2-7 Krull次元と超越次数

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

前提知識:正則点と特異点、整拡大と有限射、Noether正規化

「図形の次元」を環から読みたい

直線には一つ、平面には二つ、空間には三つの独立な座標があります。しかし
$$ C=V(y^2-x^3)\subseteq\mathbb A_k^2 $$
は二つの座標で書かれていても、$x=t^2,y=t^3$ と一つのparameterで動く曲線です。一方、交わる二直線は一つのparameter表示では全体を一度に表しにくいものの、各既約成分は一次元です。
本章では次元を三つの姿で捉えます。

  1. prime idealを真に包含するchainの長さ。
  2. function fieldに含まれるalgebraically independentな元の最大個数。
  3. Noether正規化で得られるaffine spaceの座標数。
    有限生成domainでは三者が一致します。証明の要点は、integral extensionのprime chainが縮みも増えもしないことです。可換環一般の次元論は03「環と加群」、体の超越次数一般は04「体とGalois理論」を正本とし、本章では代数幾何で必要な有限生成の場合を自足的に証明します。

prime chainとKrull次元

prime chain length

環 $A$ のprime idealsのstrict chain
$$ \mathfrak p_0\subsetneq\mathfrak p_1\subsetneq\cdots \subsetneq\mathfrak p_r $$
のprime chain length|長さを、包含記号の個数 $r$ と定める。

点が一つのchain $(\mathfrak p)$ は長さ0です。

Krull dimension

$A$ のprime ideal chainの長さのsupremumを
$$ \dim A $$
と書き、$A$ のKrull dimension|Krull次元という。

例えばfield $K$ のprime idealは $(0)$ だけなので $\dim K=0$ です。多項式環には
$$ (0)\subsetneq (x_1)\subsetneq(x_1,x_2) \subsetneq\cdots\subsetneq(x_1,\ldots,x_d) $$
があるので
$$ \dim k[x_1,\ldots,x_d]\ge d. $$
逆向きの不等式は超越次数から証明します。

超越基底

transcendence degree

field extension $K/k$ に含まれるalgebraically independent subsetの濃度の最大値をtranscendence degree|超越次数といい、
$$ \operatorname{trdeg}_kK $$
と書く。有限生成拡大だけを扱うとき、この値は有限整数である。

transcendence basis

$z_1,\ldots,z_d\in K$ が $k$ 上algebraically independentで、$K$ が $k(z_1,\ldots,z_d)$ 上algebraicであるとき、集合 $\{z_1,\ldots,z_d\}$ をtranscendence basis|超越基底という。

existence of a transcendence basis in a finitely generated field

$K=k(a_1,\ldots,a_n)$ なら、$a_i$ の一部からtranscendence basisを選べる。

$a_1,\ldots,a_n$ の部分集合のうちalgebraically independentなものを、包含についてmaximalに取ります。有限集合なので選択に問題はありません。それを $z_1,\ldots,z_d$ とします。
残りの任意の生成元 $a_j$ について、$z_1,\ldots,z_d,a_j$ はmaximalityによりdependentです。従って
$$ F(z_1,\ldots,z_d,a_j)=0 $$
となる零でない多項式 $F$ があります。$z_i$ のindependenceにより、$F$ を最後の変数の多項式と見たとき全係数が0になることはありません。よって $a_j$ は $k(z_1,\ldots,z_d)$ 上algebraicです。有限個のalgebraic elementsで生成されるfield extensionはalgebraicなので、$K$ 全体が同field上algebraicです。□

二つの超越基底が同じ個数を持つことは04で交換補題から証明します。本章では後で得る次元との一致から、有限生成domainのfunction fieldについても個数の不変性が確認できます。

非零の方程式を加えると自由度が下がる

strict quotient lowers transcendence degree

$C$ を有限生成$k$-domain、$0\ne\mathfrak p\subseteq C$ をprime idealとする。このとき
$$ \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(C/\mathfrak p) < \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(C). $$

