前提知識:局所化と主開集合、前層と層、stalkと層化、SpecとZariski位相
前の頁で $X=\operatorname{Spec}A$ をtopological spaceとして作りました。しかし $A$ とreduction $A_{\mathrm{red}}$ は同じunderlying spaceを持つため、topologyだけではnilpotentsを区別できません。また、open part $D(f)$ では $f$ をinvertしたfunctions $A_f$ が自然に現れるはずです。
本章の目標は、各open set $U\subseteq X$ にring of functions $\mathcal O_X(U)$ を割り当て、次を全て証明することです。
$$
\Gamma(D(f),\mathcal O_X)\cong A_f,
\qquad
\mathcal O_{X,\mathfrak p}\cong A_{\mathfrak p},
\qquad
\Gamma(X,\mathcal O_X)\cong A.
$$
これによりring $A$ はtopological spaceとstructure sheafのpairから回収されます。
ordinary functionは全pointsで同じtarget ringに値を取ります。Spec上のfunctionはpoint $\mathfrak p$ ごとに異なるlocal ring $A_\mathfrak p$ に値を取ります。
disjoint union
$$
\coprod_{\mathfrak p\in U}A_\mathfrak p
$$
を考え、そのfiber over $\mathfrak p$ が $A_\mathfrak p$ であると見ます。
open set $U\subseteq X=\operatorname{Spec}A$ 上のlocally fractional section on Spec|局所分数sectionとは、各 $\mathfrak p\in U$ に
$$
s(\mathfrak p)\in A_\mathfrak p
$$
を割り当てるfunction $s$ であって、任意の $\mathfrak p\in U$ に対し次を満たすものをいう。
あるopen neighborhood $V\subseteq U$ of $\mathfrak p$ と $a,b\in A$ が存在し、$V\subseteq D(b)$ かつ全 $\mathfrak q\in V$ で
$$
s(\mathfrak q)=\frac{a}{b}\in A_\mathfrak q
$$
となる。
denominator $b$ は $V$ の全pointsでprime idealに入らないため、各 $A_\mathfrak q$ でunitです。fraction $a/b$ は同じ式でも各pointのlocal ringで解釈されます。
$U$ 上のlocally fractional sections全体を
$$
\mathcal O_X(U)
$$
と書き、restrictionをassignmentのdomain restrictionで定める。このpresheafを $X=\operatorname{Spec}A$ のstructure sheaf on Spec|構造層と呼ぶ。
まだ「sheaf」と呼ぶ資格があるかは証明していません。まずring structureとpresheaf axiomsを確認します。
$U\mapsto\mathcal O_X(U)$ はpresheaf of ringsである。
$s,t\in\mathcal O_X(U)$ と $\mathfrak p\in U$ を取ります。共通neighborhood $V$ 上で
$$
s(\mathfrak q)=\frac{a}{b},
\qquad
t(\mathfrak q)=\frac{c}{d},
$$
かつ $V\subseteq D(bd)$ としてよいです。すると全 $\mathfrak q\in V$ で
$$
(s+t)(\mathfrak q)=\frac{ad+bc}{bd},
\qquad
(st)(\mathfrak q)=\frac{ac}{bd}.
