3-3 環付き空間と局所環付き空間

$$\newcommand{A}[0]{\mathbb{A}} \newcommand{AA}[0]{\mathscr{A}} \newcommand{abs}[1]{\left\lvert#1\right\rvert} \newcommand{Arg}[0]{\operatorname{Arg}} \newcommand{BB}[0]{\mathscr{B}} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{CC}[0]{\mathscr{C}} \newcommand{F}[0]{\mathbb{F}} \newcommand{floor}[1]{\left\lfloor#1\right\rfloor} \newcommand{ind}[0]{\operatorname{ind}} \newcommand{K}[0]{\mathbb{K}} \newcommand{Ker}[0]{\operatorname{Ker}} \newcommand{L}[0]{\mathbb{L}} \newcommand{mmod}[1]{\ \left(\mathrm{mod}\ #1\right)} \newcommand{Mod}[1]{\ \left(\mathrm{mod}\ #1\right)} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{ord}[0]{\operatorname{ord}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{rank}[0]{\mathrm{rank}} \newcommand{SS}[0]{\mathscr{S}} \newcommand{TT}[0]{\mathscr{T}} \newcommand{UU}[0]{\mathscr{U}} \newcommand{wenvert}[1]{\left\lvert\left\lvert#1\right\rvert\right\rvert} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識:局所環とgerm、前層と層、stalkと層化

位相空間だけでは図形を区別できない

algebraic geometryでは、同じunderlying topological spaceの上に異なるfunctionsを載せた対象を区別する必要があります。たとえば一点だけのspaceでも、その点の上にfield $k$ を置くかdual numbers $k[\varepsilon]/(\varepsilon^2)$ を置くかで、infinitesimal informationは異なります。topologyだけを見ると両者は同じ一点ですが、functionsのringは違います。
そこでspace $X$ と、各open set $U$ 上で許されるfunctionsのring $\mathcal O_X(U)$ をpairにします。さらに一点 $x$ の近くのfunctionsを集めたstalk $\mathcal O_{X,x}$ がlocal ringであることを要求すると、「その点で消えるgerms」という唯一のmaximal idealが定まり、幾何学的な一点と代数的な局所情報が結びつきます。

環付き空間

ringed space

ringed space|環付き空間とは、topological space $X$ とsheaf of rings $\mathcal O_X$ のpair
$$ (X,\mathcal O_X) $$
である。$\mathcal O_X$ をstructure sheaf|structure sheafという。

環付き空間の定義だけではstalksがlocal ringsであるとは限りません。まず広いcategoryを作り、その中からgeometryに適した対象を選びます。

基本例

  1. 任意のtopological space $X$ とcontinuous real-valued functionsのsheaf $\mathcal C_X^0$。
  2. smooth manifold $M$ とsmooth functionsのsheaf $\mathcal C_M^\infty$。
  3. complex manifold $M$ とholomorphic functionsのsheaf $\mathcal O_M$。
  4. affine algebraic set $X$ とregular functionsのsheaf $\mathcal O_X$。
  5. 一点space $\{*\}$ と任意のring $A$。唯一のnonempty open set上のsectionsを $A$ とすれば環付き空間になる。
    最後の例は、環付き空間がtopologyよりはるかに多くの情報を持つことを示します。

continuous functionsのstalkはlocal ringである

local ringのunit判定を具体例で確認します。

local ring of continuous function germs

$X$ をtopological space、$x\in X$ とする。continuous real-valued functionsのstalk $\mathcal C^0_{X,x}$ はlocal ringであり、そのunique maximal idealは
$$ \mathfrak m_x=\{f_x\mid f(x)=0\} $$
である。

evaluation
$$ \operatorname{ev}_x:\mathcal C^0_{X,x}\longrightarrow\mathbb R, \qquad f_x\longmapsto f(x) $$
はrepresentativeによらずwell-definedなsurjective ring homomorphismです。そのkernelが $\mathfrak m_x$ なので、quotientは $\mathbb R$ と同型であり $\mathfrak m_x$ はmaximalです。
$f_x\notin\mathfrak m_x$、すなわち $f(x)\ne0$ とします。continuityにより、あるneighborhood $U$ of $x$ 上で $f$ はzeroになりません。従って $1/f$ は $U$ 上continuousで
$$ f_x(1/f)_x=1. $$
よって $\mathfrak m_x$ の外の全elementsはunitsです。ringで一つのproper idealの外が全てunitsなら、そのidealは唯一のmaximal idealです。実際、任意のmaximal idealはunitsを含まないため $\mathfrak m_x$ に含まれ、maximalityから等しくなります。□

