解析的正規局所環(analytically normal local ring)とは、極大イデアル進完備化 $\widehat A$ が正規環、すなわち整閉整域であるNoether局所環 $(A,\mathfrak m)$ をいう。解析的正規な局所環は整閉整域であり、完成が整域であるという解析的既約性と、完成が被約であるという解析的不分岐性をともに含意する。完備Noether局所環では解析的正規性は整閉整域であることと同値で、体 $k$ 上の $k[\![t]\!]$ や $k[t]_{(t)}$ が基本例となる。一方、尖点 $k[t^2,t^3]_{(t^2,t^3)}$ は解析的既約かつ解析的不分岐だが完成 $k+t^2k[\![t]\!]$ が整閉でなく、二枝の交点 $k[u,v]/(uv)$ の局所化は完成が整域でないため、いずれも解析的正規でない。
局所環の正規性は、その環に属する係数のモニック方程式を満たす商体の元が、すでに環に属するという条件である。解析的正規性では、まず極大イデアル進完備化を作り、その完成した環について正規性を調べる。完備化は無限の両立する近似を加える操作なので、元の環と完成の商体や素イデアルは同じとは限らない。
本記事では非零Noether局所環 $(A,\mathfrak m)$ を扱う。「正規環」は、すべての素イデアルでの局所環が整閉整域であるという規約を用いる。一般の正規環は有限直積のように整域でない場合を含むが、局所環が正規なら、その極大イデアルでの局所化は環自身なので、環自身が整閉整域である。解析的正規性における局所環と一般の非整域正規環を混同しないことが最初の注意点である。
Noether局所環 $(A,\mathfrak m)$ が解析的正規であるとは、$\widehat A=\varprojlim_n A/\mathfrak m^n$ が正規環であることをいう。完成は局所環なので、これは $\widehat A$ が整閉整域であることと同値である。完成が整域であることだけを解析的既約性という。
完成の局所性をここで確認する。$F_1=\ker(\widehat A\to A/\mathfrak m)$ とする。$z\in F_1$ の第 $n$ 座標は $\mathfrak m/\mathfrak m^n$ の元なので、その $n$ 乗は零である。従って $1+z$ の逆元は各座標で $\sum_{j=0}^{n-1}(-z_n)^j$ となる。これらは逆元の一意性により両立し、完成で逆元を与える。
剰余が非零の $u\in\widehat A$ について、剰余体で逆元を選び、それを $a\in A$ へ戻すと $au-1\in F_1$ である。従って $au$ は単元、$u$ も単元である。逆に $F_1$ の元は体への写像で零になるので単元でない。従って $F_1$ が完成の唯一の極大イデアルである。この証明はNoether性を必要とせず、逆極限の座標と有限幾何級数だけを使う。
解析的正規性は完成の整閉性を含むため、完成の被約性を表す解析的不分岐より強い。被約環は非零の冪零元を持たないだけなので、零因子を持つ場合もある。整域は零因子を持たず、整閉整域はさらに商体の整元が余計にない。この三つの条件を順に区別すると、枝の交わりや尖点の例が読みやすくなる。
完成の正規性から元環の正規性を導く際には、元環の分数が完成に属したことから元環に属することを示す必要がある。以下では、有限加群の分離性と主イデアルの閉性を証明し、それを使ってこれを示す。
$\widehat M=\varprojlim M/I^nM$ への自然写像の核は $\bigcap_nI^nM$ である。第 $n$ 座標への射影は全射で、核を $F_n$ とすると $\widehat M/F_n=M/I^nM$ である。これらの商は両立し、$\widehat M=\varprojlim\widehat M/F_n$ となる。
自然写像で零になるのは各剰余が零となる元であり、核の等式が従う。任意の第 $n$ 座標の元を $M$ に戻し、その全剰余の列を作れば射影の全射性が分かる。核で割った商の同型は全射から従い、推移写像がもとの自然な商写像と同じなので、最後の逆極限も定義から従う。
以下の完成の証明に使う有限性とNakayamaの必要な形を、ここで確認する。
Noether環 $R$ 上の有限生成加群の部分加群は有限生成であり、有限変数多項式環とその商はNoether環である。