$\overline z_1,\ldots,\overline z_s\in C/\mathfrak p$ をそのfraction fieldのtranscendence basisとし、代表元 $z_i\in C$ を取ります。また $0\ne a\in\mathfrak p$ を取ります。
$a,z_1,\ldots,z_s$ が $k$ 上algebraically independentであることを示します。もし
$$ F(z_1,\ldots,z_s,a)=0 $$
なら、最後の変数 $T$ について
$$ F(Z_1,\ldots,Z_s,T)=F_0(Z)+TF_1(Z)+\cdots+T^mF_m(Z) $$
と書きます。$C/\mathfrak p$ へ移すと $a$ の像は0なので
$$ F_0(\overline z_1,\ldots,\overline z_s)=0. $$
$\overline z_i$ のindependenceから $F_0=0$ です。従って元の関係は
$$ a\bigl(F_1(z)+aF_2(z)+\cdots+a^{m-1}F_m(z)\bigr)=0. $$
$C$ はdomainで $a\ne0$ なので括弧内が0です。同じ議論を繰り返すと全ての $F_i$ が0になり、$F=0$ です。従って $a,z_1,\ldots,z_s$ はindependentです。
ゆえに $\operatorname{Frac}(C)$ の超越次数は少なくとも $s+1$ であり、商の超越次数 $s$ より真に大きくなります。□

chain bound by transcendence degree

$A$ を有限生成$k$-domainとする。任意のprime chainの長さは
$$ \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(A) $$
以下である。

chain
$$ \mathfrak p_0\subsetneq\cdots\subsetneq\mathfrak p_r $$
を取ります。各 $i$ について $A/\mathfrak p_i$ は有限生成domainであり、$\mathfrak p_{i+1}/\mathfrak p_i$ はその非零prime idealです。前補題により、fraction fieldの超越次数は一段ごとに少なくとも1下がります。従って
$$ r\le \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(A/\mathfrak p_0) \le \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(A). $$
最後の不等式は、$A/\mathfrak p_0$ のalgebraically independent elementsの代表元を取れば、同じ持ち上げの議論で確認できます。□

この評価をtranscendence-degree bound for prime chains|prime chainの超越次数上界と呼びます。

integral extensionでchainを比較する

「整拡大と有限射」ではlying-overを証明しました。ここではchain全体を扱います。

going-up theorem

$A\subseteq B$ をintegral extensionとする。$\mathfrak q\in\operatorname{Spec}B$ とし、$\mathfrak p=\mathfrak q\cap A$ と置く。$A$ のprime ideal $\mathfrak p'$ が
$$ \mathfrak p\subseteq\mathfrak p' $$
を満たすなら、あるprime ideal $\mathfrak q'\subseteq B$ が存在して
$$ \mathfrak q\subseteq\mathfrak q', \qquad \mathfrak q'\cap A=\mathfrak p' $$
となる。

商写像により $A/\mathfrak p$ は $B/\mathfrak q$ の部分環とみなせます。$B$ の各元のmonic equationを商へ移せば、$B/\mathfrak q$ は $A/\mathfrak p$ 上integralです。
$\mathfrak p'/\mathfrak p$ は $A/\mathfrak p$ のprime idealです。lying-over theoremを商extensionへ適用すると、$B/\mathfrak q$ にprime ideal $\overline{\mathfrak q'}$ があり、そのcontractionは $\mathfrak p'/\mathfrak p$ です。$B$ における逆像を $\mathfrak q'$ とすれば、$\mathfrak q\subseteq\mathfrak q'$ かつ $\mathfrak q'\cap A=\mathfrak p'$ です。□

incomparability theorem for integral extensions

$A\subseteq B$ をintegral extensionとする。prime ideals $\mathfrak q\subseteq\mathfrak q'$ が同じcontraction
$$ \mathfrak q\cap A=\mathfrak q'\cap A=\mathfrak p $$
を持つなら $\mathfrak q=\mathfrak q'$ である。

