4-1 SpecとZariski位相

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

前提知識:イデアルと座標環、Zariski位相、局所化、Krull次元

方程式の零点を一般の環から作りたい

代数閉体 $k$ 上のaffine algebraic setでは、点 $a=(a_1,\dots,a_n)$ にmaximal ideal
$$ \mathfrak m_a=(x_1-a_1,\dots,x_n-a_n) $$
を対応させました。しかしarbitrary commutative ringにはcoordinatesの値を取るfieldが与えられていません。また、irreducible closed subsetsを一点として扱うgeneric pointsも欲しくなります。
そこでmaximal idealsだけでなく全prime idealsをpointsとします。prime ideal $\mathfrak p$ はquotient $A/\mathfrak p$ がdomainになる条件であり、既約な幾何学的成分を代数的に表します。
本章ではringsはcommutativeでunitを持ち、ring homomorphismsはunitを保つものとします。zero ringも許しますが、そのspectrumはemptyになります。

prime spectrum

prime spectrum

commutative ring $A$ の全prime idealsのsetを
$$ \operatorname{Spec}A :=\{\mathfrak p\subsetneq A\mid\mathfrak p\text{ is prime}\} $$
と書き、$A$ のprime spectrum|素スペクトルという。

「点」はprime idealそのものです。element $f\in A$ がpoint $\mathfrak p$ でzeroであることを
$$ f\in\mathfrak p $$
で表します。この読み替えにより、多項式のzero locusと同じ形式を一般のringへ移せます。

最初の例

  • field $K$ では唯一のprime idealは $(0)$ なので $\operatorname{Spec}K$ はone-point spaceです。
  • zero ringではproper idealsがないので $\operatorname{Spec}0=\varnothing$。
  • $\operatorname{Spec}\mathbb Z$ のpointsは $(0)$ と $(p)$ for prime numbers $p$。
  • algebraically closed field $k$ に対し $\operatorname{Spec}k[t]$ のpointsはgeneric point $(0)$ とclosed points $(t-a)$ for $a\in k$。
  • $k[\varepsilon]/(\varepsilon^2)$ のprime idealは $(\varepsilon)$ だけです。underlying setは一点ですがnilpotent infinitesimalをringが保持します。

closed setsをidealsから定める

Zariski closed set in a prime spectrum

ideal $I\subseteq A$ に対し
$$ V_A(I) :=\{\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A\mid I\subseteq\mathfrak p\} $$
と置く。これをZariski closed set of a spectrum|spectrumのZariski閉集合という。ringが明らかなときは $V(I)$ と書く。

identities for spectral zero sets

ideals $I,J,I_\lambda\subseteq A$ に対し
$$ V((0))=\operatorname{Spec}A, \qquad V(A)=\varnothing, $$
$$ V(I)\cup V(J)=V(IJ)=V(I\cap J), $$
$$ \bigcap_\lambda V(I_\lambda) =V\!\left(\sum_\lambda I_\lambda\right). $$

全prime idealsは $(0)$ を含み、properなので $A$ を含みません。従って最初の二式が成り立ちます。
$\mathfrak p$ が $IJ$ を含むとします。もし $I\nsubseteq\mathfrak p$ なら $a\in I\setminus\mathfrak p$ を取れます。任意の $b\in J$ について $ab\in IJ\subseteq\mathfrak p$ で、$\mathfrak p$ はprimeかつ $a\notin\mathfrak p$ なので $b\in\mathfrak p$。従って $J\subseteq\mathfrak p$ です。逆に $I\subseteq\mathfrak p$ または $J\subseteq\mathfrak p$ なら $IJ\subseteq\mathfrak p$。よって $V(IJ)=V(I)\cup V(J)$ です。
$IJ\subseteq I\cap J$ なので $V(I\cap J)\subseteq V(IJ)$。また $I\cap J\subseteq I,J$ から $V(I),V(J)\subseteq V(I\cap J)$。従ってunion formulaと合わせて $V(I\cap J)=V(I)\cup V(J)$ です。
最後に、$\mathfrak p$ が全 $I_\lambda$ を含むことと、そのsumを含むことは同値です。□