$$
従ってpointwise sumとproductもlocally fractionalです。$0/1$、$1/1$、$(-a)/b$ も同様なのでringになります。ring axiomsは各 $A_\mathfrak p$ でpointwiseに成立します。
open subsetへrestrictしても同じlocal fraction representationを使えます。identityとcomposition of restrictionsはfunctionsのdomain restrictionから従うのでpresheafです。□
$\mathcal O_X$ はsheaf of ringsである。
open cover $U=\bigcup_iU_i$ を取ります。
localityはpointwiseです。$s,t\in\mathcal O_X(U)$ が全 $U_i$ 上で等しければ、任意の $\mathfrak p\in U$ を含む $U_i$ を選んで $s(\mathfrak p)=t(\mathfrak p)$。従って $s=t$ です。
compatible sections $s_i\in\mathcal O_X(U_i)$ に対し、$\mathfrak p\in U_i$ を選んで
$$
s(\mathfrak p):=s_i(\mathfrak p)
$$
と置きます。別の $U_j$ も $\mathfrak p$ を含めばcompatibility on $U_i\cap U_j$ により値は同じなのでwell-definedです。
$s$ がlocally fractionalであることを確認します。$\mathfrak p\in U_i$ を選ぶと、$s_i$ は $\mathfrak p$ のあるneighborhood $V\subseteq U_i$ 上で一つのfraction $a/b$ によりrepresentされます。$s|_V=s_i|_V$ なので、同じfractionが $s$ をrepresentします。従って $s\in\mathcal O_X(U)$ であり、各restrictionは $s_i$ です。□
これはsheaf of locally fractional functions|局所分数関数の層性です。層公理自体はfunctionsとして貼ることで証明できますが、principal open上の全sectionsを $A_f$ と同定するには代数的な貼り合わせが必要です。
$f\in A$ と $a/f^n\in A_f$ に対し
$$
\widetilde{a/f^n}(\mathfrak p):=\frac{a}{f^n}\in A_\mathfrak p
\qquad(\mathfrak p\in D(f))
$$
と置きます。denominator $f$ は $D(f)$ の全pointsでunitなので、これはlocally fractional sectionです。
$$
\theta_f:A_f\longrightarrow\mathcal O_X(D(f)),
\qquad
\frac{a}{f^n}\longmapsto\widetilde{a/f^n}
$$
をcanonical localization section map|局所化から主開集合のsectionへのcanonical mapという。
localizationで同じfractionsは各 $A_\mathfrak p$ でも同じなのでwell-definedで、pointwise operationsからring homomorphismです。
$\theta_f$ はinjectiveである。
$\theta_f(a/f^n)=0$ とします。各 $\mathfrak p\in D(f)$ で $a/f^n=0$ in $A_\mathfrak p$ です。localizationのzero criterionにより、各 $\mathfrak p$ に対し $u_\mathfrak p\in A\setminus\mathfrak p$ が存在して
$$
u_\mathfrak p a=0
$$
となります。従ってprincipal opens $D(u_\mathfrak p)$ が $D(f)$ をcoverします。
前の頁で $D(f)$ はquasi-compactと証明したので、有限個 $u_1,\dots,u_r$ で
$$
D(f)\subseteq D(u_1)\cup\cdots\cup D(u_r)
$$
となります。cover criterionまたはprime-existence lemmaから
$$
f\in\sqrt{(u_1,\dots,u_r)}.
$$
従ってある $N$ と $c_i\in A$ があり
$$
f^N=c_1u_1+\cdots+c_ru_r.
$$
両辺に $a$ を掛けると $f^Na=0$。localization $A_f$ では $f$ がunitなので $a/f^n=0$ です。□
この議論は「全stalkでzeroならsectionはzero」という層のlocalityを、localizationのzero criterionとquasi-compactnessへ翻訳しています。
surjectivityには次のlemmaを使います。これはstructure sheafの計算の中心です。
$R$ をring、$h_1,\dots,h_r\in R$ が
$$
\operatorname{Spec}R=D(h_1)\cup\cdots\cup D(h_r)
$$
を満たすとする。elements $t_i\in R_{h_i}$ が全 $i,j$ で $R_{h_ih_j}$ において同じimageを持つなら、unique $t\in R$ が存在して全$i$で $t$ のimage in $R_{h_i}$ が $t_i$ となる。
有限個しかないので、共通の $n$ を選び
$$
t_i=\frac{r_i}{h_i^n}
\qquad(r_i\in R)
$$
と書けます。compatibility in $R_{h_ih_j}$ により、各pair $(i,j)$ についてあるexponentを掛けるとcross multiplicationの差がzeroになります。全pairsに共通な十分大きい $m$ を取れば
$$
(h_ih_j)^m(h_j^nr_i-h_i^nr_j)=0
$$
for all $i,j$。$N=n+m$、$r_i'=h_i^mr_i$ と置くと
$$
h_j^Nr_i'=h_i^Nr_j'
$$
が $R$ 内でexactly成立し、$t_i=r_i'/h_i^N$ です。
$D(h_i)$ がSpecをcoverするので、ideal $(h_1^N,\dots,h_r^N)$ を含むprime idealはありません。もしこのidealがproperならprime-existence lemmaによりそれを含むprime idealが存在するため、idealはunit idealです。従って $c_i\in R$ を選んで
$$
c_1h_1^N+\cdots+c_rh_r^N=1
$$
とできます。ここで
$$
t:=c_1r_1'+\cdots+c_rr_r'
$$
と置きます。$R_{h_j}$ では
$$
h_j^Nt
=\sum_i c_i h_j^Nr_i'
=\sum_i c_i h_i^Nr_j'
=r_j',
$$
従って $t=r_j'/h_j^N=t_j$ です。存在が示されました。
uniquenessを示します。$u\in R$ が全 $R_{h_i}$ でzeroなら、各$i$についてある $e_i$ で $h_i^{e_i}u=0$。共通の十分大きい $e$ を取れば全$i$で $h_i^eu=0$ です。上と同じ理由で $(h_1^e,\dots,h_r^e)=R$ なので $1=\sum d_i h_i^e$ と書け、
$$
u=\sum_i d_i h_i^eu=0.
