イデアル(ideal)とは、環 $R$ の加法部分群 $I$ であって、$R$ のどの元を掛けても外に出ないもの、すなわち $r\in R$、$a\in I$ に対して $ra\in I$ かつ $ar\in I$ となるものである。片側からの積だけで閉じるものを左イデアル・右イデアルといい、可換環では 3 つは一致する。イデアルはちょうど環準同型の核として現れ、剰余環 $R/I$ を作るための条件になっている。整数環 $\mathbb{Z}$ のイデアルは $n\mathbb{Z}$ に限り、イデアルの和・共通部分・積はそれぞれ最大公約数・最小公倍数・積に対応する。一方、$\mathbb{Z}[x]$ のイデアル $(2,x)$ のように 1 つの元では生成できないイデアルもある。
前提知識: 環, 可換環, 部分群, 環準同型
イデアルは、環の部分集合のうち、足し算・引き算で閉じ、さらに環のどの元を掛けても外に出ないものである。整数の「$n$ の倍数全体」を一般化した概念であり、環準同型で $0$ に潰れる元の全体(核)としてちょうど現れる。イデアルで環を割ると剰余環が得られるので、イデアルは「$0$ とみなしてよい元の集まり」と考えることができる。
本記事で環とは、乗法の単位元 $1$ をもつ環(可換とは限らない)をいう。環の定義は 環 の記事にある。
$R$ を環とし、$I$ を $R$ の部分集合とする。
$(R,+)$ の部分群であるという条件は、「$0\in I$ であり、$a,b\in I$ ならば $a-b\in I$」と言い換えられる。$\{0\}$ と $R$ 自身はつねにイデアルであり、これを 自明なイデアル という。$\{0\}$ を零イデアルといい $(0)$ とも書く。$I\neq R$ であるイデアルを 真のイデアル(proper ideal)という。
イデアル $I$ が単元 $u$ を含めば、任意の $r\in R$ について $r=(ru^{-1})u\in I$ となるので $I=R$ である(右イデアルなら $r=u(u^{-1}r)$)。したがって、イデアルが真のイデアルであることと、$1$ を含まないことと、単元を含まないことは同値である。このことと、イデアルの共通部分・和がイデアルになることの証明は 環 の記事の命題「イデアルの基本性質」にある。
与えられた部分集合を含む最小のイデアルを考えることができる。
$R$ を環、$S$ を $R$ の部分集合とする。$S$ を含む $R$ の両側イデアルすべての共通部分を、$S$ が 生成するイデアル といい $(S)$ と書く。$S=\{a_1,\dots,a_n\}$ が有限集合のときは $(a_1,\dots,a_n)$ と書き、このように有限集合で生成されるイデアルを 有限生成 であるという。1 つの元 $a$ が生成するイデアル $(a)$ を 単項イデアル(principal ideal)という。左イデアル・右イデアルについても同様に、$S$ を含む最小の左イデアル・右イデアルを定める。
$R$ 自身が $S$ を含むイデアルなので共通部分をとる族は空でなく、イデアルの共通部分はイデアルだから、$(S)$ は $S$ を含むイデアルのうち包含について最小のものである。$(\emptyset)=(0)$ である。$(S)$ の元の具体的な形は prop-ideal-generated-form で与える。
イデアルどうしの演算を定める。
$I,J$ を環 $R$ の両側イデアルとする。
積 $IJ$ は、積 $ab$ の全体 $\{ab\mid a\in I,\ b\in J\}$ ではなく、その有限和の全体であることに注意する。積の全体は一般に加法で閉じていないからである。
整数の世界では、$6$ の倍数全体 $6\mathbb{Z}$ は、足しても引いても $6$ の倍数のままであり、どんな整数を掛けても $6$ の倍数のままである。この 2 つの性質を抽象化したものがイデアルである。$6\mathbb{Z}$ の元を $0$ とみなして計算する、すなわち $6$ を法として計算することができるのは、$6\mathbb{Z}$ がこの 2 つの性質をもつからにほかならない。一般に、イデアル $I$ の元を $0$ とみなすとき、「$a$ を $0$ とみなすなら $ra$ も $0$ とみなさなければならない」という要請が、イデアルが環の元の掛け算で閉じていることに対応する。