$\mathfrak q$ で商を取り、$A/\mathfrak p\subseteq B/\mathfrak q$ とします。両者はdomainsです。さらに $S=(A/\mathfrak p)\setminus\{0\}$ でlocalizeすると
$$ K=\operatorname{Frac}(A/\mathfrak p) \subseteq S^{-1}(B/\mathfrak q) $$
はintegral extensionのままです。右辺はdomainで、左辺はfieldなので、「整拡大と有限射」のfield criterionにより右辺もfieldです。
$\mathfrak q'/\mathfrak q$ は $S$ と交わりません。従ってlocalization後にprime idealを与えますが、fieldのprime idealは0だけです。ゆえに $b\in\mathfrak q'$ なら、ある $s\in A\setminus\mathfrak p$ に対して $sb\in\mathfrak q$ です。$s\notin\mathfrak q$ で $\mathfrak q$ はprimeなので $b\in\mathfrak q$ です。従って $\mathfrak q'\subseteq\mathfrak q$、ゆえに両者は等しいです。□

これはincomparability theorem|integral extensionのincomparability theoremです。

dimension invariance under integral extensions

$A\subseteq B$ がintegralなら
$$ \dim A=\dim B. $$

$B$ のstrict prime chainを $A$ へcontractionします。隣接する二primeのcontractionが同じならincomparabilityにより元の二primeも同じになり矛盾します。従ってstrict chainは同じ長さのstrict chainへ移り、$\dim B\le\dim A$ です。
逆に $A$ のstrict prime chain
$$ \mathfrak p_0\subsetneq\cdots\subsetneq\mathfrak p_r $$
を取ります。lying-overで $\mathfrak p_0$ の上のprime $\mathfrak q_0$ を選び、going-upを順に適用して
$$ \mathfrak q_0\subseteq\cdots\subseteq\mathfrak q_r, \qquad \mathfrak q_i\cap A=\mathfrak p_i $$
を作ります。contractionsが異なるので各包含はstrictです。従って $\dim A\le\dim B$ です。両不等式から等号を得ます。□

三つの次元が一致する

dimension of a polynomial ring over a field

$$ \dim k[x_1,\ldots,x_d]=d. $$

既に
$$ (0)\subsetneq(x_1)\subsetneq\cdots\subsetneq(x_1,\ldots,x_d) $$
という長さ $d$ のchainを得ました。一方、fraction field $k(x_1,\ldots,x_d)$ の超越次数は $d$ なので、prime chainの超越次数上界により全てのchainの長さは $d$ 以下です。従って次元はちょうど $d$ です。□

dimension-transcendence degree theorem

$A$ を有限生成$k$-domainとする。このとき
$$ \dim A= \operatorname{trdeg}_k\operatorname{Frac}(A). $$
さらにNoether正規化
$$ k[z_1,\ldots,z_d]\subseteq A $$
に現れる変数の個数 $d$ はこの共通値に等しい。

Noether正規化により $R=k[z_1,\ldots,z_d]\subseteq A$ で $A$ がmodule-finite、従ってintegralとなるものがあります。integral extensionの次元不変性と多項式環の計算から
$$ \dim A=\dim R=d. $$
また $A$ の各元は $R$ 上integralなので、$\operatorname{Frac}(A)$ の各元は $\operatorname{Frac}(R)$ 上algebraicです。実際 $a/b$ の $a,b\in A$ はともに $\operatorname{Frac}(R)$ 上algebraicであり、algebraic elementsはfieldをなします。従って
$$ \operatorname{Frac}(A)/k(z_1,\ldots,z_d) $$
はalgebraicで、超越次数は $d$ です。□

これがdimension transcendence degree theorem|次元と超越次数の一致です。Noether正規化で選ぶ座標自体は一意でなくても、その個数は一意です。

affine代数的集合の次元

dimension of an affine algebraic set

affine代数的集合 $X$ のdimension of an affine algebraic set|次元を
$$ \dim X:=\dim k[X] $$
と定める。

