Krull–Schmidt–東屋の定理(Krull–Schmidt–Azumaya theorem)とは、自己準同型環が局所環である加群の直和 $M=\bigoplus_{i\in I}M_i$(成分は無限個でもよい)について、$M$ の直既約な直和因子はどれもある $M_i$ と同型であり、$M$ の直既約な加群への直和分解は、成分の同型類と各同型類の成分の個数(濃度)を除いて一意であるという定理である。証明の要は、和が恒等写像になる 2 つの自己準同型の一方で有限個の成分を取り替える東屋の交換補題である。ベクトル空間の次元が基底によらないこと、半単純加群や Noether 環上の入射加群の分解の重複度が一意であることが例として従う。
前提知識: Krull–Schmidtの定理, 直和因子, 自己準同型環, 基数
Krull–Schmidt–東屋の定理(Krull–Schmidt–Azumaya theorem)とは、自己準同型環が局所環である加群の直和 $M=\bigoplus_{i\in I}M_i$($I$ は無限集合でもよい)について、$M$ の直既約な直和因子はどれもある $M_i$ と同型であり、$M$ を直既約な加群の直和に分解する仕方は、成分の同型類と、各同型類に属する成分の個数(濃度)を除いて一意である、という定理である。
Krull–Schmidtの定理 は長さ有限の加群、すなわち有限個の成分への分解を扱う。そこでの一意性の証明(同じ記事の定理「局所的な自己準同型環をもつ加群への分解の一意性」)は、成分を 1 つずつ取り替える交換の議論で、成分が有限個であることを使っている。成分が無限個になると、直和因子の元は有限個の成分にしか成分をもたないが、直和因子そのものは無限個の成分にまたがりうる。東屋五郎(Gorô Azumaya)は、一つの元を見て有限個の成分だけを取り替える補題を作り、この困難を越えた。この記事ではその補題と定理を証明し、ベクトル空間の次元、半単純加群、Noether 環上の入射加群に当てはめる。
| 結果 | 内容 | 仮定 |
|---|---|---|
| lem-ksa-split | $vu$ が自己同型なら $M=u(A)\oplus\ker v$ | なし |
| lem-ksa-exchange | $a+b=1$ なら有限個の成分を $a$ か $b$ の像に取り替えられる | 成分の自己準同型環が局所環 |
| thm-ksa-main | 直既約な直和因子は成分のどれかと同型。直既約分解は同型類と濃度を除いて一意 | 成分の自己準同型環が局所環 |
| ex-ksa-vector-space | ベクトル空間の次元が基底によらない | 体または可除環上 |
| ex-ksa-injective | Noether 環上の入射加群の分解の重複度 | 可換 Noether 環 |
以下、環は単位元 $1$ をもつ結合的な環(可換とは限らない)とし、加群は左加群、準同型は左から作用させる。$R$ を環とする。直既約加群と局所環の定義は Krull–Schmidtの定理 と同じである。左 $R$ 加群 $M$ が直既約であるとは、$M\ne0$ で、部分加群の直和 $M=M_1\oplus M_2$ に書けば $M_1=0$ か $M_2=0$ となることをいう。環 $E$ が局所環であるとは、$E\ne0$ で、単元でない元の全体が両側イデアルをなすことをいう。局所環では、有限個の元の和が単元ならそのどれかが単元であり、自己準同型環が局所環の加群は直既約である(Krull–Schmidtの定理 の補題「局所環の元の和」)。
部分加群の族 $(M_i)_{i\in I}$ について、$M$ が $M=\bigoplus_{i\in I}M_i$(内部直和)であるとは、$M$ の各元 $x$ が、有限個を除いて $0$ である $x_i\in M_i$ によって $x=\sum_ix_i$ とただ一通りに書けることをいう(直和)。$x_i\ne0$ となる $i$ の集合を $x$ の台と呼ぶ。$p_i\colon M\to M_i$、$x\mapsto x_i$ を射影とし、有限集合 $F\subset I$ について $M_F=\bigoplus_{i\in F}M_i$ と書く。$M$ の部分加群 $K$ が直和因子であるとは、$M=K\oplus L$ となる部分加群 $L$ があることをいい、このとき $L$ に沿った $K$ への射影 $e\in\operatorname{End}_R(M)$ は冪等元で $e(M)=K$ である(直和因子)。
直和因子の取り扱いでは次の 2 つを繰り返し使う。
1:$vu$ が単射なので $u$ は単射である。$x\in M$ について $y=u(vu)^{-1}v(x)\in u(A)$ とおくと $v(x-y)=v(x)-v(x)=0$ なので $M=u(A)+\ker v$ である。$u(a)\in\ker v$ なら $vu(a)=0$ から $a=0$ なので、和は直和である。