Zariski topology on a prime spectrum

sets $V(I)$ をclosed setsとすると $\operatorname{Spec}A$ 上のtopologyが定まる。これをZariski topology on Spec|SpecのZariski位相という。

前命題によりempty setとwhole spaceが含まれ、有限unionとarbitrary intersectionで閉じています。これはclosed-set axiomsそのものです。□

根基だけが閉集合を決める

全prime idealsのintersectionはnilradicalです。より一般に、ideal $I$ を含む全prime idealsのintersectionは $\sqrt I$ になります。その存在証明に必要なprime ideal lemmaをここで閉じます。

prime ideal existence disjoint from a multiplicative set

$I\subseteq A$ をideal、$S\subseteq A$ をmultiplicative subsetとし $I\cap S=\varnothing$ とする。このとき $I$ を含み $S$ と交わらないprime ideal $\mathfrak p$ が存在する。

$I$ を含み $S$ とdisjointなideals全体をinclusionでorderします。chain $\{J_\alpha\}$ のunion $J=\bigcup_\alpha J_\alpha$ はidealです。実際、二elementsはchainの一方のidealに同時に入り、和とscalar multiplesについて閉じます。また $J\cap S=\varnothing$。Zorn's lemmaによりmaximal element $\mathfrak p$ が存在します。
$ab\in\mathfrak p$ かつ $a,b\notin\mathfrak p$ と仮定します。maximalityにより $(\mathfrak p,a)$ と $(\mathfrak p,b)$ はそれぞれ $S$ と交わるので
$$ p_1+r a\in S, \qquad p_2+s b\in S $$
となる $p_1,p_2\in\mathfrak p$、$r,s\in A$ があります。productは $S$ に入りますが
$$ (p_1+ra)(p_2+sb) =p_1p_2+p_1sb+p_2ra+rsab\in\mathfrak p, $$
となり $\mathfrak p\cap S=\varnothing$ に矛盾します。従って $ab\in\mathfrak p$ なら $a\in\mathfrak p$ または $b\in\mathfrak p$ で、$\mathfrak p$ はprimeです。□

radical as intersection of primes

任意のideal $I\subseteq A$ に対し
$$ \sqrt I =\bigcap_{\mathfrak p\supseteq I}\mathfrak p. $$
従って
$$ V(I)=V(J) \quad\Longleftrightarrow\quad \sqrt I=\sqrt J. $$

$a\in\sqrt I$ なら $a^n\in I$ for some $n$。$I$ を含むprime idealは $a^n$ を含み、prime性から $a$ を含みます。従って左辺は右辺に含まれます。
逆に $a\notin\sqrt I$ とします。multiplicative set
$$ S=\{1,a,a^2,\dots\} $$
は $I$ とdisjointです。前補題により $I\subseteq\mathfrak p$ かつ $\mathfrak p\cap S=\varnothing$ となるprime $\mathfrak p$ があり、特に $a\notin\mathfrak p$。従って $a$ は右辺のintersectionに入りません。最初の式が証明されました。
$V(I)=V(J)$ なら両側のpointsをintersectionして $\sqrt I=\sqrt J$。逆はprime idealsがradicalなので明らかです。□

これはradical ideal from prime spectrum|素スペクトルによる根基の回収です。特に全prime idealsはnilradicalを含むため、$A$ とreduction $A_{\mathrm{red}}=A/\sqrt{(0)}$ は同じunderlying topological spectrumを持ちます。

principal open sets

principal open subset of Spec

$f\in A$ に対し
$$ D_A(f) :=\operatorname{Spec}A\setminus V_A((f)) =\{\mathfrak p\mid f\notin\mathfrak p\} $$
をprincipal open subset of Spec|Specの主開集合という。