これはcontinuous function germ local ring|連続関数germの局所環という最も身近な模型です。同じ証明でsmooth function germs、holomorphic function germs、regular function germsもlocal ring|local ringsになります。最後の場合は「局所環とgerm」で
$$ \mathcal O_{X,x}\cong k[X]_{\mathfrak m_x} $$
を証明しました。

局所環付き空間

locally ringed space

環付き空間 $(X,\mathcal O_X)$ がlocally ringed space|局所環付き空間であるとは、全 $x\in X$ でstalk $\mathcal O_{X,x}$ がlocal ringであることをいう。

名称の「locally」はopen coverの意味ではなく、各pointのstalkがlocal ringであることを指します。

one-point locally ringed spaces

一点spaceにring $A$ を載せた環付き空間は、$A$ がlocal ringであるとき、かつそのときに限り局所環付き空間である。

従ってfields、discrete valuation rings、dual numbers $k[\varepsilon]/(\varepsilon^2)$ は一点の局所環付き空間を与えます。一方 $k\times k$ は二つのmaximal idealsを持つので、一点spaceに載せても局所環付き空間にはなりません。

sheafを写像の向こうへ送る

異なるspaces上のsheavesを比較するには、まず同じspace上へ移す必要があります。continuous map
$$ f:X\longrightarrow Y $$
を固定します。

direct image sheaf

$X$ 上のsheaf $\mathcal F$ に対し、$Y$ のopen set $V$ 上で
$$ (f_*\mathcal F)(V):=\mathcal F(f^{-1}(V)) $$
と置く。restriction mapsも $\mathcal F$ のものを使う。このsheafをdirect image sheaf|direct image sheafという。

direct image is a sheaf

$\mathcal F$ がsheafなら $f_*\mathcal F$ もsheafである。

$V=\bigcup_iV_i$ を $Y$ のopen coverとすると
$$ f^{-1}(V)=\bigcup_i f^{-1}(V_i) $$
です。$(f_*\mathcal F)(V_i)=\mathcal F(f^{-1}(V_i))$ 上のlocalityとgluingは、このinverse-image coverに対する $\mathcal F$ のsheaf axiomsそのものです。□

この事実をdirect image sheaf is a sheaf|層のdirect imageの層性として用います。direct imageはopen coverをinverse image coverへ移すだけなので、追加の層化を必要としません。

環付き空間の射

functionsはpointsと逆向きにpull backします。$f:X\to Y$ に対し、$Y$ 上のfunction $s$ はcomposition $s\circ f$ により $X$ 上のfunctionになります。この反変性を定義へ組み込みます。

morphism of ringed spaces

環付き空間のmorphism of ringed spaces|射
$$ (f,f^\#):(X,\mathcal O_X)\longrightarrow(Y,\mathcal O_Y) $$
とは、次のdataである。

  1. continuous map $f:X\to Y$。
  2. $Y$ 上のsheaves of ringsのmorphism
    $$ f^\#:\mathcal O_Y\longrightarrow f_*\mathcal O_X. $$
    すなわち各open $V\subseteq Y$ にring homomorphism
    $$ f_V^\#:\mathcal O_Y(V)\longrightarrow\mathcal O_X(f^{-1}(V)) $$
    があり、restrictionsとcommuteする。

$f^\#$ はpullback of functionsです。arrow of spacesは $X\to Y$ ですが、arrow of function ringsは逆向きになります。

pullback of continuous functions

continuous map $f:X\to Y$ に対し
$$ f_V^\#(s):=s\circ f|_{f^{-1}(V)} $$
と置けば、continuous functionsの環付き空間の射
$$ (X,\mathcal C_X^0)\longrightarrow(Y,\mathcal C_Y^0) $$
を得る。

compositionがcontinuousで、open setを小さくしてからcomposeしても、先にcomposeしてからrestrictしても同じなのでsheaf morphismです。