2:$x\in K$ を $x=c+d$($c\in C$、$d\in D$)と書くと、$c\in K$ なので $d=x-c\in K$ である。$C\cap(D\cap K)=0$ は明らかである。$\square$
$M=\bigoplus_{i\in I}M_i$ とし、各 $\operatorname{End}_R(M_i)$ は局所環であるとする。$a,b\in\operatorname{End}_R(M)$ が $a+b=\mathrm{id}_M$ を満たすとする。$I$ の相異なる有限個の元 $i_1,\dots,i_n$ について、各 $k$ ごとに $c_k\in\{a,b\}$ を選んで、$c_k$ の $M_{i_k}$ への制限が単射で、
$$
M=c_1(M_{i_1})\oplus\cdots\oplus c_n(M_{i_n})\oplus\bigoplus_{i\notin\{i_1,\dots,i_n\}}M_i
$$
となるようにできる。
$n$ に関する帰納法で示す。$n=0$ なら何もしない。$k\ge1$ とし、$c_1,\dots,c_{k-1}$ まで選んで
$$
M=N_1\oplus\cdots\oplus N_{k-1}\oplus M_{i_k}\oplus\bigoplus_{i\notin\{i_1,\dots,i_k\}}M_i,\qquad N_j=c_j(M_{i_j})
$$
となっているとする。この分解での $M_{i_k}$ への射影を $q\colon M\to M_{i_k}$、包含を $\iota\colon M_{i_k}\to M$ とすると、$a+b=\mathrm{id}_M$ から
$$
q\,a\,\iota+q\,b\,\iota=q\,\iota=\mathrm{id}_{M_{i_k}}
$$
である。$\operatorname{End}_R(M_{i_k})$ は局所環なので、$q\,a\,\iota$ と $q\,b\,\iota$ の一方は自己同型である。それを $q\,c_k\,\iota$($c_k\in\{a,b\}$)とする。lem-ksa-split の 1 を $u=c_k\iota$、$v=q$ に当てはめると、$c_k$ の $M_{i_k}$ への制限は単射で、$M=c_k(M_{i_k})\oplus\ker q$ である。$\ker q$ は上の分解で $M_{i_k}$ 以外の成分の直和なので、$N_k=c_k(M_{i_k})$ として $k$ の段階の分解が得られる。$\square$
取り替えるのは選んだ有限個の成分だけで、ほかの成分はそのまま残る。これが、無限個の成分をもつ直和に有限の手順を持ち込む要点である。
$M=\bigoplus_{i\in I}M_i$ とし、各 $\operatorname{End}_R(M_i)$ は局所環であるとする。
1。 $0\ne x\in K$ をとり、その台を $\{i_1,\dots,i_n\}$ とする($n\ge1$)。$x\in M_F$、$F=\{i_1,\dots,i_n\}$ である。lem-ksa-exchange を $a=e$、$b=\mathrm{id}_M-e$ と $i_1,\dots,i_n$ に当てはめ、$c_1,\dots,c_n$ を得る。すべての $k$ で $c_k=\mathrm{id}_M-e$ であったとすると、$\mathrm{id}_M-e$ は $M_F$ の上で単射である。実際 $y=\sum_ky_k$($y_k\in M_{i_k}$)について $(\mathrm{id}_M-e)(y)=\sum_kc_k(y_k)$ であり、$c_k(y_k)\in c_k(M_{i_k})$ はこれらの直和の成分なので、これが $0$ なら各 $c_k(y_k)=0$、単射性から各 $y_k=0$ である。ところが $x\in K=e(M)$ なので $e(x)=x$、$(\mathrm{id}_M-e)(x)=0$ であり、$x\ne0$ に反する。従ってある $k$ で $c_k=e$ であり、$i=i_k$ について $e$ の $M_i$ への制限は単射で、$e(M_i)$ は補題の分解の成分なので $M$ の直和因子である。$e(M_i)\subset e(M)=K$ なので、lem-ksa-split の 2 により $K$ の直和因子でもあり、$M_i\cong e(M_i)$ である。
2。 $K$ を直既約な直和因子とすると、1 により $K$ は $0$ でない直和因子 $e(M_i)\cong M_i$ をもち、直既約性から $K=e(M_i)\cong M_i$ である。
3。 2 により各 $N_j$ はある $M_i$ と同型で、自己準同型環は局所環である。従って 2 つの分解の役割は対称であり、各 $M_i$ もある $N_j$ と同型である。同型類 $X$ ごとに $|I_X|=|J_X|$ を示せば、各 $X$ について全単射 $I_X\to J_X$ を選んで合わせることで $\sigma$ が得られる。