$$
二つのgluingの差に適用すればuniqueです。□
これはlocalization gluing lemma|局所化の貼り合わせ補題です。分母のexponentsを揃え、partition of unityに相当する式 $\sum c_i h_i^N=1$ を作ることが証明の核心です。
全 $f\in A$ についてcanonical map
$$
\theta_f:A_f\xrightarrow{\sim}\mathcal O_X(D(f))
$$
はring isomorphismである。
injectivityはすでに示しました。surjectivityを示します。$s\in\mathcal O_X(D(f))$ を取ります。定義から各 $\mathfrak p\in D(f)$ のneighborhood $V_\mathfrak p\subseteq D(f)$ 上で
$$
s(\mathfrak q)=\frac{a_\mathfrak p}{b_\mathfrak p}
$$
かつ $V_\mathfrak p\subseteq D(b_\mathfrak p)$ と書けます。principal opensはbasisなので
$$
\mathfrak p\in D(h_\mathfrak p)\subseteq V_\mathfrak p
$$
となる $h_\mathfrak p\in A$ を選びます。
$D(h_\mathfrak p)\subseteq D(b_\mathfrak p)$ なので
$$
h_\mathfrak p\in\sqrt{(b_\mathfrak p)}.
$$
従ってある $N$ と $c\in A$ で $h_\mathfrak p^N=b_\mathfrak p c$。$D(h_\mathfrak p)$ 上では
$$
\frac{a_\mathfrak p}{b_\mathfrak p}
=\frac{a_\mathfrak p c}{h_\mathfrak p^N}.
$$
よってlocal representationをelement
$$
t_\mathfrak p:=\frac{a_\mathfrak p c}{h_\mathfrak p^N}
\in A_{h_\mathfrak p}
$$
として持てます。
$D(f)$ はquasi-compactなので有限個 $h_1,\dots,h_r$ を選び
$$
D(f)=D(h_1)\cup\cdots\cup D(h_r)
$$
とできます。$R=A_f$ と置き、各 $t_i\in A_{h_i}$ をcanonical mapで
$$
R_{h_i}=A_{fh_i}
$$
へ送ります。overlap $D(h_ih_j)$ 上では両者が同じsection $s$ を表すため、$\theta_{fh_ih_j}$ のinjectivityにより $A_{fh_ih_j}$ 内で一致します。
localization gluing lemmaを $R=A_f$ に適用すると、unique $t\in A_f$ が存在して各 $R_{h_i}$ で $t_i$ と一致します。従ってsections $\theta_f(t)$ と $s$ はcover $\{D(h_i)\}$ 上で一致します。sheaf localityから
$$
\theta_f(t)=s.