$X$ がirreducibleなら $k[X]$ はdomainなので、そのfraction field
$$ k(X)=\operatorname{Frac}(k[X]) $$
をfunction fieldと呼び、
$$ \dim X=\operatorname{trdeg}_k k(X) $$
です。
reducibleな $X=X_1\cup\cdots\cup X_r$ では、irreducible componentsに対応するminimal prime idealsを $\mathfrak p_i$ とすると
$$ \dim X=\max_i\dim X_i =\max_i\dim(k[X]/\mathfrak p_i). $$
実際、任意のprime chainの最下端の下にminimal primeを選べるのでchainはある $A/\mathfrak p_i$ のchainとして読めます。逆に各商のchainは $A$ のchainへ逆像で戻ります。これはdimension by irreducible components|既約成分による次元計算です。

計算例

affine space

$$ k[\mathbb A^n]=k[x_1,\ldots,x_n] $$
なので $\dim\mathbb A^n=n$ です。

irreducible hypersurface

irreducibleなnonconstant $f\in k[x_1,\ldots,x_n]$ を取り、$X=V(f)$ とします。変数を並べ替えて $f$ が $x_n$ に依存するとします。$k[x_1,\ldots,x_{n-1}]$ とideal $(f)$ の交わりは0です。実際、$x_n$ に正degreeを持つ $f$ の非零倍は $x_n$ に正degreeを持つからです。一方 $x_n$ のclassは
$$ f(x_1,\ldots,x_{n-1},T)=0 $$
を満たし、fraction field上algebraicです。従って
$$ \operatorname{trdeg}_k k(X)=n-1, $$
すなわち $\dim X=n-1$ です。これはdimension of an irreducible hypersurface|既約hypersurfaceの次元公式です。

cusp

$C=V(y^2-x^3)$ では $k[C]\subseteq k[t]$ を $x=t^2,y=t^3$ で埋め込め、fraction fieldsは
$$ k(C)=k(t) $$
です。実際 $t=y/x$ がfraction fieldに入ります。従って $\dim C=1$ です。原点がsingularでも、図形全体の次元は変わりません。

異なる次元の成分

$$ X=V(xy,xz)\subseteq\mathbb A^3 $$
では
$$ (xy,xz)=(x)\cap(y,z). $$
従って $X$ は平面 $V(x)$ と $x$ 軸 $V(y,z)$ の和です。成分の次元はそれぞれ2と1なので
$$ \dim X=2. $$
「次元」は全ての点や成分が同じ局所的形を持つという意味ではなく、最長のprime chainが測る最大値です。

heightとlocal dimension

height of a prime ideal

prime ideal $\mathfrak p\subseteq A$ で終わるstrict prime chainの長さのsupremumを $\mathfrak p$ のheight of a prime ideal|heightといい、$\operatorname{ht}(\mathfrak p)$ と書く。

「局所化と主開集合」のlocalizationにおけるprime対応から、$A_{\mathfrak p}$ のprime idealsは $\mathfrak p$ に含まれるprime idealsと包含を保って対応します。従って
$$ \dim A_{\mathfrak p}=\operatorname{ht}(\mathfrak p). $$
これはlocal dimension equals prime height|local dimensionとheightの一致です。
点 $p\in X$ に対応するmaximal idealを $\mathfrak m_p$ とすれば
$$ \dim_pX=\dim\mathcal O_{X,p} =\operatorname{ht}(\mathfrak m_p). $$
「正則点と特異点」のregularity判定に現れたlocal dimensionは、このprime chainの長さです。embedding dimension
$$ \dim_k\mathfrak m_p/\mathfrak m_p^2 $$
は接方向の個数であり、regular pointではlocal dimensionと一致し、singular pointでは大きくなり得ます。

finite morphismは次元を保つ

finite surjective morphisms preserve dimension

affine代数的集合のfinite surjective morphism $X\to Y$ に対して
$$ \dim X=\dim Y. $$

座標環写像 $k[Y]\to k[X]$ はfiniteであり、surjectivityによりkernelは0です。従って $k[Y]\subseteq k[X]$ はintegral extensionです。integral extensionの次元不変性から
$$ \dim k[Y]=\dim k[X]. $$
定義により $\dim Y=\dim X$ です。□