$R^s$ の部分加群の有限生成性を $s$ で帰納する。$s=0$ では零加群だけである。$s>0$ では最後の座標への像はイデアルなので有限生成で、その生成元を部分加群へ持ち上げる。最後の座標が零になる核は $R^{s-1}$ の部分加群であり、帰納法で有限生成である。任意の元から持ち上げた生成元の線形結合を引けば核に入るので、両者の生成元を合わせればよい。有限生成加群は有限自由加群の商であり、部分加群の逆像にこの結果を適用して結論を得る。
一変数多項式環 $R[T]$ のイデアル $H$ を取る。$H=0$ は有限生成である。そうでなければ、$H$ の非零多項式の先頭係数が生成するイデアルを有限個の先頭係数で生成し、対応する $f_1,\ldots,f_v\in H$ を選ぶ。生成元として先頭係数そのものを選べるのは、最初に選んだ有限生成元が各々有限個の先頭係数の線形結合だからである。
$D=\max_i\deg f_i$ とする。次数が $D$ 以上の $g\in H$ は、$f_i$ の先頭係数の線形結合と適切な $T$ の冪によって最高次を消せる。次数が真に下がる操作を有限回繰り返すと、$g$ は $f_i$ の多項式係数線形結合と次数が $D$ 未満の $H$ の元との和になる。有界次数の部分は有限自由 $R$ 加群の部分加群なので、前半の結果から有限生成である。$D=0$ の場合には残る部分は零である。よって $H$ は有限生成で、$R[T]$ はNoetherである。変数数の帰納と商への逆像により、有限変数とその商もNoetherとなる。
有限生成 $R$ 加群 $Q$ がイデアル $I$ について $IQ=Q$ を満たすなら、ある $a\in I$ で $(1-a)Q=0$ となる。$I$ がJacobson根基に含まれるなら $Q=0$ である。
$Q=0$ では $a=0$ とすればよい。生成元 $q_1,\ldots,q_s$ を選ぶと、$IQ=Q$ より $q_i=\sum_jc_{ij}q_j$、$c_{ij}\in I$ と書ける。行列 $E-C$ に随伴行列を掛けると、$\det(E-C)q_i=0$ が全 $i$ に成立する。行列式の展開では定数項が一、他の項は少なくとも一つの $c_{ij}$ を含む。従って $\det(E-C)=1-a$、$a\in I$ となる。$a$ がJacobson根基に入れば、どの極大イデアルも $1-a$ を含めないため $1-a$ は単元であり、$Q=0$ を得る。
局所環 $(R,\mathfrak m)$ の有限加群の元が $Q/\mathfrak mQ$ を生成するなら、その元の生成する部分加群を $U$ として $Q/U=\mathfrak m(Q/U)$ となる。前半を有限商加群に適用すれば $Q=U$ である。これが後で極大イデアルの生成元を選ぶ際に使う形である。
以下の主要な結果は $A$ が Noether 環の場合に成り立つもので、鍵になるのは Artin–Rees の補題である。$I=(a_1,\dots,a_r)$ に対し、多項式環 $A[t]$ の部分環
$$
A^{*}:=\bigoplus_{n\ge0}I^nt^n=A[a_1t,\dots,a_rt]
$$
を $I$ の Rees 環という。$A$ が Noether 環なら $A^{*}$ は有限生成 $A$ 代数なので、Hilbertの基底定理により Noether 環である。
$A$ を Noether 環、$I$ をイデアル、$M$ を有限生成 $A$ 加群、$N\subset M$ を部分加群とする。このとき整数 $c\ge0$ が存在して、すべての $n\ge c$ について
$$
I^nM\cap N=I^{n-c}(I^cM\cap N)
$$
が成り立つ。とくに $I^nN\subset I^nM\cap N\subset I^{n-c}N$ であり、$N$ の $I$ 進位相は $M$ の $I$ 進位相から誘導される相対位相に一致する。
$M^{*}:=\bigoplus_{n\ge0}I^nMt^n$ は、$a t^m\in I^mt^m$ と $xt^n\in I^nMt^n$ の積を $axt^{m+n}$ で定めて次数付き環 $A^{*}$ 上の次数付き加群になる。$M$ の生成元 $m_1,\dots,m_s$ は次数 $0$ の元として $M^{*}$ を生成する($I^nM$ の元は $\sum a_jm_j$、$a_j\in I^n$ と書け、$a_jt^n\in A^{*}$ だから)ので、$M^{*}$ は有限生成 $A^{*}$ 加群であり、$A^{*}$ が Noether 環なので Noether加群である。$N^{*}:=\bigoplus_{n\ge0}(I^nM\cap N)t^n$ は $M^{*}$ の部分加群である($a\in I^m$、$x\in I^nM\cap N$ なら $ax\in I^{m+n}M\cap N$)から、有限個の斉次元 $y_1t^{d_1},\dots,y_qt^{d_q}$($y_j\in I^{d_j}M\cap N$)で生成される。$N^{*}=0$ なら $N=0$ であり $c=0$ として結論は直ちに成立する。そうでなければ $c:=\max_jd_j$ とおく。$n\ge c$ のとき $I^nM\cap N$ の元 $x$ は、$xt^n=\sum_jb_jt^{n-d_j}\cdot y_jt^{d_j}$($b_j\in I^{n-d_j}$)と書けるので