多項式環で見れば、イデアルは方程式の集まりである。多項式 $f_1,\dots,f_r$ を $0$ とおく方程式系からは、それらに多項式を掛けて足したもの $g_1f_1+\cdots+g_rf_r$ もすべて $0$ になることが従う。生成されるイデアル $(f_1,\dots,f_r)$ は、方程式系から加法と乗法で導かれる帰結の全体である。
非可換環では、左から掛けて閉じることと右から掛けて閉じることは別の条件になる。剰余環を作るのに必要なのは両側から閉じていることであり、片側だけのイデアルは加群の理論で自然に現れる。
$n\geq0$ に対し $n\mathbb{Z}=\{nk\mid k\in\mathbb{Z}\}$ は $\mathbb{Z}$ のイデアルであり、単項イデアル $(n)$ に等しい。実際、$nk-nl=n(k-l)$、$r(nk)=n(rk)$ である。
逆に $\mathbb{Z}$ のイデアルはすべてこの形である。$I\neq(0)$ をイデアルとすると、$a\in I$ なら $-a\in I$ なので $I$ は正の整数を含む。その最小のものを $n$ とする。$n\mathbb{Z}\subset I$ は明らかである。$a\in I$ を $n$ で割って $a=qn+r$($0\leq r< n$)と書くと(除法の原理)、$r=a-qn\in I$ であり、$n$ の最小性から $r=0$ である。よって $I=n\mathbb{Z}$ である。$\mathbb{Z}$ はすべてのイデアルが単項である整域、すなわち単項イデアル整域である。
$m,n\geq1$ について、$(m)\subset(n)$ は $n\mid m$ と同値である($m\in(n)$ が $n\mid m$ の意味だから)。たとえば $(6)\subsetneq(2)\subsetneq(1)=\mathbb{Z}$ である。
$m,n\geq1$ とし、$\gcd(m,n)$ を最大公約数、$\operatorname{lcm}(m,n)$ を最小公倍数とする。$\mathbb{Z}$ において
$$
(m)+(n)=(\gcd(m,n)),\qquad (m)\cap(n)=(\operatorname{lcm}(m,n)),\qquad (m)(n)=(mn)
$$
が成り立つ。積については、$(ma)(nb)=mn(ab)$ の有限和は $mn$ の倍数であり、逆に $mnc$ は $m\in(m)$ と $nc\in(n)$ の積なので $(m)(n)$ の元だから $(m)(n)=(mn)$ である。共通部分 $(m)\cap(n)$ は $m$ と $n$ の公倍数全体であり、$0$ でないイデアルだから、ex-ideal-integers の証明により、そこに属する最小の正の整数、すなわち正の公倍数のうち最小のもの $\operatorname{lcm}(m,n)$ で生成される。和については、ex-ideal-integers により $(m)+(n)=(d)$ となる $d\geq1$ がある。$m,n\in(d)$ だから $d$ は $m,n$ の公約数である。また $d\in(m)+(n)$ だから $d=um+vn$ となる整数 $u,v$ があり、$m,n$ の任意の公約数は $d$ を割り切る。よって $d=\gcd(m,n)$ であり、同時に Bézoutの等式 $\gcd(m,n)=um+vn$ も得られる。
たとえば $(2)(2)=(4)$ だが $(2)\cap(2)=(2)$ なので、積と共通部分は一般には異なる。一方 $(2)+(3)=(1)$ であり、$(2)\cap(3)=(6)=(2)(3)$ である。これは prop-ideal-comaximal の特別な場合である。
$k$ を体とし、1 変数多項式環 $k[x]$ の単項イデアル $(x)=\{xg\mid g\in k[x]\}$ を考える。$f=a_0+a_1x+\cdots+a_nx^n$ は $f=a_0+x(a_1+a_2x+\cdots+a_nx^{n-1})$ と書けるので、$f\in(x)$ であることと定数項 $a_0$ が $0$ であることは同値である。したがって $(x)$ は定数項が $0$ の多項式全体であり、$x$ に $0$ を代入する環準同型 $k[x]\to k$、$f\mapsto f(0)$ の核に一致する。