identities for principal opens

$f,g\in A$ とideal $I$ に対し
$$ D(0)=\varnothing, \qquad D(1)=\operatorname{Spec}A, $$
$$ D(f)\cap D(g)=D(fg), $$
$$ \operatorname{Spec}A\setminus V(I)=\bigcup_{f\in I}D(f). $$
従って $\{D(f)\}_{f\in A}$ はZariski topologyのbasisである。

prime idealは $0$ を含み $1$ を含まないので最初の二式が従います。$fg\notin\mathfrak p$ と $f,g\notin\mathfrak p$ はprime性により同値なのでintersection formulaが成立します。
$\mathfrak p\notin V(I)$ は $I\nsubseteq\mathfrak p$、すなわちある $f\in I$ が $f\notin\mathfrak p$ を満たすことと同値です。これが最後のunion formulaです。全open setはある $V(I)$ のcomplementなのでprincipal opensのunionとなり、finite intersectionsもprincipal openです。従ってbasisです。□

この結果をprincipal open basis of Spec|Specの主開基底と呼びます。「Specの構造層」では $D(f)$ 上のfunctionsをlocalization $A_f$ として定めます。

点のclosureとspecialization

closure of a point in Spec

$\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A$ に対し
$$ \overline{\{\mathfrak p\}}=V(\mathfrak p). $$
従って $\mathfrak q$ が $\mathfrak p$ のclosureに入ることと $\mathfrak p\subseteq\mathfrak q$ は同値である。

$V(\mathfrak p)$ は $\mathfrak p$ を含むclosed setです。$\mathfrak p\in V(I)$ となる任意のclosed setを取ると $I\subseteq\mathfrak p$ なので、ideal inclusionの反変性から
$$ V(\mathfrak p)\subseteq V(I). $$
従って $V(\mathfrak p)$ は $\mathfrak p$ を含む全closed setsのintersection、すなわちclosureです。第二の主張は $\mathfrak q\in V(\mathfrak p)$ の定義です。□

$\mathfrak p\subseteq\mathfrak q$ のとき、$\mathfrak q$ を $\mathfrak p$ のspecialization of a prime ideal|specialization、$\mathfrak p$ を $\mathfrak q$ のgeneralizationといいます。これはusual Hausdorff spacesでは見えないorder structureです。

closed points of Spec

$\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A$ がclosed pointであることと、$\mathfrak p$ がmaximal idealであることは同値である。

$\{\mathfrak p\}$ がclosedであることは $V(\mathfrak p)=\{\mathfrak p\}$ と同値です。$\mathfrak p$ がmaximalなら、それを含むproper prime idealは自身だけなので成立します。逆に $\mathfrak p$ がmaximalでなければ、$\mathfrak p\subsetneq J\subsetneq A$ となるideal $J$ があります。prime-existence lemmaを $J$ と $S=\{1\}$ に適用すると、$J$ を含むprime ideal $\mathfrak q$ が存在します。すると $\mathfrak p\subsetneq\mathfrak q$ かつ $\mathfrak q\in V(\mathfrak p)$ なのでpointはclosedではありません。□

prime $\mathfrak p$ はirreducible closed set $V(\mathfrak p)$ のgeneric pointです。実際、そのclosureがexactly $V(\mathfrak p)$ です。この対応はscheme topologyの大きな特色です。

irreducible closed setsとprime ideals

generic points of irreducible closed subsets

nonempty closed subset $Z\subseteq\operatorname{Spec}A$ がirreducibleであることと、あるprime ideal $\mathfrak p$ により
$$ Z=V(\mathfrak p) $$
と書けることは同値である。この $\mathfrak p$ はuniqueで、$Z$ のgeneric pointである。