$$
x=\sum_jb_jy_j\in\sum_jI^{n-d_j}(I^{d_j}M\cap N)\subset\sum_jI^{n-c}I^{c-d_j}(I^{d_j}M\cap N)\subset I^{n-c}(I^cM\cap N)
$$
である。逆の包含 $I^{n-c}(I^cM\cap N)\subset I^nM\cap N$ は明らかである。最後の主張は、$I^nN\subset I^nM\cap N$ が明らかであり、$n\ge c$ について $I^nM\cap N=I^{n-c}(I^cM\cap N)\subset I^{n-c}N$ であることから従う。$\square$
$A$ を Noether 環、$I$ をイデアル、$M$ を有限生成 $A$ 加群とし、$N:=\bigcap_nI^nM$ とおく。
Krull の交叉定理は AM69 第 10 章 Theorem 10.17 と Corollary 10.18–10.20、Mat89 §8 Theorem 8.9–8.10 にある。3 の仮定「整域」や 2 の仮定「Jacobson 根基に含まれる」は外せない。
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 3 の「整域」 | $A=\mathbb Z/6\mathbb Z$、$I=2A$ | $\bigcap_nI^n=0$ |
| 2 の「Jacobson 根基に含まれる」 | $A=\mathbb Z$、$I=2\mathbb Z$、$M=\mathbb Z/3\mathbb Z$ | $\bigcap_nI^nM=0$ |
$A=\mathbb Z/6\mathbb Z$、$I=2A=\{0,2,4\}$ とする。$A$ は有限環なので Noether 環であり、$I\neq A$ である。$4=2\cdot2\in I^2$ かつ $2=4\cdot2\in I^2$($8\equiv2$)なので $I^2=I$、従って全ての $n\ge1$ で $I^n=I$ であり、$\bigcap_nI^n=I\neq0$ となる。$A$ は $2\cdot3=0$ により整域でなく、Jacobson 根基は $(2)\cap(3)=0$ なので $I$ はそれに含まれない。1 の元 $a$ としては $a=4$ が取れ、$(1-a)I=3I=0$ である。
$A=\mathbb Z$、$I=2\mathbb Z$、$M=\mathbb Z/3\mathbb Z$ とする。$A$ は Noether 整域、$M$ は有限生成で、$I\neq A$ である。$M$ 上で $2$ の掛け算は $2\cdot2=4\equiv1$ により全単射なので、全ての $n$ で $I^nM=2^nM=M$、従って $\bigcap_nI^nM=M\neq0$ である。$\mathbb Z$ の Jacobson 根基は、極大イデアル $(p)$($p$ は素数)全体の交叉として $0$ なので、$I$ はそれに含まれない。1 の元としては $a=4$ が取れ、$(1-a)M=-3M=0$ である。この例では $A$ は整域なので、3 の結論は $M=A$ のときにしか言えず、一般の有限生成加群へは延びないことも分かる。
$A$ を Noether 環、$I$ をイデアルとする。
Noether局所環 $A$ と $a\in A$ に対して、$b\in A$ の完成での像が $a\widehat A$ に入るなら $b\in aA$ である。特に自然写像 $A\to\widehat A$ は単射である。
$b=a z$ が完成で成立すれば、各第 $n$ 座標で $b$ は $aA+\mathfrak m^n$ に属する。商有限加群 $M=A/aA$ で見れば $b+aA\in\bigcap_n\mathfrak m^nM$ となる。上で証明した局所環の交叉定理からこの交叉は零で、$b\in aA$ となる。単射性は同じ定理を $M=A$ に適用して、座標の核を零とすることで得られる。$a=0$ の場合もこの証明は成立する。完成写像の全射性や、完成中の任意の元が元環の分数であることは使っていない。