$$
よって $\theta_f$ はsurjectiveです。□
これはprincipal-open section theorem for Spec|Specの主開集合section定理です。topological open $D(f)$ とalgebraic localization $A_f$ がstructure sheafを通してexactly一致します。
$D(g)\subseteq D(f)$ なら、$g$ がzeroでないpointsでは $f$ もzeroでないので $f$ は $A_g$ でunitです。従ってuniversal propertyからcanonical map
$$
A_f\longrightarrow A_g
$$
があります。
isomorphisms $\theta_f,\theta_g$ の下でrestriction
$$
\mathcal O_X(D(f))\longrightarrow\mathcal O_X(D(g))
$$
はcanonical localization map $A_f\to A_g$ と一致する。
$a/f^n\in A_f$ が定めるsectionは各 $\mathfrak p\in D(f)$ でgerm $a/f^n\in A_\mathfrak p$ を取ります。$D(g)$ へrestrictしても同じpointwise fractionsです。一方、canonical mapで $A_g$ へ送ったelementが定めるsectionも各 $\mathfrak p\in D(g)$ で同じfraction $a/f^n$ を取ります。従って二mapsは一致します。□
これをrestriction maps on principal opens of Spec|Specの主開集合間のrestrictionと呼びます。特に $D(fg)\subseteq D(f)$ に対するrestrictionは
$$
A_f\longrightarrow A_{fg}\cong(A_f)_g
$$
です。
$\mathfrak p\in X=\operatorname{Spec}A$ に対しcanonical isomorphism
$$
\mathcal O_{X,\mathfrak p}\cong A_\mathfrak p
$$
がある。
$a/s\in A_\mathfrak p$ with $s\notin\mathfrak p$ を取ります。$\mathfrak p\in D(s)$ であり、$a/s\in A_s\cong\mathcal O_X(D(s))$ は $\mathfrak p$ でgermを持ちます。これにより
$$
\Phi_\mathfrak p:A_\mathfrak p\longrightarrow\mathcal O_{X,\mathfrak p}
$$
を定めます。localizationの同値関係とrestriction compatibilityからwell-definedなring homomorphismです。
surjectivityを示します。任意のgermはあるneighborhood $U$ 上のsection $s$ でrepresentされます。sectionのlocal fraction conditionから、$\mathfrak p$ のさらに小さいneighborhood上で $s=a/b$ with $b\notin\mathfrak p$ と書けます。従ってgermは $a/b\in A_\mathfrak p$ のimageです。
injectivityを示します。$a/s\in A_\mathfrak p$ のgermがzeroなら、あるneighborhood $U$ of $\mathfrak p$ 上で対応するsectionがzeroです。principal-open basisから
$$
\mathfrak p\in D(h)\subseteq U\cap D(s)
$$
を選べます。principal-open section theoremにより、$a/s$ のimageは $A_h$ でzeroです。従ってある $N$ で
$$
h^Na=0
$$
after clearing the already invertible denominator $s$。$h\notin\mathfrak p$ なので $h$ は $A_\mathfrak p$ でunitであり、$a/s=0$ in $A_\mathfrak p$ です。□
これはstalk of the structure sheaf on Spec|Specの構造層のstalk公式です。spaceのpoint $\mathfrak p$ とlocal ring $A_\mathfrak p$ がcanonicalに結びつきます。
localization $A_\mathfrak p$ のunique maximal idealは
$$
\mathfrak pA_\mathfrak p
=\left\{\frac{a}{s}\mid a\in\mathfrak p, s\notin\mathfrak p\right\}
$$
です。実際 $a/s$ がこのidealに入らないことは $a\notin\mathfrak p$ と同値で、そのとき $a/s$ はinverse $s/a$ を持ちます。
pair
$$
(\operatorname{Spec}A,\mathcal O_{\operatorname{Spec}A})
$$
はlocally ringed spaceである。
全point $\mathfrak p$ でstalkは $A_\mathfrak p$ とisomorphicであり、上のunit criterionからlocal ringです。これはlocally ringed spaceの定義そのものです。□
あるcommutative ring $A$ に対する局所環付き空間
$$
(\operatorname{Spec}A,\mathcal O_{\operatorname{Spec}A})
$$
とisomorphicな局所環付き空間をaffine scheme|affine schemeという。
以後、structure sheaf込みのobjectも単に $\operatorname{Spec}A$ と書きます。topological spectrumだけを指すかaffine schemeを指すかは文脈で区別します。
canonical map
$$
A\longrightarrow\Gamma(\operatorname{Spec}A,\mathcal O_{\operatorname{Spec}A})
$$
はisomorphismである。
$\operatorname{Spec}A=D(1)$ なのでprincipal-open section theoremを $f=1$ に適用すると
$$
\Gamma(\operatorname{Spec}A,\mathcal O)
\cong A_1\cong A.
