ass}E=\{P\}$ であり、$E$ の各元 $\xi$ についてある $v\ge1$ で $P^v\xi=0$ となる。
  5. $Q\subset P$ なら、$E(A/Q)$ は 2 により自然に $A_P$ 加群であり、$A_P$ 加群として $A_P/QA_P$ の入射包である。特に $E_A(A/P)=E_{A_P}(\kappa(P))$ である。
  6. $Q\not\subset P$ なら $E(A/Q)_P=0$ である。

1:$N_1,N_2\subset E$ が零でなければ、本質性から $N_i\cap(A/P)$ は整域 $A/P$ の零でないイデアル $J_i$ である。$J_1J_2\neq0$ は $J_1\cap J_2\subset N_1\cap N_2$ に含まれる。$E\neq0$($A/P\neq0$)なので $E$ は直既約である。
2:$x\notin P$ なら $x$ 倍の核は $A/P$ と $0$ で交わる($A/P$ は整域で $x$ の像は零でない)ので、本質性から核は零である。像は $E$ と同型なので入射的で、lem-ihull-essential-basic の 3 により $E$ の直和因子である。像は零でないので、1 により像は $E$ 全体である。$x\in P$ なら $x\cdot(1+P)=0$ なので $x$ 倍は単射でない。
3:$N$ を直既約な入射加群とする。$N\neq0$ で $A$ は Noether なので $\operatorname{Ass}N\neq\emptyset$ であり(随伴素イデアル の記事の定理「随伴素の存在」)、$P\in\operatorname{Ass}N$ について $A/P\cong A\xi\subset N$ となる。thm-ihull-existence の 3 により $N$ は $A\xi$ の入射包を直和因子として含み、$N$ は直既約なので $N\cong E(A\xi)\cong E(A/P)$ である。$E(A/P)\cong E(A/P')$ で $P\neq P'$ なら、たとえば $x\in P\setminus P'$ を取ると(逆の包含なら役割を替える)、2 により $x$ 倍は $E(A/P')$ では単射、$E(A/P)$ では単射でなく、矛盾する。
4:$Q\in\operatorname{Ass}E$ なら $A/Q\cong A\xi\subset E$ で、3 の証明と同じく $E\cong E(A/Q)$ となるので、3 の一意性から $Q=P$ である。$0\neq\xi\in E$ とすると、$A\xi\cong A/\operatorname{ann}\xi$ の随伴素は $\operatorname{Ass}E=\{P\}$ に含まれ、空でない。$A\xi$ の支持 $V(\operatorname{ann}\xi)$ の極小元は随伴素なので(随伴素イデアル の記事の命題「支持と随伴素の極小元」)、$\operatorname{ann}\xi$ を含む極小な素イデアルは $P$ だけであり、$\sqrt{\operatorname{ann}\xi}=P$ である。$P$ は有限生成なので、生成元 $p_1,\dots,p_s$ の冪 $p_i^{e}$ がすべて $\operatorname{ann}\xi$ に入る $e$ を取れば、$v=s(e-1)+1$ について $P^v\subset\operatorname{ann}\xi$ となる。$\xi=0$ なら $v=1$ でよい。
5:$A\setminus P\subset A\setminus Q$ なので、2 により $s\in A\setminus P$ は $E(A/Q)$ に可逆に作用し、$(a/s)\xi:=s^{-1}(a\xi)$ で $E(A/Q)$ は $A_P$ 加群になる。$A_P$ 加群のあいだの $A$ 線形写像 $f$ は自動的に $A_P$ 線形である($sf(s^{-1}u)=f(u)$ による)。したがって $A_P$ 加群 $N\subset L$ と $A_P$ 線形写像 $N\to E(A/Q)$ は、$A$ 線形写像として $L$ に延長でき、それは $A_P$ 線形である。よって $E(A/Q)$ は $A_P$ 上入射的である。包含 $A/Q\to E(A/Q)$ は $A_P/QA_P=(A/Q)_P\to E(A/Q)$、$\bar a/s\mapsto s^{-1}\bar a$ に延び、これは単射である($s^{-1}\bar a=0$ なら $\bar a=0$)。$E(A/Q)$ の零でない $A_P$ 部分加群は $A$ 部分加群として $A/Q$ と零でなく交わるので、$(A/Q)_P\subset E(A/Q)$ は本質的である。
6:$x\in Q\setminus P$ を取る。4 により $E(A/Q)$ の各元 $\xi$ はある $Q^v$、したがって $x^v$ で消える。$x^v$ は $A_P$ で単元なので $\xi/1=0$ である。$\square$