$Z=V(I)$ と書きます。$Z$ がirreducibleなら $\sqrt I$ がprimeであることを示します。$fg\in\sqrt I$ なら
$$ Z=V(I)=V(\sqrt I)\subseteq V(fg)=V(f)\cup V(g). $$
irreducibilityにより $Z\subseteq V(f)$ または $Z\subseteq V(g)$。前者なら $f$ は $Z$ の全pointsに入り、prime-intersection theoremから $f\in\sqrt I$。後者なら $g\in\sqrt I$ です。従って $\sqrt I$ はprimeで $Z=V(\sqrt I)$。
逆に $Z=V(\mathfrak p)$ with $\mathfrak p$ primeとします。$Z=Z_1\cup Z_2$、$Z_i=V(I_i)$ なら
$$ V(\mathfrak p)=V(I_1I_2), $$
従って $\sqrt{I_1I_2}=\mathfrak p$。特に $I_1I_2\subseteq\mathfrak p$ なので、prime性から $I_1\subseteq\mathfrak p$ または $I_2\subseteq\mathfrak p$。前者なら $V(\mathfrak p)\subseteq V(I_1)=Z_1$、従って $Z=Z_1$。後者も同様です。よってirreducibleです。
uniquenessは $V(\mathfrak p)=V(\mathfrak q)$ ならradicalsが等しく、prime ideals自身がradicalなので $\mathfrak p=\mathfrak q$。closure formulaによりこのpointはgenericです。□

これはgeneric point theorem for affine schemes|affine spectrumのgeneric point定理です。古典的なvarietyではgeneric pointを外から付け加えたように見えますが、Specでは初めからprime idealとして存在します。

ring homomorphismは逆向きの連続写像を与える

ring homomorphism
$$ \varphi:A\longrightarrow B $$
とprime ideal $\mathfrak q\subseteq B$ に対し、contraction $\varphi^{-1}(\mathfrak q)$ はprime ideal of $A$ です。

map on spectra induced by a ring homomorphism

$$ \varphi^*:\operatorname{Spec}B\longrightarrow\operatorname{Spec}A, \qquad \mathfrak q\longmapsto\varphi^{-1}(\mathfrak q) $$
をmap on spectra induced by a ring homomorphism|環準同型が誘導するスペクトル写像という。

functoriality of prime spectra

$\varphi^*$ はcontinuousで、ideal $I\subseteq A$ と $f\in A$ に対し
$$ (\varphi^*)^{-1}(V_A(I))=V_B(IB), $$
$$ (\varphi^*)^{-1}(D_A(f))=D_B(\varphi(f)). $$
また
$$ (\operatorname{id}_A)^*=\operatorname{id}_{\operatorname{Spec}A}, \qquad (\psi\circ\varphi)^*=\varphi^*\circ\psi^*. $$

$\mathfrak q\in\operatorname{Spec}B$ に対し
$$ \varphi^{-1}(\mathfrak q)\supseteq I $$
であることは $\varphi(I)\subseteq\mathfrak q$、さらに $IB\subseteq\mathfrak q$ と同値です。従ってclosed-set inverse-image formulaが成立し、$\varphi^*$ はcontinuousです。complementsを取ればprincipal-open formulaを得ます。
identity formulaはinverse image under identityから従います。$\mathfrak r\in\operatorname{Spec}C$ に対し
$$ (\psi\circ\varphi)^{-1}(\mathfrak r) =\varphi^{-1}(\psi^{-1}(\mathfrak r)), $$
なのでcomposition formulaも成立します。□

従って $A\mapsto\operatorname{Spec}A$ はcommutative ringsからtopological spacesへのcontravariant spectrum functor|反変spectrum functorです。第29・30章ではstructure sheavesと局所環付き空間の射まで加えます。

quotientはclosed subsetを表す

spectrum of a quotient ring

quotient map $\pi:A\to A/I$ が誘導するmap
$$ \pi^*:\operatorname{Spec}(A/I)\longrightarrow\operatorname{Spec}A $$
はimage $V_A(I)$ へのhomeomorphismである。

prime ideals of $A/I$ はcorrespondence theoremにより、$I$ を含むprime ideals $\mathfrak p$ of $A$ とbijectiveに対応し、mapは $\mathfrak p/I\mapsto\mathfrak p$ です。従ってimageは $V_A(I)$。
continuityは前定理から従います。inverseのcontinuityを示すため、$A/I$ のclosed set $V_{A/I}(J/I)$ を取ります。そのimageは
$$ V_A(J)\cap V_A(I)=V_A(J) $$
inside $V_A(I)$ でrelative closedです。従ってclosed bijectionでありhomeomorphismです。□