射がstalkに誘導する準同型

環付き空間の射 $(f,f^\#)$ と $x\in X$ に対し、$f(x)$ の近くのfunctionをpull backして $x$ でgermを取ります。

stalk homomorphism of a ringed-space morphism

$$ f_x^\#:\mathcal O_{Y,f(x)}\longrightarrow\mathcal O_{X,x}, \qquad s_{f(x)}\longmapsto(f_V^\#s)_x $$
をstalk homomorphism of a ringed-space morphism|環付き空間の射がstalkに誘導する準同型という。ここで $s\in\mathcal O_Y(V)$、$f(x)\in V$ である。

the stalk homomorphism is well-defined

$f_x^\#$ はrepresentativeによらずwell-definedなring homomorphismである。

$s_{f(x)}=t_{f(x)}$ なら、あるneighborhood $W$ of $f(x)$ 上で $s|_W=t|_W$ です。restriction compatibilityにより
$$ f_V^\#(s)|_{f^{-1}(W)} =f_W^\#(s|_W) =f_W^\#(t|_W) =f_{V'}^\#(t)|_{f^{-1}(W)}. $$
$f^{-1}(W)$ は $x$ のneighborhoodなので、pullbacksのgermsは等しいです。ring operationsの保存はrepresentatives上の $f_V^\#$ がring homomorphismであることから従います。□

local homomorphism

local rings $(A,\mathfrak m_A)$、$(B,\mathfrak m_B)$ のhomomorphism $\varphi:A\to B$ が幾何学的なpointsを保つためには、$A$ でnonunitなgermと $B$ でnonunitなgermの関係を正確に保つ必要があります。

local homomorphism of local rings

local ringsのhomomorphism $\varphi:A\to B$ が
$$ \varphi^{-1}(\mathfrak m_B)=\mathfrak m_A $$
を満たすとき、$\varphi$ をlocal homomorphism|局所準同型という。

equivalent criteria for a local homomorphism

local ringsのhomomorphism $\varphi:A\to B$ に対し、次は同値である。

  1. $\varphi$ はlocal homomorphismである。
  2. $\varphi(\mathfrak m_A)\subseteq\mathfrak m_B$。
  3. $\varphi(a)$ がunit in $B$ なら $a$ はunit in $A$。

local ringではnonunits全体がunique maximal idealです。
$(1)\Rightarrow(2)$ はpreimage equalityから明らかです。
$(2)\Rightarrow(3)$ を示します。$a$ がnonunitなら $a\in\mathfrak m_A$ なので $\varphi(a)\in\mathfrak m_B$、従って $\varphi(a)$ もnonunitです。contrapositiveを取れば $(3)$ です。
$(3)\Rightarrow(1)$ を示します。ring homomorphismはunitsをunitsへ送るので、$a\notin\mathfrak m_A$ なら $a$ はunit、従って $\varphi(a)$ もunitで $\varphi(a)\notin\mathfrak m_B$。これは
$$ \varphi^{-1}(\mathfrak m_B)\subseteq\mathfrak m_A $$
を意味します。逆に $a\in\mathfrak m_A$ ならnonunitです。もし $\varphi(a)$ がunitなら $(3)$ により $a$ もunitとなり矛盾するので、$\varphi(a)\in\mathfrak m_B$。従って逆包含も成立します。□

これらをlocal homomorphism criteria|局所準同型の同値判定と呼びます。この命題の $(2)\Rightarrow(1)$ はlocal ringsの間に限って成立します。targetだけがlocalでも、maximal idealへの包含だけからpreimage equalityを結論するにはsourceがlocalであることが必要です。