入射加群の直和分解

入射加群の構造定理

$A$ を Noether 環とする。任意の入射 $A$ 加群 $I$ は、素イデアルの族 $(P_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}$ を用いて
$$I\cong\bigoplus_{\lambda\in\Lambda}E(A/P_\lambda)$$
と直和分解される。各素イデアル $P$ について、$P_\lambda=P$ となる $\lambda$ の個数(濃度)は分解によらず
$$\dim_{\kappa(P)}\operatorname{Hom}_{A_P}(\kappa(P),I_P)$$
に等しい。

分解の存在. $I$ の部分加群の族で、各成員がある $E(A/P)$ と同型な入射部分加群であり、成員たちの和が直和になっているもの(有限個ずつ見て直和であるもの)全体を包含で順序づける。空族が属し、鎖の和集合も条件を保つ(直和であることは有限個の成員で判定され、有限個の成員は鎖のある 1 つの族に入る)ので、Zorn の補題により極大な族 $\mathcal F$ がある。その和 $N=\bigoplus_{F\in\mathcal F}F$ は prop-ihull-direct-sum の 3 により入射的なので、lem-ihull-essential-basic の 3 により $I=N\oplus N'$ と分かれる。$N'\neq0$ とすると、$N'$ は入射的で、$P\in\operatorname{Ass}N'$ について $A/P\subset N'$ となり、thm-ihull-existence の 3 により $N'$ は $E(A/P)$ と同型な部分加群 $F'$ を含む。$\mathcal F\cup\{F'\}$ は条件を満たす族で、$\mathcal F$ の極大性に反する。よって $N'=0$、$I=N$ である。
重複度. $I=\bigoplus_\lambda E_\lambda$、$E_\lambda\cong E(A/P_\lambda)$ を任意の分解とする。局所化は直和と交換するので、thm-ihull-indecomposable の 5・6 により
$$I_P\cong\bigoplus_{P_\lambda\subset P}E_{A_P}(A_P/P_\lambda A_P)$$
である。$\kappa(P)$ は巡回 $A_P$ 加群なので、そこからの写像の像は有限個の成分に入り、$\operatorname{Hom}_{A_P}(\kappa(P),-)$ はこの直和と交換する。$P_\lambda\subsetneq P$ の成分では、$x\in P\setminus P_\lambda$ が自己同型として働く(thm-ihull-indecomposable の 2)のに $\kappa(P)$ を消すので、$\kappa(P)$ からの写像は零である。$P_\lambda=P$ の成分 $E'=E_{A_P}(\kappa(P))$ では、$\operatorname{Hom}(\kappa(P),E')$ は $PA_P$ で消える元の全体 $S$ と同一視できる。$S$ は $\kappa(P)$ 上のベクトル空間で、その 1 次元部分空間は単純部分加群なので本質的な $\kappa(P)\subset E'$ と交わり、$\kappa(P)$ に含まれる。よって $S=\kappa(P)$ は 1 次元である。以上から $\operatorname{Hom}_{A_P}(\kappa(P),I_P)$ は、$P_\lambda=P$ となる $\lambda$ を添字とする $\kappa(P)$ の直和と同型であり、その次元は分解によらない(ベクトル空間の基底の濃度は一意である)。$\square$