$$
このisomorphismは $a\in A$ を各 $\mathfrak p$ で $a/1\in A_\mathfrak p$ と評価するglobal sectionへ送ります。□
これはglobal sections recover an affine ring|affine schemeの大域切断による環の回収です。underlying topologyが忘れたnilpotentsもglobal section ringが保持します。
$\mathfrak p\in\operatorname{Spec}A$ に対し、local ringのresidue field
$$
\kappa(\mathfrak p)
:=\mathcal O_{X,\mathfrak p}/\mathfrak m_\mathfrak p
\cong A_\mathfrak p/\mathfrak pA_\mathfrak p
$$
をresidue field at a scheme point|点 !FORMULA[249][-2118058914][0] のresidue fieldという。
canonical isomorphism
$$
\kappa(\mathfrak p)\cong\operatorname{Frac}(A/\mathfrak p)
$$
がある。
map
$$
A_\mathfrak p\longrightarrow\operatorname{Frac}(A/\mathfrak p),
\qquad
\frac{a}{s}\longmapsto\frac{\bar a}{\bar s}
$$
を考えます。$s\notin\mathfrak p$ なので $\bar s\ne0$、従ってwell-definedです。$A/\mathfrak p$ の任意のnonzero elementはある $s\notin\mathfrak p$ のclassなので、fraction fieldの全elementsがこの形に書け、mapはsurjectiveです。
$a/s$ がkernelに入ることは $\bar a/\bar s=0$、すなわち $\bar a=0$、つまり $a\in\mathfrak p$ と同値です。従ってkernelは $\mathfrak pA_\mathfrak p$。first isomorphism theoremから結論を得ます。□
closed pointに限らず全prime pointsがそれぞれfield $\kappa(\mathfrak p)$ を持ちます。$\mathfrak p$ がgeneric pointなら、このfieldはそのirreducible componentのfunction fieldになります。
$X=\operatorname{Spec}k[t]$ とします。principal open $D(t)$ では
$$
\Gamma(D(t),\mathcal O_X)=k[t]_t=k[t,t^{-1}].
$$
従って $1/t$ は $D(t)$ 上のsectionですが、global sectionではありません。closed point $(t-a)$ のstalkは
$$
k[t]_{(t-a)},
$$
residue fieldは $k$ when $a\in k$ です。generic point $(0)$ のstalkとresidue fieldはともに $k(t)$ になります。
$X=\operatorname{Spec}\mathbb Z$ では
$$
\Gamma(D(n),\mathcal O_X)=\mathbb Z[1/n].
$$
closed point $(p)$ のstalkはlocal ring $\mathbb Z_{(p)}$、residue fieldは $\mathbb F_p$。generic point $(0)$ のstalkは $\mathbb Q$ です。
$A=k[\varepsilon]/(\varepsilon^2)$ のSpecはone-point spaceですが
$$
\Gamma(\operatorname{Spec}A,\mathcal O)=A
$$
なのでnonzero nilpotent $\varepsilon$ はglobal sectionとして残ります。一方 $\operatorname{Spec}k$ のglobal sectionsは $k$。これがstructure sheaf detects nilpotents|構造層によるnilpotentの検出です。
underlying topologyから分かるのは、どのprimeがどのprimeへspecializeするか、どのirreducible closed subsetsがあるか、といったincidence informationです。structure sheafはさらに次を保持します。
$A$ をring、$f\in A$ とする。$D(f)=\varnothing$ なら $A_f$ がzero ringであることを示し、principal-open section theoremと整合することを説明せよ。
$D(f)=\varnothing$ なら前の頁より $f$ はnilpotentです。ある $N$ で $f^N=0$。$A_f$ では $f$ がunitなので
$$
1=f^{-N}f^N=0,
$$
従ってzero ringです。empty open上のsheaf of ringsのsection ringもone-element ringなので
$$
\mathcal O_X(D(f))=\mathcal O_X(\varnothing)\cong A_f
$$
と整合します。□
$A=k[x,y]/(xy)$、$X=\operatorname{Spec}A$ とする。$D(x)$ と $D(y)$ のsection ringsを計算せよ。また $D(x)\cap D(y)=\varnothing$ をringの局所化から確認せよ。
$A_x$ では $x$ がunitなのでrelation $xy=0$ から $y=0$。従って
$$
\Gamma(D(x),\mathcal O_X)=A_x\cong k[x,x^{-1}].