解析的正規なNoether局所環 $A$ は整閉整域である。また解析的正規性は解析的既約性と解析的不分岐を含意する。完備Noether局所環では、解析的正規性と整閉整域性は同値である。
完成 $C=\widehat A$ は整閉整域であり、前の補題で $A\to C$ は単射である。従って $A$ も整域であり、非零分母を逆にして $\operatorname{Frac}(A)\to\operatorname{Frac}(C)$ は単射となる。
$z=b/a\in\operatorname{Frac}(A)$ が $A$ 上整とする。そのモニック方程式を $C$ の係数の方程式として読むと、$z$ は $C$ 上も整である。$C$ の整閉性から $z\in C$ となり、$b=az\in aC$ となる。前の縮約補題より $b\in aA$ なので $z\in A$ である。従って $A$ は整閉である。
整域は非零冪零元を持たないので、完成が整閉整域なら完成は整域かつ被約である。これで二つの解析的性質への含意が従う。最後に完備分離環は $A=\widehat A$ だから、定義の条件そのものが元環の整閉整域性になる。
この証明は「完成の正規性なら元環の正規性」を示したのであり、その逆向きは示していない。元環が整閉でも、完成の新しい商体の元に関する整方程式を検査する仕事は残る。また元環の正規性を、完成の正規性の証明に無条件に代入してはいけない。
体 $k$ に対して $V=k[\![t]\!]$ は完備Noether整閉局所整域である。$k[t]_{(t)}$ と $V$ は解析的正規である。
非零級数 $f$ には最低の非零係数の次数 $r$ があり、$f=t^r u$ と書ける。$u$ の定数項は非零で、係数を一次数ずつ解いて $u$ の逆級数を作れる。積の最低係数が非零だから $V$ は整域である。定数項が零の元は $tV$ に入り、それ以外の元は単元なので $V$ は局所である。
非零イデアルの元の最低次数の最小値を取ると、その元は $t^r$ の単元倍で、他の全元を生成する。従ってイデアルは零または $t^rV$ であり、有限生成だからNoetherである。各有限商の切断係数から級数の全係数を回収できるので、$V=\varprojlim V/t^nV$ である。
商体の非零元に $v(f/g)=\operatorname{ord}(f)-\operatorname{ord}(g)$ と置く。等しい分数の交叉積が等しいのでこの整数は代表によらず、積について加法的である。$v(z)\ge0$ なら $z\in V$ である。逆に $z$ が $V$ 上整で $v(z)<0$ なら、モニック式 $z^n+c_{n-1}z^{n-1}+\cdots+c_0=0$ の最高次項は値 $nv(z)$ を持つ。他の非零項の値は $v(c_i)+iv(z)\ge iv(z)>nv(z)$ である。唯一の最低値の項は他の項との和で打ち消せない。実際、その値の冪を除くと定数項が非零の項が一つだけ残る。矛盾するので $v(z)\ge0$、$z\in V$ となり整閉である。
$k[t]_{(t)}$ の各 $t^n$ 商は $k[t]/(t^n)$ である。分母の定数項が非零なので、有限幾何級数で逆元を作れるからである。逆極限は $V$ となり、整閉性からこの局所環も解析的正規である。$V$ 自身については完備環の判定で結論できる。
剰余体 $k$ が完全であることや標数零であることは、この証明に不要である。非零の最低係数と逆元の逐次構成だけで、任意の体について成立する。一変数の例では付値が整数となり、整閉性は分母の値が負にならないという計算に還元される。
体 $k$ と $A=k[t^2,t^3]_{(t^2,t^3)}$ を取る。局所化前の環は、次数一の係数が零の多項式全体である。極大イデアルの $n$ 乗は次数 $2n$ 以上の多項式全体であり、$2n$ と $2n+1$ の単項式をまず $n$ 個の $t^2,t^3$ の積で作り、残りは環の単項式を掛ければ得られる。局所化の分母は定数項が非零だから有限商で単元となり、有限切断を変えない。従って完成は
$$C=k+t^2k[\![t]\!].$$
この環は級数整域の部分環で、整域だから被約である。しかし商体の $t=t^3/t^2$ はモニック式 $T^2-t^2=0$ を満たし、次数一の係数の条件から $t\notin C$ である。従って $A$ は解析的既約かつ解析的不分岐だが、解析的正規でない。整域という条件と整閉性の条件が、同じ一つの完成で分かれている。