これはclosed subsets as quotient spectra|閉部分集合の商環表示です。nilpotent elementsを全てquotientしても $V(\sqrt{(0)})=\operatorname{Spec}A$ なので、canonical map
$$ \operatorname{Spec}A_{\mathrm{red}}\longrightarrow\operatorname{Spec}A $$
はhomeomorphismです。ただし次の頁のstructure sheafはnilpotentsを覚えるため、schemesとしては一般に同じではありません。

localizationはopen partを表す

spectrum of a localization

$S\subseteq A$ をmultiplicative subsetとする。localization map $A\to S^{-1}A$ はhomeomorphism
$$ \operatorname{Spec}S^{-1}A \xrightarrow{\sim} \{\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A\mid\mathfrak p\cap S=\varnothing\} $$
を誘導する。特に $S=\{1,f,f^2,\dots\}$ なら
$$ \operatorname{Spec}A_f\cong D_A(f). $$

「局所化と主開集合」のideal correspondenceをprime idealsに適用します。prime ideal $\mathfrak q\subseteq S^{-1}A$ のcontraction $\mathfrak p$ は $S$ とdisjointです。逆に $\mathfrak p\cap S=\varnothing$ なら
$$ S^{-1}\mathfrak p =\left\{\frac{a}{s}\mid a\in\mathfrak p,\ s\in S\right\} $$
はprime ideal of $S^{-1}A$ です。実際 $(a/s)(b/t)\in S^{-1}\mathfrak p$ なら、ある $u\in S$ で $uab\in\mathfrak p$。$u\notin\mathfrak p$ とprime性から $a\in\mathfrak p$ または $b\in\mathfrak p$。従って一方のfractionが $S^{-1}\mathfrak p$ に入ります。extensionとcontractionが互いにinverseなのでbijectionです。
topologyを確認します。$a/s\in S^{-1}A$ に対し、principal open $D_{S^{-1}A}(a/s)$ のimageは、上のsubset内で $a\notin\mathfrak p$ となるpoints、すなわち $D_A(a)$ とのintersectionです。principal opensはbasisなのでbijectionとそのinverseはcontinuousです。
$S$ が $f$ のpowersなら $\mathfrak p\cap S=\varnothing$ は $f\notin\mathfrak p$ と同値で、right-hand sideは $D_A(f)$ です。□

これはprincipal opens as localized spectra|主開集合の局所化表示です。「Specの構造層」のformula
$$ \Gamma(D(f),\mathcal O_{\operatorname{Spec}A})\cong A_f $$
と完全に対応します。

product ringはdisjoint unionになる

spectrum of a product ring

canonical mapsにより
$$ \operatorname{Spec}(A\times B) \cong \operatorname{Spec}A\sqcup\operatorname{Spec}B $$
というhomeomorphismがある。

$(1,0)(0,1)=(0,0)$ なのでprime ideal $\mathfrak r\subseteq A\times B$ は $(1,0)$ または $(0,1)$ を含みます。両方を含めば $(1,1)$ を含みproperでなくなるのでexactly oneを含みます。
$(0,1)\in\mathfrak r$ の場合、$\mathfrak r=\mathfrak p\times B$ for a unique prime $\mathfrak p\subseteq A$。もう一方の場合は $A\times\mathfrak q$ です。従ってsetとしてdisjoint unionです。
$D((1,0))$ は $\mathfrak p\times B$ 型のpoints全体、$D((0,1))$ は $A\times\mathfrak q$ 型のpoints全体で、両者はopenかつclosedです。各piece上のclosed setsは対応するfactorのclosed setsと一致するのでhomeomorphismです。□

これはspectrum of a product ring|積環のスペクトル分解です。ringのidempotent decompositionがspaceのclopen decompositionへ変わります。