(i)$I_X$ が有限のとき。$|I_X|=n$ に関する帰納法で、任意の加群とその 2 つの分解(一方の成分の自己準同型環は局所環、他方の成分は直既約)について $|J_X|=n$ を示す。$n=0$ なら、$j\in J_X$ があると 2 により $N_j\cong M_i$ となる $i$ があり、$i\in I_X$ となって矛盾する。$n\ge1$ とし $i_0\in I_X$ をとる。$M_{i_0}$ は $M$ の直和因子で、分解 $\bigoplus_jN_j$ の成分の自己準同型環は局所環だから、この分解に 1 を当てはめると、ある $j$ について $p_{i_0}$ の $N_j$ への制限は単射で、$p_{i_0}(N_j)$ は $M$ の直和因子として $M_{i_0}$ に含まれる。lem-ksa-split の 2 によりこれは $M_{i_0}$ の $0$ でない直和因子で、$M_{i_0}$ は直既約なので $p_{i_0}(N_j)=M_{i_0}$ で、$p_{i_0}$ は同型 $N_j\to M_{i_0}$ を与え、$j\in J_X$ である。lem-ksa-split の 1 を $N_j$ の包含と $(p_{i_0}|_{N_j})^{-1}p_{i_0}$ に当てはめると $M=N_j\oplus\ker p_{i_0}=N_j\oplus C$、$C=\bigoplus_{i\ne i_0}M_i$ である。一方 $M=N_j\oplus C'$、$C'=\bigoplus_{j'\ne j}N_{j'}$ なので、$C\cong M/N_j\cong C'$ である。同型 $\varphi\colon C'\to C$ で写すと $C=\bigoplus_{j'\ne j}\varphi(N_{j'})$ も直既約な成分への分解で、$X$ に同型な成分の添字の集合は $I_X\setminus\{i_0\}$ と $J_X\setminus\{j\}$ である。帰納法の仮定により $|J_X\setminus\{j\}|=n-1$、従って $|J_X|=n$ である。
(ii)$I_X$ が無限のとき。(i)を役割を入れ替えて使うと、$J_X$ が有限なら $I_X$ も有限になるので、$J_X$ も無限である。$q_j\colon M\to N_j$ を分解 $\bigoplus_jN_j$ の射影とし、$i\in I_X$ について
$$
G(i)=\{j\in J_X\mid q_j\text{ の }M_i\text{ への制限は同型 }M_i\to N_j\}
$$
とおく。$0\ne y\in M_i$ をとると、$y$ の分解 $\bigoplus_jN_j$ での台は有限で、それ以外の $j$ では $q_j(y)=0$ なので $q_j|_{M_i}$ は単射でない。よって $G(i)$ は有限集合である。また $j\in J_X$ について、直和因子 $N_j$(射影 $q_j$)に 1 を当てはめると、ある $i$ で $q_j|_{M_i}$ は単射、$q_j(M_i)$ は(lem-ksa-split の 2 により)$N_j$ の $0$ でない直和因子で、$N_j$ が直既約なので $q_j(M_i)=N_j$ である。このとき $M_i\cong N_j\cong X$ なので $i\in I_X$、$j\in G(i)$ である。従って $J_X=\bigcup_{i\in I_X}G(i)$ であり、無限濃度 $|I_X|$ について $|J_X|\le|I_X|\cdot\aleph_0=|I_X|$ である。役割を入れ替えて $|I_X|\le|J_X|$ も成り立ち、Cantor–Bernsteinの定理 により $|I_X|=|J_X|$ である。$\square$
$k$ を体(または可除環)とし、$V$ を $k$ 上のベクトル空間(左 $k$ 加群)、$(v_i)_{i\in I}$ を基底とする。$V=\bigoplus_ik\,v_i$ であり、$k\,v_i\cong k$ の自己準同型環は右からの掛け算 $x\mapsto xc$($c\in k$)の全体で、$k$ の反対環と同型であり、$0$ でない元はすべて単元なので局所環である。別の基底 $(w_j)_{j\in J}$ は別の分解 $V=\bigoplus_jk\,w_j$ を与え、成分 $k\,w_j\cong k$ は直既約である。thm-ksa-main の 3 により $|I|=|J|$ であり、基底の濃度は基底によらない(ベクトル空間の次元)。