$k[x]$ の任意のイデアルは、そこに含まれる次数最小の多項式で生成される単項イデアルである(多項式環 の記事の定理「体上の多項式環は単項イデアル整域」)。一方、2 変数の多項式環 $k[x,y]$ のイデアル $(x,y)$ は単項イデアルでない(同じ記事の例「反例:単項イデアル整域でない多項式環」)。$(x,y)$ は $xg+yh$ の形の多項式全体、すなわち定数項が $0$ の多項式全体であり、原点で値 $0$ をとる多項式の全体である。
$k$ を体、$n\geq2$ とし、$R=M_n(k)$ を $n$ 次正方行列全体のなす環(行列環)とする。$(i,j)$ 成分だけが $1$ で他が $0$ の行列を $E_{ij}$ と書く。
$R$ の両側イデアルは $(0)$ と $R$ だけである。実際、$J\neq(0)$ を両側イデアルとし、$0$ でない $A=(a_{st})\in J$ をとって $a_{pq}\neq0$ とする。行列の積を計算すると、任意の $i,j$ について
$$
E_{ip}\,A\,E_{qj}=a_{pq}E_{ij}
$$
である(左辺の $(r,s)$ 成分は $\sum_{t,u}(E_{ip})_{rt}a_{tu}(E_{qj})_{us}$ であり、$r=i$、$t=p$、$u=q$、$s=j$ の項だけが残る)。$J$ は両側イデアルだから左辺は $J$ に属し、さらにスカラー行列 $a_{pq}^{-1}E$($E$ は単位行列)を掛けて $E_{ij}\in J$ を得る。よって単位行列 $E=E_{11}+\cdots+E_{nn}$ が $J$ に属し、$J=R$ である。
一方、左イデアルとしては自明でないものがある。$RE_{11}$ は第 1 列以外の成分が $0$ の行列全体であり、$(0)$ とも $R$ とも異なる左イデアルである。これは右イデアルではない(環 の記事の例「反例:片側イデアルによる剰余」)。また、元 $E_{11}$ が生成する両側イデアル $(E_{11})$ は上の議論により $R$ 全体であり、左イデアル $RE_{11}$ よりずっと大きい。
$\mathbb{Z}$ のイデアル $(2)$ と $(3)$ の和集合 $(2)\cup(3)$ は $2$ と $3$ を含むが、$2+3=5$ は $2$ でも $3$ でも割り切れないので含まない。よって $(2)\cup(3)$ は加法で閉じておらず、イデアルでない。この例が破るのは「イデアルの和集合はイデアル」という含意である。2 つのイデアルを含む最小のイデアルは和集合ではなく和 $I+J$ であり、$(2)+(3)=(1)$ である(prop-ideal-operations)。ただし、包含について全順序をなすイデアルの族の和集合はイデアルである。このことはZornの補題による極大イデアルの存在証明で使われる(可換環 の記事の定理「極大イデアルの存在」)。
$\mathbb{Z}$ は有理数体 $\mathbb{Q}$ の部分環であるが、$\tfrac12\in\mathbb{Q}$ と $1\in\mathbb{Z}$ の積 $\tfrac12$ が $\mathbb{Z}$ に属さないので、$\mathbb{Q}$ のイデアルではない。これは「部分環ならばイデアル」を破る。逆に $2\mathbb{Z}$ は $\mathbb{Z}$ のイデアルだが $1$ を含まないので部分環ではない。イデアルかつ部分環であるのは、$1$ を含むイデアル、すなわち環全体だけである。
この例は、環準同型によるイデアルの像がイデアルとは限らないことも示している。包含写像 $\iota\colon\mathbb{Z}\to\mathbb{Q}$ は環準同型であり、$\mathbb{Z}$ 自身は $\mathbb{Z}$ のイデアルだが、その像 $\iota(\mathbb{Z})=\mathbb{Z}$ は $\mathbb{Q}$ のイデアルでない。像がイデアルになるのは準同型が全射のときである(prop-ideal-homomorphism)。