一意なのは重複度(各型の成分の個数)であって、分解の成分の部分加群そのものではない。同じ型の成分を足し合わせた部分加群でさえ、分解によって変わる。

反例:同じ型の成分の和は部分加群として一意でない

$A$ を体でない離散付値環、$t$ を素元、$K$ を商体、$\pi\colon K\to K/A$ を商写像とし、$I=K\oplus K/A$ とする。$K=E(A)=E(A/(0))$、$K/A=E(A/tA)$ はともに直既約な入射加群である(ex-ihull-fraction-field、ex-ihull-dvr、thm-ihull-indecomposable の 1)。$F=K\oplus0$、$G=\{(z,\pi(z)):z\in K\}$、$N=0\oplus K/A$ とおくと、$I=F\oplus N$ であり、また $(z,w)=(z,\pi(z))+(0,w-\pi(z))$ と $G\cap N=0$ から $I=G\oplus N$ でもある。$G\cong K$ なので、どちらも thm-ihull-decomposition の分解で、素イデアル $(0)$ の成分の個数は両方とも $1$ である。しかし $(0)$ 型の成分は一方では $F$、他方では $G$ であり、$(t^{-1},\pi(t^{-1}))\in G\setminus F$ なので $F\neq G$ である。

局所化との両立

本質拡大と入射包の局所化

$A$ を Noether 環、$S$ を積閉集合とする。

  1. $N\subset M$ が本質的なら、$N_S\subset M_S$ も本質的である($M$ は有限生成でなくてよい)。
  2. $E_A(M)_S$ は $A_S$ 加群 $M_S$ の入射包である。
  3. $0\to M\to I^0\to I^1\to\cdots$ が各 $I^i$ を直前の像の入射包とする入射分解なら、その $S$ での局所化も $M_S$ の同じ性質をもつ入射分解である。

要点:1 では $\operatorname{ann}(t\xi)$ を Noether 性で極大にして分母の影響を消し、有限生成なイデアル $\{a:a\eta\in N\}$ の生成元のどれかが局所化後も生き残ることを示す。2・3 は入射加群の局所化が入射的であることと 1 から従う。

詳しい証明を開く

1:$M_S$ の零でない元は単元倍を除いて $\xi/1$($\xi\in M$)の形なので、$\xi/1\neq0$ について $A_S(\xi/1)\cap N_S\neq0$ を示せばよい。$\{\operatorname{ann}(t\xi):t\in S\}$ は Noether 性により極大元 $\operatorname{ann}(t_0\xi)$ をもつ。$\eta=t_0\xi$ とおくと $\eta/1\neq0$ であり、任意の $t\in S$ について $\operatorname{ann}(t\eta)\supset\operatorname{ann}\eta$ と極大性から $\operatorname{ann}(t\eta)=\operatorname{ann}\eta$ である。$\mathfrak b=\{a\in A:a\eta\in N\}$ とおくと、本質性から $\mathfrak b\eta=A\eta\cap N\neq0$ である。$\mathfrak b=(b_1,\dots,b_r)$ と有限生成に書く。もしすべての $i$ で $b_i\eta/1=0$ なら、共通の $t\in S$ で $tb_i\eta=0$(全 $i$)となり、$\mathfrak b\subset\operatorname{ann}(t\eta)=\operatorname{ann}\eta$、すなわち $\mathfrak b\eta=0$ となって矛盾する。よってある $i$ で $b_i\eta/1$ は $A_S(\xi/1)\cap N_S$ の零でない元である($\eta/1=(t_0/1)(\xi/1)$)。

2:Noether 環上の入射加群の局所化は入射的である(Gorenstein環 の記事の命題「ネーター環の入射加群の局所化」)。これと 1 により $M_S\subset E(M)_S$ は入射包である。

3:局所化は完全なので局所化した列は完全で、2 と同じ理由で各項は入射的、各項は直前の像の局所化の本質拡大である。$\square$

条件を外した反例

外す条件反例成り立たなくなること
本質性(入射的であるだけ)$\mathbb Z/p\subset\mathbb Q/\mathbb Z$$M$ を含む最小の入射加群であること
Noether 性$I_1\subsetneq I_2\subsetneq\cdots$ と $\bigoplus_nE(I/I_n)$入射加群の直和が入射的であること
環が Artin 環であること$A=k[\![x]\!]$、$M=k$有限生成加群の入射包が有限生成であること
反例の確認