$S$ を単純加群とすると、$0$ でない $f\in\operatorname{End}_R(S)$ の核と像は $S$ の部分加群で $\ker f\ne S$、$f(S)\ne0$ なので、$\ker f=0$、$f(S)=S$ であり、$f$ は同型である。よって $\operatorname{End}_R(S)$ は可除環で、局所環である。従って単純加群の直和 $M=\bigoplus_{i\in I}S_i$ について、単純加群の直和への分解は、各単純加群の同型類が現れる回数(濃度)を除いて一意である。また 2 により、$M$ の直既約な直和因子は単純で、ある $S_i$ と同型である。
$A$ を可換 Noether 環、$P$ を素イデアル、$E=E(A/P)$ を $A/P$ の入射包絡とする。入射包絡 の定理「$E(A/P)$ の性質」の 1 により、$E$ の $0$ でない 2 つの部分加群は $0$ でなく交わる。これから $\operatorname{End}_A(E)$ は局所環である。
実際、$f\in\operatorname{End}_A(E)$ が単射なら、$f(E)\cong E$ は入射的なので $E$ の直和因子であり(同じ記事の補題「本質拡大の基本性質」の 3)、$f(E)\ne0$ と $E$ の直既約性から $f(E)=E$、すなわち $f$ は自己同型である。従って単元でない元は単射でない自己準同型である。$f,g$ が単射でなければ $\ker f\cap\ker g\ne0$ なので $f+g$ も単射でない。$f$ が単射でなく $h$ が任意なら、$\ker(hf)\supset\ker f\ne0$ であり、$h$ が単射なら $h$ は自己同型で $\ker(fh)=h^{-1}(\ker f)\ne0$、$h$ が単射でなければ $\ker(fh)\supset\ker h\ne0$ である。よって単元でない元の全体は両側イデアルである。
同じ記事の定理「入射加群の構造定理」により、入射 $A$ 加群は $E(A/P_\lambda)$ の直和に分解する。thm-ksa-main の 3 により、各 $P$ について $E(A/P)$ と同型な成分の個数(濃度)は分解によらない。これは同記事が $\dim_{\kappa(P)}\operatorname{Hom}_{A_P}(\kappa(P),I_P)$ として求めた重複度の一意性を、自己準同型環の局所性から導き直したものである。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 成分 $M_i$ の自己準同型環が局所環(直既約は残す) | $R=\mathbb Z[\sqrt{-5}]$、$M=R\oplus R$、$P=(2,1+\sqrt{-5})$、$Q=(3,1+\sqrt{-5})$ | 直既約な直和因子 $P$ が成分 $R$ と同型でない(2)。分解 $R\oplus R$ と $P\oplus Q$ の成分が対応しない(3) |
| 3 の $N_j$ が直既約 | $M=M_1\oplus M_2$($M_1,M_2\ne0$ は局所環を自己準同型環にもつ)と、1 個の成分からなる分解 $M=N_1$ | 成分の個数が一致する(3) |
要点:1 行目は Krull–Schmidtの定理 の例「反例の確かめ」で示された同型 $P\oplus Q\cong R\oplus R$ による。
1 行目:Krull–Schmidtの定理 の例「反例の確かめ」の (i)–(iv) により、$P\oplus Q\cong R\oplus R$ であり、$P$、$Q$、$R$ は直既約で、$P$ は単項イデアルでないので $R$ と同型でない。同型で写すと $P$ は $M=R\oplus R$ の直既約な直和因子になるが、成分 $R$ のどれとも同型でない。また $M$ は直既約な成分への 2 つの分解 $R\oplus R$ と(同型で写した)$P\oplus Q$ をもち、$P$ と同型な成分の個数は $0$ と $1$ で異なる。$\operatorname{End}_R(R)\cong R$ は、単元でない $3$ と $-2$ の和が $1$ なので局所環でない。
2 行目:分解 $M=N_1$ の成分 $N_1=M$ は直既約でない。成分の個数は $2$ と $1$ で異なる。$\square$
1 行目の環では、どの成分の自己準同型環も局所環でないので、thm-ksa-main だけでなく、成分が有限個の場合の Krull–Schmidtの定理 の定理「局所的な自己準同型環をもつ加群への分解の一意性」も当てはまらない。逆に、局所性は一意性の十分条件で必要条件ではない。たとえば $\mathbb Z$ 加群としての自由加群 $\mathbb Z^{(I)}$ では $\operatorname{End}(\mathbb Z)=\mathbb Z$ は局所環でないが、直既約な直和因子への分解の成分はすべて $\mathbb Z$ と同型で、その個数は階数として一意に定まる。
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