整数係数の多項式環 $\mathbb{Z}[x]$ において、$2$ と $x$ が生成するイデアル
$$
(2,x)=\{2g+xh\mid g,h\in\mathbb{Z}[x]\}
$$
は真のイデアルであり、単項イデアルでない。
まず $(2,x)$ の元 $2g+xh$ の定数項は $2g(0)$ であり偶数である。よって $1\notin(2,x)$ であり、$(2,x)$ は真のイデアルである。
$(2,x)=(f)$ となる $f\in\mathbb{Z}[x]$ があると仮定する。$2\in(f)$ だから $2=fg$ となる $g\in\mathbb{Z}[x]$ がある。$\mathbb{Z}$ は整域なので $\mathbb{Z}[x]$ において $0$ でない多項式の積の次数は次数の和であり(多項式環 の記事の命題「次数の公式と整域性」)、$0=\deg2=\deg f+\deg g$ から $\deg f=0$、すなわち $f$ は整数の定数 $c$ である。$2=cg$ から $c$ は $2$ を割り切るので $c\in\{\pm1,\pm2\}$ である。次に $x\in(f)$ だから $x=ch$ となる $h\in\mathbb{Z}[x]$ があり、$x$ の係数を比べると $1=c\cdot(h\text{ の }x\text{ の係数})$ なので $c$ は $1$ を割り切る。よって $c=\pm1$ であり、$(f)=(\pm1)=\mathbb{Z}[x]$ となる。これは $(2,x)$ が真のイデアルであることに反する。ゆえに $(2,x)$ は単項イデアルでない。
prop-ideal-z-x-nonprincipal は、$\mathbb{Z}$ が単項イデアル整域であっても $\mathbb{Z}[x]$ はそうでないことを示している。係数を $2$ で割った余りをとり $x$ に $0$ を代入する環準同型 $\mathbb{Z}[x]\to\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}$、$f\mapsto f(0)\bmod 2$ の核が $(2,x)$ であり、$(2,x)$ は極大イデアルである。
$R$ を環、$S$ を $R$ の部分集合とする。
可換でない環では、1 の和を 1 つの項 $rat$ にまとめることは一般にできない。ex-ideal-matrix-ring の $M_n(k)$ では $(E_{11})=R$ だが、$rE_{11}t$ の形の行列は階数が $1$ 以下なので、$n\geq2$ のとき単位行列はこの形でない。
$I,J$ を環 $R$ の両側イデアルとする。
ex-ideal-integers-operations の $(2)(2)=(4)\subsetneq(2)=(2)\cap(2)$ のように、3 の包含は一般に等号でない。次の命題は、等号が成り立つ典型的な場合を与える。
$A$ を可換環とし、$I,J$ を $I+J=A$ を満たすイデアルとする(このとき $I$ と $J$ は 互いに素(coprime)であるという)。このとき $IJ=I\cap J$ である。
$IJ\subset I\cap J$ は prop-ideal-operations の 3 による。逆向きを示す。$1\in A=I+J$ だから、$1=a+b$ となる $a\in I$、$b\in J$ がある。$x\in I\cap J$ に対し
$$
x=x\cdot1=xa+xb
$$
である。可換性から $xa=ax$ であり、$a\in I$、$x\in J$ なので $ax\in IJ$ である。また $x\in I$、$b\in J$ なので $xb\in IJ$ である。$IJ$ は加法で閉じているので $x\in IJ$ である。よって $I\cap J\subset IJ$ である。
$\mathbb{Z}$ では、$(m)+(n)=(1)$ は $\gcd(m,n)=1$、すなわち $m$ と $n$ が互いに素であることと同値であり(ex-ideal-integers-operations)、そのとき prop-ideal-comaximal は $\operatorname{lcm}(m,n)=mn$ という等式にあたる。イデアルに対する「互いに素」の名はこの対応に由来する。