Specはquasi-compactである

Zariski topologyは通常Hausdorffではありませんが、affine spectrum全体とprincipal opensは常にquasi-compactです。

quasi-compactness of principal opens

任意の $f\in A$ について $D(f)$ はquasi-compactである。特に
$$ \operatorname{Spec}A=D(1) $$
はquasi-compactである。

principal opensによるcover
$$ D(f)\subseteq\bigcup_{\lambda\in\Lambda}D(g_\lambda) $$
を取ります。$J=(g_\lambda\mid\lambda\in\Lambda)$ と置きます。もし $f\notin\sqrt J$ なら、prime-existence lemmaを $J$ と $\{1,f,f^2,\dots\}$ に適用して、$J\subseteq\mathfrak p$ かつ $f\notin\mathfrak p$ となるprime $\mathfrak p$ を得ます。このpointは $D(f)$ に入りますが、全 $g_\lambda$ を含むのでどの $D(g_\lambda)$ にも入らず、coverに矛盾します。従って $f\in\sqrt J$。
ある $N\ge1$ で $f^N\in J$ です。ideal membershipの定義から有限個 $\lambda_1,\dots,\lambda_r$ と $a_i\in A$ があり
$$ f^N=a_1g_{\lambda_1}+\cdots+a_rg_{\lambda_r}. $$
$f\notin\mathfrak p$ なら右辺の少なくとも一項の $g_{\lambda_i}$ は $\mathfrak p$ に入りません。さもなければright-hand sideが $\mathfrak p$ に入り $f^N\in\mathfrak p$、従って $f\in\mathfrak p$ となるからです。よって
$$ D(f)\subseteq D(g_{\lambda_1})\cup\cdots\cup D(g_{\lambda_r}). $$
任意のopen coverは各openをprincipal opensでrefineできるので、principal coverにfinite subcoverがあることから元のcoverにもfinite subcoverがあります。従って $D(f)$ はquasi-compactです。$f=1$ とすればSpec全体の主張を得ます。□

これをquasi-compactness of affine spectra|affine spectrumの準コンパクト性と呼びます。Noetherian hypothesisなしで成立する点が重要です。

具体例:Spec Zの位相

$\operatorname{Spec}\mathbb Z$ はgeneric point $(0)$ とclosed points $(p)$ からなります。nonzero integer
$$ n=\pm p_1^{e_1}\cdots p_r^{e_r} $$
に対し
$$ V((n))=\{(p_1),\dots,(p_r)\}, $$
従って
$$ D(n)=\operatorname{Spec}\mathbb Z\setminus\{(p_1),\dots,(p_r)\}. $$
任意のnonempty open setは $(0)$ を含み、有限個のclosed primesだけを除くopenを含みます。$(0)$ のclosureはwhole spectrumです。この一点が全てのarithmetic fibersを同時にgeneralizeします。

具体例:nilpotentsは位相だけでは見えない

$A=k[\varepsilon]/(\varepsilon^2)$ と $A_{\mathrm{red}}=k$ を比較します。どちらのSpecもone-point spaceで、canonical mapはhomeomorphismです。しかし $A$ にはnonzero nilpotent $\varepsilon$ があり、$k$ にはありません。従ってunderlying topological spacesだけでは両者を区別できません。「Specの構造層」でstructure sheafを載せるとglobal section ringsがそれぞれ $A$ と $k$ になり、infinitesimal thickeningが回収されます。

演習

$\operatorname{Spec}\mathbb Z/12\mathbb Z$ のpointsとclosed setsを全て求めよ。

prime ideals of $\mathbb Z/12\mathbb Z$ は、$12\mathbb Z$ を含むprime ideals of $\mathbb Z$ に対応します。従ってpointsは
$$ (2)/(12),\qquad(3)/(12) $$
の二つです。どちらもmaximalなのでclosed pointsです。有限集合の各singletonがclosedで、そのunionもclosedです。従ってclosed setsは
$$ \varnothing,\quad\{(2)/(12)\},\quad\{(3)/(12)\},\quad\operatorname{Spec}(\mathbb Z/12\mathbb Z), $$
すなわちdiscrete two-point topologyです。□

ring $A$ とnilpotent $n\in A$ に対し $D(n)=\varnothing$ を示せ。逆に $D(f)=\varnothing$ なら $f$ はnilpotentであることを示せ。