1 行目:$\mathbb Q/\mathbb Z=\bigoplus_q\mathbb Z/q^\infty$($q$ は素数)は入射的で $\mathbb Z/p$ を含むが、$q\neq p$ の成分 $\mathbb Z/q^\infty$ は $\mathbb Z/p$ と $0$ で交わるので本質的でなく、入射包 $\mathbb Z/p^\infty$ はその真の直和因子である。2 行目は ex-ihull-non-noetherian-sum である。3 行目:$A=k[\![x]\!]$ は体でない離散付値環で、ex-ihull-dvr により $E(k)=k(\!(x)\!)/k[\![x]\!]$ である。その有限生成部分加群は $x^{-r}A/A$ のどれかに含まれ、$x^{-r}A/A$ は真に増大するので、$E(k)$ は有限生成でない。一方、$A$ が Artin 局所環なら $E(k)$ は $A$ と同じ長さをもつ(Matlis双対 の記事で証明する)。条件を外すのではなく主張を強めた形も成り立たない。入射包のあいだの同型は $M$ を固定してもただ 1 つとは限らず(ex-ihull-nonunique)、同じ型の成分の和は部分加群としては分解の取り方によらないとは限らない(ex-ihull-component-not-unique)。

補足

有限生成加群の入射包と Bass 数

$A$ が Noether 環で $M$ が有限生成なら、$E(M)$ は thm-ihull-decomposition により $E(A/P)$ の直和であり、$P$ が現れるのは $P\in\operatorname{Ass}M$ のときに限る($E(M)$ の随伴素は本質性により $M$ の随伴素であり、thm-ihull-indecomposable の 4 により $\operatorname{Ass}E(A/P)=\{P\}$)。各 $P$ の重複度は $\dim_{\kappa(P)}\operatorname{Hom}_{A_P}(\kappa(P),M_P)$ で、有限である($E(M)_P=E(M_P)$ の socle の元は本質性により $M_P$ に入る。入射次元 の記事の Bass 数の公式の $i=0$ の場合)。入射分解の各段に同じ考えを当てたものが Bass 数であり、入射次元 の記事で扱う。局所環 $(A,\mathfrak m,k)$ の剰余体の入射包 $E(k)$ は特に重要で、それを使った双対 $\operatorname{Hom}_A(-,E(k))$ が Matlis双対 である。

文献

本質拡大と入射包の存在は Mat89 Appendix B(p. 281、Theorem B4 の前後)、Noether 環上の $E(A/P)$ の性質は Mat89 Theorem 18.4(pp. 145–146)、例は同 p. 146 の Examples 1・2、直和分解と重複度の公式は Theorem 18.5 (ii)・(iii) の後半(pp. 146–148)、局所化は Lemma 6(pp. 149–150)にある。Noether 環上の入射加群が直既約な入射加群の直和に分かれることと、素イデアルと直既約入射加群の対応は Matlis による(Mat58 Theorem 2.5(p. 516)、Proposition 3.1(p. 518))。StacksDC Section 5(Tags 08Y3、08Y4、08YA)にも同じ内容がある。

関連項目

参考文献

[1]
Hideyuki Matsumura (translated by Miles Reid), Commutative Ring Theory, Cambridge Studies in Advanced Mathematics 8, Cambridge University Press, 1989, Appendix B(p. 281、本質拡大と入射包、Theorem B4)、§18 Theorem 18.4(pp. 145–146)、Examples 1・2(p. 146)、Theorem 18.5(pp. 146–148)、Lemma 6(pp. 149–150)
[2]
Eben Matlis, Injective modules over Noetherian rings, Pacific Journal of Mathematics, 1958, pp. 511–528(Theorem 2.5 p. 516、Proposition 3.1 p. 518)

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