$f\colon R\to S$ を環準同型とする。
1 は $f(a-b)=f(a)-f(b)$ と $f(ra)=f(r)f(a)$、$f(ar)=f(a)f(r)$ から従い、証明は 環準同型 の記事の命題「核と像の基本性質」にある。2 と 3 の証明は同じ記事の定理「イデアルの対応定理」の証明の前半にある。2 では $f(ra)=f(r)f(a)\in J'$ を、3 では $S$ の元が全射性により $f(r)$ と書けて $f(r)f(a)=f(ra)\in f(J)$ となることを使う。4 は 剰余環 の構成による(環 の記事の命題「剰余環の乗法の well-definedness」)。出典は DF04 §7.3、Lan02 Chapter II §1 である。
1 と 4 をあわせると、環 $R$ の両側イデアルとは、$R$ を定義域とする環準同型の核のことにほかならない。3 で全射の仮定が外せないことは ex-ideal-subring-counterexample の包含写像 $\mathbb{Z}\to\mathbb{Q}$ で見た。
両側イデアル $I$ による剰余環 $R/I$ は、剰余類 $a+I$ の全体に $(a+I)+(b+I)=(a+b)+I$、$(a+I)(b+I)=ab+I$ で演算を入れた環である。乗法が代表元の取り方によらないことに、$I$ が左右両側から掛け算で閉じていることが使われる(詳しくは 剰余環)。$R/I$ のイデアルは $R$ のイデアルで記述できる。自然な射影 $\pi\colon R\to R/I$ について、$J\mapsto\pi(J)=J/I$ は、$I$ を含む $R$ の両側イデアル全体から $R/I$ の両側イデアル全体への包含関係を保つ全単射であり、逆写像は $J'\mapsto\pi^{-1}(J')$ である。さらに $(R/I)/(J/I)\cong R/J$ が成り立つ。これが 環準同型 の記事の定理「イデアルの対応定理」であり、prop-ideal-homomorphism の 2 と 3 を $f=\pi$ に適用して得られる。
たとえば $\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}$($n\geq1$)のイデアルは、$n\mathbb{Z}$ を含む $\mathbb{Z}$ のイデアル $d\mathbb{Z}$、すなわち $n$ の正の約数 $d$ に対する $d\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}$ で尽くされる(ex-ideal-integers)。$\mathbb{Z}/12\mathbb{Z}$ のイデアルは $d=1,2,3,4,6,12$ に対応する 6 個である。
イデアルの性質は剰余環の性質に言い換えられる。可換環 $A$ の真のイデアル $I$ について、$A/I$ が整域であることは $I$ が素イデアルであることと、$A/I$ が体であることは $I$ が極大イデアルであることと同値である。前者は 素イデアル、後者は 極大イデアル の記事で扱う。
prop-ideal-z-x-nonprincipal のイデアル $(2,x)$ は単項ではないが 2 つの元で生成される。すべてのイデアルが有限生成である可換環を Noether環 という。$\mathbb{Z}$ や体上の 1 変数多項式環は単項イデアル整域なので Noether 環であり、Hilbertの基底定理により Noether 環上の多項式環 $A[x_1,\dots,x_n]$ も Noether 環である(AM69 Chapter 7, Theorem 7.5)。したがって $\mathbb{Z}[x]$ や $k[x,y]$ のイデアルはすべて有限生成である。有限生成でないイデアルの例としては、可算無限個の変数の多項式環 $k[x_1,x_2,\dots]$ のイデアル $(x_1,x_2,\dots)$ がある。
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