局所環付き空間の射

morphism of locally ringed spaces

局所環付き空間のmorphism of locally ringed spaces|射とは、環付き空間の射
$$ (f,f^\#):(X,\mathcal O_X)\longrightarrow(Y,\mathcal O_Y) $$
であって、全 $x\in X$ でstalk homomorphism
$$ f_x^\#:\mathcal O_{Y,f(x)}\longrightarrow\mathcal O_{X,x} $$
がlocal homomorphismとなるものである。

locality conditionがなければ、spaceのpoint $x$ がtargetのpoint $f(x)$ に対応するという意味をring mapsが反映しない可能性があります。

regular mapは局所環付き空間の射を与える

regular maps induce locally ringed-space morphisms

affine algebraic setsのregular map
$$ f:X\longrightarrow Y $$
はcanonicalに局所環付き空間の射
$$ (f,f^\#):(X,\mathcal O_X)\longrightarrow(Y,\mathcal O_Y) $$
を誘導する。

regular mapはZariski continuousです。open $V\subseteq Y$ とregular function $s\in\mathcal O_Y(V)$ に対し
$$ f_V^\#(s):=s\circ f $$
と置きます。任意の $x\in f^{-1}(V)$ の近くで、$s=a/b$ with $b\ne0$ と書けます。すると
$$ s\circ f=\frac{a\circ f}{b\circ f}, $$
かつ $b\circ f$ は $x$ の近くでnonzeroなのでregularです。従って $f_V^\#$ はwell-definedです。composition、加法、乗法、restrictionを保つことはfunctionsのcompositionから従い、環付き空間の射を得ます。
stalk mapがlocalであることを示します。$\mathcal O_{Y,f(x)}$ のmaximal idealは $f(x)$ でzeroとなるgerms、$\mathcal O_{X,x}$ のmaximal idealは $x$ でzeroとなるgermsです。従って
$$ (s\circ f)(x)=s(f(x)) $$
より
$$ (f_x^\#)^{-1}(\mathfrak m_x)=\mathfrak m_{f(x)}. $$
よって $f_x^\#$ はlocal homomorphismです。□

これはregular map as a locally ringed-space morphism|正則写像の局所環付き空間化です。この構成により、古典的なalgebraic varietiesは局所環付き空間として扱えます。schemeは、各pointがopen neighborhood上で $\operatorname{Spec}A$ という標準模型に見える局所環付き空間として定義されます。

identityとcomposition

composition of ringed-space morphisms

環付き空間の射
$$ (X,\mathcal O_X)\xrightarrow{(f,f^\#)}(Y,\mathcal O_Y) \xrightarrow{(g,g^\#)}(Z,\mathcal O_Z) $$
に対し、compositeのsheaf mapを各open $W\subseteq Z$ 上で
$$ (g\circ f)_W^\# :=f_{g^{-1}(W)}^\#\circ g_W^\# $$
と定めると環付き空間の射になる。stalk mapsは
$$ (g\circ f)_x^\#=f_x^\#\circ g_{f(x)}^\# $$
を満たす。

$g_W^\#$ は $\mathcal O_Z(W)$ を $\mathcal O_Y(g^{-1}(W))$ へ送り、$f_{g^{-1}(W)}^\#$ はそれを
$$ \mathcal O_X(f^{-1}(g^{-1}(W))) =\mathcal O_X((g\circ f)^{-1}(W)) $$
へ送ります。両mapsがrestrictionsとcommuteするのでcompositeもcommuteします。germ $s_{g(f(x))}$ をrepresentative $s$ で追えば、先に $g^\#$、次に $f^\#$ を適用したgermとなり、stalk formulaを得ます。□

このformulaをcomposition of ringed-space morphisms|環付き空間の射の合成として記録します。function pullbackの順序がspacesの合成と逆になる点が本質です。

locally ringed spaces form a category

局所環付き空間の射のcompositeは局所環付き空間の射であり、identity mapsと合わせてcategoryをなす。

local homomorphisms $A\to B$、$B\to C$ のcompositeはlocalです。実際、maximal idealsのpreimagesを二回取れば
$$ (\psi\circ\varphi)^{-1}(\mathfrak m_C) =\varphi^{-1}(\psi^{-1}(\mathfrak m_C)) =\varphi^{-1}(\mathfrak m_B) =\mathfrak m_A. $$
前命題のstalk formulaにより局所環付き空間の射のcompositeもstalkwise localです。identityのstalk mapsはidentity local homomorphismsです。associativityとidentity lawsはcontinuous mapsとring homomorphismsのそれらから従います。□