これはdimension invariance under finite surjective morphisms|有限全射による次元不変性です。Noether正規化 $X\to\mathbb A^d$ が、$d$ を $X$ の次元として本当に測っている理由でもあります。

演習

$k[x,y]$ のchain
$$ (0)\subsetneq(x)\subsetneq(x,y) $$
の各idealがprimeであることを示し、$\dim k[x,y]=2$ を確認せよ。

$k[x,y]$ はdomainなので $(0)$ はprimeです。また
$$ k[x,y]/(x)\cong k[y] $$
はdomainなので $(x)$ はprime、
$$ k[x,y]/(x,y)\cong k $$
はfieldなので $(x,y)$ はmaximal、従ってprimeです。chainの長さは2なので次元は2以上です。一方fraction field $k(x,y)$ の超越次数は2で、chain boundから次元は2以下です。従って次元は2です。□

$A=k[u,v]/(v^2-u^5)$ の次元を求めよ。ただし $v^2-u^5$ はirreducibleであるとする。

$A$ は二変数多項式環を一つのirreducible nonconstant equationで割ったdomainです。irreducible hypersurfaceの次元公式から
$$ \dim A=2-1=1. $$
また $u=t^2,v=t^5$ と置けばfunction fieldは $k(t)$ になり、超越次数1からも同じ結論を得ます。□

integral extension $A\subseteq B$ とprime chain $\mathfrak q_0\subsetneq\mathfrak q_1$ in $B$ に対し、contractionsもstrictであることを証明せよ。

もし
$$ \mathfrak q_0\cap A=\mathfrak q_1\cap A $$
なら、incomparability theoremにより $\mathfrak q_0=\mathfrak q_1$ となり、strictnessに反します。従って
$$ \mathfrak q_0\cap A\subsetneq\mathfrak q_1\cap A. $$
□

$X=V(xy,xz)\subseteq\mathbb A^3$ について $(xy,xz)=(x)\cap(y,z)$ を直接証明せよ。

$(xy,xz)$ は $(x)$ と $(y,z)$ の両方に含まれます。逆に $f\in(x)\cap(y,z)$ とします。$f=xg$ と書けます。$f\in(y,z)$ なので $k[x,y,z]/(y,z)\cong k[x]$ で $x\overline g=0$ です。$k[x]$ はdomainで $x\ne0$ だから $\overline g=0$、従って $g\in(y,z)$ です。よって
$$ f=xg\in(xy,xz). $$
両包含から等号が従います。□

finite-dimensional $k$-algebra $A$ のKrull dimensionが0であることを示せ。

任意のprime ideal $\mathfrak p$ を取ります。$A/\mathfrak p$ はfinite-dimensional $k$-algebraかつdomainです。零でない $a\in A/\mathfrak p$ に対し、multiplication by $a$ は有限次元vector space上のinjective linear mapなのでsurjectiveです。従ってある $b$ があり $ab=1$、ゆえに $A/\mathfrak p$ はfieldです。従って全prime idealはmaximalであり、異なるprime idealsのstrict inclusionはありません。よって $\dim A=0$ です。□

この章で得た橋

有限生成domainでは、prime chainの最大長、function fieldの超越次数、Noether正規化で残る独立変数の個数が一致します。reducibleな図形では既約成分の次元の最大値を取り、localizationすれば点でのlocal dimensionは対応するprime idealのheightになります。
次の頁では一次元の具体的modelである平面曲線へ戻り、局所環・接空間・最低次斉次項を使って点の重複度と接線を計算します。

参考文献

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