$$
同様に
$$
\Gamma(D(y),\mathcal O_X)=A_y\cong k[y,y^{-1}].
$$
intersectionは $D(xy)$ ですが $xy=0$ in $A$ なので $D(xy)=D(0)=\varnothing$。algebraicallyにも
$$
A_{xy}=A_0=0
$$
で、empty openのsection ringになります。□
$A=\mathbb Z$、$X=\operatorname{Spec}\mathbb Z$ とする。section $1/6\in\Gamma(D(6),\mathcal O_X)$ のgermをpoints $(5)$、$(2)$ で考え、どちらで定義されるか説明せよ。
$(5)\in D(6)$ because $6\notin(5)$ なので、germ
$$
1/6\in\mathbb Z_{(5)}
$$
が定義されます。実際 $6$ は $\mathbb Z_{(5)}$ のunitです。
一方 $6\in(2)$ なので $(2)\notin D(6)$。従ってこのsectionは $(2)$ でgermを持ちません。$1/6$ は $\mathbb Z_{(2)}$ のelementでもありません。□
$A=k[t]$ とprime ideal $\mathfrak p=(0)$ に対し
$$
\mathcal O_{\operatorname{Spec}A,\mathfrak p}
$$
と $\kappa(\mathfrak p)$ を計算せよ。closed point $(t-a)$ の場合と比較せよ。
$(0)$ のcomplementは全nonzero polynomialsなので
$$
A_{(0)}=k(t).
$$
そのmaximal idealはzeroで、residue fieldも
$$
\kappa((0))=k(t).
$$
一方 $\mathfrak m=(t-a)$ ではstalkは $k[t]_{(t-a)}$、maximal idealは $(t-a)k[t]_{(t-a)}$、residue fieldは $k$ です。generic pointはrational functions全体を見ますが、closed pointはその点でregularなfractionsだけを見ます。□
ring $A$ のidempotent $e^2=e$ に対し、$D(e)$ と $D(1-e)$ がdisjoint clopen cover of $\operatorname{Spec}A$ であることを示し、section ringsを求めよ。
$e(1-e)=0$ なので
$$
D(e)\cap D(1-e)=D(e(1-e))=D(0)=\varnothing.
$$
また $e+(1-e)=1$ なので両方を含むprime idealはなく
$$
D(e)\cup D(1-e)=\operatorname{Spec}A.
$$
互いにcomplementなので両者はopenかつclosedです。principal-open theoremからsection ringsは
$$
\Gamma(D(e),\mathcal O)=A_e,
\qquad
\Gamma(D(1-e),\mathcal O)=A_{1-e}.
$$
さらに $e$ をinvertすると $e=1$ なので $1-e=0$、従ってuniversal propertyから
$$
A_e\cong A/(1-e).
$$
同様に $A_{1-e}\cong A/(e)$ です。ideals $(e)$ と $(1-e)$ はsumが $A$ で、intersectionはproduct $(e(1-e))=(0)$ です。Chinese remainder theoremにより
$$
A\cong A/(1-e)\times A/(e)
\cong A_e\times A_{1-e}.
$$
これは積環のspectrum分解と一致します。□
Specのstructure sheafは、point $\mathfrak p$ ごとのlocal ring $A_\mathfrak p$ に値を取るlocally fractional functionsから作られます。層公理、localization gluing lemma、principal-open section theoremを経て
$$
\mathcal O(D(f))\cong A_f,
\qquad
\mathcal O_\mathfrak p\cong A_\mathfrak p,
\qquad
\Gamma(\operatorname{Spec}A,\mathcal O)\cong A
$$
が全て証明されました。これにより $\operatorname{Spec}A$ はaffine schemeとなり、topologyだけでは消えていたnilpotentsとlocal algebraが回収されます。
次の頁ではring homomorphism $A\to B$ からstructure sheavesを含むmorphism $\operatorname{Spec}B\to\operatorname{Spec}A$ を構成し、affine schemesとcommutative ringsの反変同値を証明します。
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