従ってcategory of locally ringed spaces|局所環付き空間の圏が得られます。schemesのcategoryは、objectsをschemesに制限し、同じ局所環付き空間の射を採用して得られるfull subcategoryです。

global sectionsは反変に動く

環付き空間の射 $(f,f^\#):X\to Y$ は $V=Y$ で
$$ \Gamma(Y,\mathcal O_Y)\longrightarrow \Gamma(X,\mathcal O_X) $$
を誘導します。composition formulaから、global sectionsは環付き空間に対してcontravariantです。
この反変な対応をglobal sections of a ringed space|環付き空間の大域切断と呼びます。特にaffine algebraic setsでは、これは「正則写像と座標環」のcoordinate-ring pullback
$$ f^*:k[Y]\longrightarrow k[X] $$
を回収します。ただし一般の環付き空間ではglobal section ringだけでは空間を復元できません。open setsごとのsectionsと全stalksを保持するstructure sheafが必要です。

inverse image sheafによる同値な書き方

direct imageを用いた定義は計算しやすい一方、source $X$ 上でsheavesを比較したい場合もあります。

inverse image sheaf

$Y$ 上のsheaf $\mathcal G$ とcontinuous map $f:X\to Y$ に対し、$X$ のopen $U$ 上のpresheaf
$$ U\longmapsto \varinjlim_{U\subseteq f^{-1}(V)}\mathcal G(V) $$
を層化して得るsheafをinverse image sheaf|inverse image sheaf $f^{-1}\mathcal G$ という。colimitは $Y$ のopen sets $V$ with $f(U)\subseteq V$ にわたる。

直感的には、$f(U)$ の周りで定義されたsectionsを $U$ へ運ぶためのsheafです。

stalks of the inverse image sheaf

全 $x\in X$ でcanonical isomorphism
$$ (f^{-1}\mathcal G)_x\cong\mathcal G_{f(x)} $$
がある。

左辺のgermは、$x$ のneighborhood $U$、$f(U)$ を含むopen $V\subseteq Y$、section $s\in\mathcal G(V)$ により局所的にrepresentされます。これを $s_{f(x)}$ へ送ります。representativesを小さくした関係は同じgermを与えるのでwell-definedです。
逆に $s_{f(x)}$ を $s\in\mathcal G(V)$ でrepresentします。$U=f^{-1}(V)$ は $x$ のneighborhoodであり、$s$ はinverse-image presheaf上のsection、従って層化後のgermを与えます。二構成はneighborhoodを共通に小さくすれば互いにinverseです。□

このcanonical identificationはstalks of an inverse image sheaf|inverse image sheafのstalk公式です。
環付き空間の射のsheaf map
$$ f^\#:\mathcal O_Y\to f_*\mathcal O_X $$
は、同値に $X$ 上のsheaf morphism
$$ f^{-1}\mathcal O_Y\longrightarrow\mathcal O_X $$
として書けます。この対応の一般的なadjunctionは圏論で扱います。stalk上ではどちらの記述も同じmap
$$ \mathcal O_{Y,f(x)}\to\mathcal O_{X,x} $$
になります。

一点spaceで射の向きを確かめる

local rings $A,B$ をそれぞれ一点spaceに載せます。underlying continuous mapは唯一です。局所環付き空間の射
$$ (\{*\},B)\longrightarrow(\{*\},A) $$
は、ちょうどlocal ring homomorphism
$$ A\longrightarrow B $$
に対応します。spacesのarrowとringsのarrowが逆向きであることが、最小の例ですでに現れています。
後のaffine schemesではこの現象が
$$ \operatorname{Hom}_{\mathrm{Sch}}(\operatorname{Spec}B,\operatorname{Spec}A) \cong \operatorname{Hom}_{\mathrm{Ring}}(A,B) $$
へ拡張されます。

演習

topological space $X$ とconstant sheaf $\underline A$ を考える。各stalkが $A$ とisomorphicであることを用い、$(X,\underline A)$ が局所環付き空間であることと $A$ がlocal ringであることが同値であると示せ。