体 $k$ に対して $A=(k[u,v]/(uv))_{(u,v)}$ を取る。各極大イデアルの冪による商では、混合単項式は零、定数と純粋な $u$ の冪と $v$ の冪だけが残る。定数項非零の分母は有限幾何級数で反転できるので、完成は
$$C=\{(f,g)\in k[\![u]\!]\times k[\![v]\!]:f(0)=g(0)\}$$
である。有限切断の係数を直接対応させれば、全射性と単射性は各精度で成立し、逆極限でもこの同型を得る。
$C$ は二整域の積の部分環だから被約である。一方 $(u,0)$ と $(0,v)$ は非零で積が零である。剰余体への写像は共通の定数項を取り、定数項が非零の組は成分ごとに逆元を持ち、それらの定数項も同じ逆数になる。従って $C$ は局所である。局所正規環は整域でなければならないので、$C$ は正規でなく、$A$ も解析的正規でない。有限積 $k[\![u]\!]\times k[\![v]\!]$ 自身は成分が分かれているので正規だが、共通定数を要求して二成分を一つの局所環で交わらせると正規性は変わる。
体 $k$ に対し $k[\![t]\!]$ は解析的正規だが、その商 $B=k[\![t]\!]/(t^2)$ は解析的正規でない。商の極大イデアルの二乗が零なので完成は $B$ 自身であり、$t$ の像は非零で平方零だから整域でない。非零性は級数の次数から分かる。$t$ が $(t^2)$ に入れば最低次数が二以上となるはずで、矛盾する。
正規環の商については、素イデアルによる商であっても整閉性を改めて検査する必要がある。任意のイデアルの商に正規性が保存されるという主張は、この平方零商だけですでに破れている。元環の完成と商環の完成を同一視するときにも、どのイデアルを延長して割るのかを明記する必要がある。
各 $A/\mathfrak m^n$ は一般に整域でない。例えば $k[t]_{(t)}/(t^n)$ では $t$ の像が冪零である。解析的正規性を有限商ごとに正規性が成立するという条件に置き換えると、一変数の基本例さえ除いてしまう。完成の整閉性は、完成の商体の元が同じ係数のモニック方程式を満たすときにその元が完成へ入るという条件であって、有限商の正規性ではない。
また、完成の商体を元環の商体と同じと考えてはいけない。$k[t]_{(t)}$ の商体は有理関数体 $k(t)$ だが、完成の商体は $k((t))$ である。後者の元は、有限個の負次数を許すLaurent級数で表せる。前者の分数が後者へ写ることと、後者の全元が前者から来ることは違う。下降の証明では前者の一つの分数を後者へ写して整閉性を使い、主イデアルの縮約で元環に戻しただけである。
Noether条件を外すと、完成写像の単射性も保証されない。例えば体 $k$ に対し $R=k[x]_{(x)}$、$M=k(x)/R$ とし、平方零拡大 $R\oplus M$ の積を $(a,m)(b,n)=(ab,an+bm)$ とする。$xM=M$ なので極大イデアルの $r$ 乗は $x^rR\oplus M$ である。従って完成は $k[\![x]\!]$ となるが、元環には非零平方零元 $(0,x^{-1}+R)$ がある。この例では標準定義のNoether仮定を満たさない。完成の整閉性だけから、任意の局所環の整域性を結論することはできない。
まず局所環の極大イデアルを指定し、その冪の有限商を計算する。次に両立する切断をどの形式級数環や部分環として表せるかを確認する。完成が局所環であることは冒頭の座標による証明で保証される。零因子や冪零元が見つかれば、整域条件の失敗として解析的正規性を否定できる。完成が整域と分かった後で、その商体内の整元を調べる。
一変数級数環では値の比較が整閉性を証明し、尖点では次数一の級数が余分な整元を与える。二枝の交点では各枝は整閉でも、交点の局所環が整域でなくなる。したがって成分ごとの整閉性、環全体の被約性、局所整域性、完成後の整閉性という四つの段階を分けると、同じ計算の中で何を証明できたかが明確になる。
優秀性や一般の正規化の有限性は、これらの直接計算より広い環の族を扱う理論である。解析的正規性を保証する一般定理を使う場合には、正規性だけでなく、その定理に必要な形式的ファイバーの仮定を確認する。本記事ではそれらの一般定理を用いず、完成の定義からの下降と具体的な完成の計算を扱う。
Mathpediaは寄付と、参考文献の書籍リンク(Amazonアソシエイト)の紹介料で運営されています。 支援について / 寄付する