$n^N=0$ なら任意のprime ideal $\mathfrak p$ は $0=n^N$ を含み、prime性を繰り返して $n\in\mathfrak p$。従って $n$ を含まないprimeはなく $D(n)=\varnothing$ です。
逆に $D(f)=\varnothing$ なら全prime idealsが $f$ を含みます。prime-intersection theoremにより
$$ f\in\bigcap_{\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A}\mathfrak p =\sqrt{(0)}. $$
従って $f$ はnilpotentです。□

$A=k[x,y]/(xy)$ のminimal prime idealsを求め、$\operatorname{Spec}A$ のirreducible componentsを記述せよ。

$k[x,y]$ で $(xy)=(x)\cap(y)$ であり、$(x),(y)$ はprimeです。従って $A$ のminimal primesは
$$ \mathfrak p_x=(x)/(xy), \qquad \mathfrak p_y=(y)/(xy). $$
irreducible componentsは
$$ V_A(\mathfrak p_x)\cong\operatorname{Spec}k[y], \qquad V_A(\mathfrak p_y)\cong\operatorname{Spec}k[x]. $$
両者はmaximal ideal $(x,y)/(xy)$ に対応するclosed pointで交わります。これは二本のaffine linesの交差をprime spectrumとして表したものです。□

ring homomorphism $\varphi:\mathbb Z\to\mathbb Q$ が誘導するmap
$$ \operatorname{Spec}\mathbb Q\to\operatorname{Spec}\mathbb Z $$
のimageを求め、localization theoremと照合せよ。

$\operatorname{Spec}\mathbb Q$ の唯一のpointは $(0)$ で、そのcontraction to $\mathbb Z$ も $(0)$ です。従ってimageはgeneric point $\{(0)\}$。
$\mathbb Q=S^{-1}\mathbb Z$ with $S=\mathbb Z\setminus\{0\}$ です。$S$ とdisjointなprime ideal of $\mathbb Z$ は $(0)$ だけなので、localization theoremも同じimageを与えます。subspace $\{(0)\}$ へのhomeomorphismです。□

elements $f_1,\dots,f_r\in A$ に対し
$$ \operatorname{Spec}A=D(f_1)\cup\cdots\cup D(f_r) $$
であることと、ideal $(f_1,\dots,f_r)$ がunit idealであることが同値であると示せ。

cover conditionのcomplementを取ると
$$ V((f_1,\dots,f_r))=\varnothing. $$
これは $(f_1,\dots,f_r)$ を含むprime idealがないことを意味します。もしidealがproperなら、prime-existence lemmaをこのidealと $S=\{1\}$ に適用して、それを含むprime idealが得られるので矛盾します。従ってunit idealです。
逆に $1=a_1f_1+\cdots+a_rf_r$ とします。全 $f_i$ を含むprime idealは $1$ を含んでしまうため存在しません。従って $V((f_1,\dots,f_r))=\varnothing$、complementを取ってprincipal opensがSpecをcoverします。□

この章で得た橋

$\operatorname{Spec}A$ はprime idealsをpointsとし、ideal containmentをzero conditionへ翻訳します。closed setsはradical ideals、point closuresはprime inclusions、irreducible closed setsはgeneric pointsに対応します。quotient ringsはclosed subsets、localizationsはopen subsets、product ringsはdisjoint unionsとなり、ring homomorphismsは逆向きのcontinuous mapsを誘導します。
しかしtopologyだけではnilpotentsもlocal functionsも見えません。次の頁ではprincipal open $D(f)$ にlocalization $A_f$ を割り当ててstructure sheafを構成し、各stalkがlocal ring $A_\mathfrak p$ になることを証明します。そこで初めて $\operatorname{Spec}A$ はaffine schemeとして完成します。

参考文献

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