「stalkと層化」のconstant sheafの構成から、各 $x\in X$ で $(\underline A)_x\cong A$ です。局所環付き空間であることは全stalkがlocal ringであることなので、$X$ がnonemptyならこれは $A$ がlocal ringであることと同値です。$X=\varnothing$ ではstalk条件は空虚に成立するため、nonemptyという仮定が必要です。□

local rings $A,B,C$ とlocal homomorphisms $A\xrightarrow{\varphi}B\xrightarrow{\psi}C$ に対し、$\psi\circ\varphi$ がlocal homomorphismであることをunitsの判定からも示せ。

$(\psi\circ\varphi)(a)$ がunit in $C$ とします。$\psi$ がlocalなので、local homomorphismのunit criterionから $\varphi(a)$ はunit in $B$。さらに $\varphi$ がlocalなので $a$ はunit in $A$ です。従ってcompositeも「imageがunitなら元がunit」を満たし、local homomorphismです。□

continuous map $f:X\to Y$ とsheaf $\mathcal F$ on $X$ に対し、direct imageのrestriction mapを明記し、presheaf axiomsを確認せよ。

$W\subseteq V\subseteq Y$ に対し $f^{-1}(W)\subseteq f^{-1}(V)$ なので
$$ (f_*\mathcal F)(V)=\mathcal F(f^{-1}(V)) \longrightarrow \mathcal F(f^{-1}(W))=(f_*\mathcal F)(W) $$
を $\mathcal F$ のrestriction mapで定めます。$f^{-1}(V)=f^{-1}(V)$ に対するrestrictionはidentityで、三つのnested opensに対するcomposition lawも $\mathcal F$ のpresheaf axiomから従います。□

polynomial map $f:\mathbb A^1\to\mathbb A^1$、$f(t)=t^2$ が $a\in\mathbb A^1$ で誘導するlocal homomorphism
$$ k[y]_{(y-a^2)}\longrightarrow k[t]_{(t-a)} $$
を具体的に書き、maximal idealのpreimageを計算せよ。

coordinate pullbackは $y\mapsto t^2$ です。denominator $q(y)$ with $q(a^2)\ne0$ は $q(t^2)$ へ移り、$q(a^2)\ne0$ なので $k[t]_{(t-a)}$ でunitです。従って
$$ \frac{p(y)}{q(y)}\longmapsto\frac{p(t^2)}{q(t^2)} $$
というlocalized mapを得ます。そのimageがmaximal ideal $(t-a)$ に入ることは
$$ p(a^2)=0 $$
と同値で、これは元が $(y-a^2)$ に入ることと同値です。従ってmaximal idealのpreimageは $(y-a^2)$ です。□

一点の局所環付き空間に関する対応
$$ \operatorname{Hom}_{\mathrm{LRS}}((*,B),(*,A)) \cong \operatorname{Hom}_{\mathrm{LocalRing}}(A,B) $$
を定義から証明せよ。

一点space間のcontinuous mapは唯一です。structure sheafの唯一のnonempty open上のmapはring homomorphism $A\to B$ であり、restriction compatibilityには追加条件がありません。唯一のpointにおけるstalksも $A,B$ 自身なので、局所環付き空間の射であるための条件はこのring homomorphismがlocalであることです。compositionとidentitiesもring mapsの逆向きのcompositionに一致します。□

この章で得た橋

環付き空間はtopological spaceとopen sets上のfunction ringsを一体化し、局所環付き空間は各pointで「消えるgerms」のunique maximal idealを指定します。射はcontinuous mapと逆向きのfunction pullbackからなり、局所環付き空間では全stalk mapsがlocalであることを要求します。regular mapsはこの意味で自然に局所環付き空間の射となります。
次の頁では任意のcommutative ring $A$ からprime idealsのspace $\operatorname{Spec}A$ を作り、Zariski topologyを入れます。「Specの構造層」でstructure sheafを載せると、$\operatorname{Spec}A$ は局所環付き空間となり、affine schemeの標準模型が完成します。

参考文献

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