イデアル

同義語:ideal両側イデアル

概要

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。

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

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。

定義

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。

イデアル

$R$ を環とし、$I$ を $R$ の部分集合とする。

  1. $I$ が $R$ の 左イデアル(left ideal)であるとは、$I$ が加法群 $(R,+)$ の部分群であり、任意の $r\in R$ と $a\in I$ に対し $ra\in I$ となることをいう。
  2. $I$ が $R$ の 右イデアル(right ideal)であるとは、$I$ が $(R,+)$ の部分群であり、任意の $r\in R$ と $a\in I$ に対し $ar\in I$ となることをいう。
  3. 左イデアルでありかつ右イデアルである $I$ を 両側イデアル(two-sided ideal)または単に イデアル(ideal)という。
    $R$ が可換環なら $ra=ar$ だから 3 つの概念は一致し、単にイデアルという。

$(R,+)$ 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。

生成されるイデアル

$R$ 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。

イデアルの和・積・共通部分

$I,J$ を環 $R$ の両側イデアルとする。

  1. 和 $I+J:=\{a+b\mid a\in I,\ b\in J\}$。
  2. 積 $IJ$:$a\in I$、$b\in J$ の積 $ab$ の有限和 $a_1b_1+\cdots+a_nb_n$($n\geq0$、$a_i\in I$、$b_i\in J$)全体。$n=0$ の空和は $0$ と約束する。
  3. 共通部分 $I\cap J$。
    より一般に、イデアルの族 $(I_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}$ の和 $\sum_\lambda I_\lambda$ は、有限個を除いて $0$ である $a_\lambda\in I_\lambda$ の和 $\sum_\lambda a_\lambda$ 全体とする。

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。

直感

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。

例と反例

整数環のイデアル

$n\geq0$ 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。

整数環でのイデアルの演算

$m,n\geq1$ 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。

多項式環のイデアル

$k$ 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。

体のイデアル

体 $K$ のイデアルは $(0)$ と $K$ の 2 つだけである。$0$ でない元はすべて単元なので、$(0)$ でないイデアルは単元を含み、全体に一致するからである。逆に、零環でない可換環 $A$ のイデアルが $(0)$ と $A$ だけなら、$a\neq0$ に対し $(a)=A$ だから $1=ba$ となる $b$ があり、$A$ は体である。これらの証明は 体 の記事の命題「体のイデアル」にある。

行列環の両側イデアル

$k$ 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。

反例:イデアルの和集合

$\mathbb{Z}$ 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」)。

反例:部分環とイデアル

$\mathbb{Z}$ 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)。

整数係数多項式環の単項でないイデアル

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。

次数と係数の比較

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。

性質

生成されるイデアルの形

生成されるイデアルの元

$R$ を環、$S$ を $R$ の部分集合とする。

  1. $S$ が生成する両側イデアルは
    $$ (S)=\Bigl\{\sum_{i=1}^{n}r_is_it_i\ \Bigm|\ n\geq0,\ r_i,t_i\in R,\ s_i\in S\Bigr\} $$
    である($n=0$ の空和は $0$)。
  2. $S$ を含む最小の左イデアルは $\bigl\{\sum_{i=1}^{n}r_is_i\mid n\geq0,\ r_i\in R,\ s_i\in S\bigr\}$ である。
  3. $R$ が可換で $S=\{a_1,\dots,a_n\}$ なら $(a_1,\dots,a_n)=\{r_1a_1+\cdots+r_na_n\mid r_1,\dots,r_n\in R\}$ であり、特に $(a)=Ra=\{ra\mid r\in R\}$ である。
右辺がイデアルであることと最小性
  1. 右辺を $T$ とおく。$T$ が $S$ を含む両側イデアルであり、$S$ を含む任意の両側イデアルに含まれることを示せば、$T$ は $S$ を含む最小の両側イデアル、すなわち $(S)$ に等しい。
    空和により $0\in T$ である。$T$ の 2 元の差は、項を並べ直すと再び $\sum r_is_it_i$ の形になる。実際 $-(rst)=(-r)st$(環 の記事の命題「環の基本計算規則」の 2)なので、$\sum_i r_is_it_i-\sum_j r'_js'_jt'_j$ は項 $r_is_it_i$ と項 $(-r'_j)s'_jt'_j$ を並べた有限和である。よって $T$ は $(R,+)$ の部分群である。$r\in R$ に対し、乗法の結合性と分配法則から
    $$ r\sum_i r_is_it_i=\sum_i (rr_i)s_it_i,\qquad \Bigl(\sum_i r_is_it_i\Bigr)r=\sum_i r_is_i(t_ir) $$
    はいずれも $T$ に属する。よって $T$ は両側イデアルである。$s\in S$ は $s=1\cdot s\cdot 1\in T$ だから $S\subset T$ である。
    逆に $J$ を $S$ を含む両側イデアルとする。$s_i\in S\subset J$ だから、$J$ が左イデアルであることから $r_is_i\in J$、右イデアルであることから $r_is_it_i\in J$ であり、$J$ は加法で閉じているので $\sum_i r_is_it_i\in J$ である。よって $T\subset J$ である。
  2. 1 の議論で $t_i$ をすべて $1$ とし、左からの積だけを考えればよい。
  3. $R$ が可換なら $r_is_it_i=(r_it_i)s_i$ なので、1 の右辺は $\sum r_is_i$ の形の有限和全体である。$S=\{a_1,\dots,a_n\}$ のときは、同じ $a_j$ に掛かる係数をまとめて $\sum_j r_ja_j$ の形に書ける。逆にこの形の元が 1 の右辺に属することは明らかである。

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。

和・積・共通部分

和・積・共通部分の基本性質

$I,J$ を環 $R$ の両側イデアルとする。

  1. $I+J$ は $I$ と $J$ をともに含む最小の両側イデアルであり、$I+J=(I\cup J)$ である。
  2. $I\cap J$ は $I$ と $J$ の両方に含まれる最大の両側イデアルである。
  3. $IJ$ は両側イデアルであり、$IJ\subset I\cap J$ が成り立つ。
  4. $R$ が可換なら $IJ=JI$ である。
定義からの確認
  1. $I+J$ と $I\cap J$ が両側イデアルであることは 環 の記事の命題「イデアルの基本性質」による。$a\in I$ は $a=a+0\in I+J$、$b\in J$ は $b=0+b\in I+J$ なので、$I+J$ は $I$ と $J$ を含む。$I$ と $J$ を含む両側イデアル $K$ は、$a\in I$、$b\in J$ に対し $a,b\in K$ だから $a+b\in K$ を含む。よって $I+J\subset K$ であり、$I+J$ は $I\cup J$ を含む最小の両側イデアル、すなわち $(I\cup J)$ である。
  2. $I\cap J$ は $I$ にも $J$ にも含まれる。$I$ と $J$ の両方に含まれる両側イデアルは $I\cap J$ に含まれる。
  3. 空和により $0\in IJ$ である。$IJ$ の 2 元の差は、$-(ab)=(-a)b$ かつ $-a\in I$ だから、再び $I$ の元と $J$ の元の積の有限和であり、$IJ$ は加法群の部分群である。$r\in R$ に対し
    $$ r\sum_i a_ib_i=\sum_i (ra_i)b_i,\qquad \Bigl(\sum_i a_ib_i\Bigr)r=\sum_i a_i(b_ir) $$
    であり、$I$ が左イデアルだから $ra_i\in I$、$J$ が右イデアルだから $b_ir\in J$ である。よって $IJ$ は両側イデアルである。次に $a\in I$、$b\in J$ に対し、$I$ が右イデアルであることから $ab\in I$、$J$ が左イデアルであることから $ab\in J$ なので $ab\in I\cap J$ である。$I\cap J$ は加法で閉じているので、$ab$ の有限和も $I\cap J$ に属する。よって $IJ\subset I\cap J$ である。
  4. 可換なら $ab=ba$ なので、$IJ$ の元 $\sum a_ib_i$ は $\sum b_ia_i\in JI$ に等しく、逆も同様である。

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。

互いに素なイデアルの積と共通部分

$A$ 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。

1 を分解する

$IJ\subset I\cap J$ 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。

環準同型とイデアル

環準同型による核・逆像・像

$f\colon R\to S$ を環準同型とする。

  1. 核 $\ker f=\{a\in R\mid f(a)=0\}$ は $R$ の両側イデアルである。
  2. $S$ の両側イデアル $J'$ の逆像 $f^{-1}(J')$ は、$\ker f$ を含む $R$ の両側イデアルである。
  3. $f$ が全射なら、$R$ の両側イデアル $J$ の像 $f(J)$ は $S$ の両側イデアルである。
  4. 逆に、$R$ の任意の両側イデアル $I$ は、ある環準同型の核として現れる。実際、自然な射影 $\pi\colon R\to R/I$ の核は $I$ である。
核・逆像・像の証明の所在

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。

剰余環との対応

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。

補足

有限生成性とNoether環

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。

定義の流儀

本記事では環に単位元を仮定した。単位元を仮定しない流儀(DF04 §7.1)でもイデアルの定義は同じであるが、生成されるイデアルの形は変わる。単位元がないと $s=1\cdot s\cdot1$ と書けないので、$(S)$ は $\sum r_is_it_i$ の形の元に加えて $rs$、$st$、$s$ の整数倍などを含めた有限和の全体になる。また、単位元をもつ環ではイデアルは $1$ を含まない限り部分環でないが、単位元を仮定しない流儀ではイデアルはつねに部分環(部分擬環)である。可換環論の教科書 AM69 Chapter 1 は本記事と同じく単位元をもつ可換環を扱う。

関連項目

参考文献

[1]
David S. Dummit and Richard M. Foote, Abstract Algebra, Wiley, §7.1(単位元を仮定しない流儀)、§7.3(核・イデアル・剰余環、イデアルの和と積)、§7.4(生成されるイデアル)
[2]
Serge Lang, Algebra, Springer, Chapter II §1(Rings and homomorphisms:左・右・両側イデアル、核)
[3]
Michael F. Atiyah and Ian G. Macdonald, Introduction to Commutative Algebra, Addison-Wesley, Chapter 1(イデアルの和・積・共通部分、互いに素なイデアル)、Chapter 7(Theorem 7.5:Hilbert の基底定理)

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