前提知識:正則写像と座標環、局所化
写像
$$
\pi:\mathbb A_k^1\to\mathbb A_k^1,\qquad t\mapsto t^2
$$
を考えます。座標環では
$$
k[x]\longrightarrow k[t],\qquad x\longmapsto t^2.
$$
$t$ は
$$
T^2-x=0
$$
というmonic方程式を満たし、
$$
k[t]=k[x]\oplus k[x]t
$$
です。幾何側では一般の $x$ の上に高々二点しかありません。代数側の「有限生成module」が、幾何側の「有限個の点を持つfiber」へ翻訳されます。
整拡大の一般環論は03「環と加群」を正本とします。本章ではfinite morphism、closedness、fiber、cusp normalizationという幾何学的帰結を証明します。
$A\to B$ を環準同型とする。$b\in B$ が
$$
b^n+a_{n-1}b^{n-1}+\cdots+a_0=0
\qquad(a_i\in A)
$$
というmonic方程式を満たすとき、$b$ は $A$ 上integralであるという。全ての $b\in B$ がintegralであるとき、$B$ は $A$ 上integral extension|integral extensionであるという。
$B$ が有限生成$A$-moduleであるとき、$B$ をmodule-finite algebra|module-finite !FORMULA[17][36647][0]-algebraという。
$b$ が次数 $n$ のmonic方程式を満たすなら
$$
A[b]=A+Ab+\cdots+Ab^{n-1}.
$$
monic方程式を
$$
b^n=-a_{n-1}b^{n-1}-\cdots-a_0
$$
と解きます。両辺へ $b$ を繰り返し掛ければ全ての $b^m$ with $m\ge n$ を $1,b,\ldots,b^{n-1}$ の$A$-linear combinationへ下げられます。$A[b]$ の元は $b$ の多項式なので主張が従います。□
$B=A[b_1,\ldots,b_r]$ が有限生成$A$-algebraであるとする。次は同値である。
1を仮定します。各 $b_i$ が次数 $n_i$ のmonic方程式を満たすとします。冪を順に下げると
$$
b_1^{e_1}\cdots b_r^{e_r}
\qquad(0\le e_i< n_i)
$$
という有限個のmonomialが $B$ を $A$-moduleとして生成します。
2を仮定します。$B$ の$A$-module生成元を $v_1,\ldots,v_m$ とします。任意の $b\in B$ に対し multiplication by $b$ は有限生成module $B$ のendomorphismです。関係
$$
bv_j=\sum_i c_{ij}v_i
$$
を行列 $C=(c_{ij})$ にまとめ、adjugate matrixを掛けると
$$
\det(bI-C)v_j=0
$$
です。$1$ は $v_j$ の組合せなので $\det(bI-C)=0$。これは $b$ のmonic方程式です。従って全ての $b$ はintegralです。□
これはfinite type integral algebra criterion|有限型integral algebraのmodule有限性判定です。
affine代数的集合の正則写像
$$
\varphi:X\to Y
$$
に対し、pullback
$$
\varphi^*:k[Y]\to k[X]
$$
によって $k[X]$ がmodule-finite $k[Y]$-algebraになるとき、$\varphi$ をfinite morphism of affine algebraic sets|finite morphismという。
finiteという性質は座標の選択に依存しません。affine同型で座標環を取り替えても、module有限性は環同型で保たれるからです。
closed subset $Z\subseteq Y$ の包含 $i:Z\hookrightarrow Y$ はfinite morphismである。
座標環写像はsurjection
$$
k[Y]\twoheadrightarrow k[Z]=k[Y]/I_Y(Z).
$$
商環は元 $1$ 一つで $k[Y]$-moduleとして生成されます。従ってmodule-finiteです。□
これはclosed immersions are finite|closed immersionの有限性です。
finite morphisms $X\xrightarrow{\varphi}Y\xrightarrow{\psi}Z$ の合成はfiniteである。
$A=k[Z]$、$B=k[Y]$、$C=k[X]$ とします。$B$ は有限生成$A$-module、$C$ は有限生成$B$-moduleです。$B$ の生成元を $b_i$、$C$ の生成元を $c_j$ とすれば、有限個の積 $b_ic_j$ が $C$ を $A$-moduleとして生成します。従って合成に対応する $A\to C$ はmodule-finiteです。□
これはcomposition of finite morphisms|finite morphismの合成閉性です。
finite morphismがclosedであることを示すには、integral extensionでprime idealが上に存在することが必要です。
integral extension of domains $A\subseteq B$ に対し、$A$ がfieldであることと $B$ がfieldであることは同値である。
$A$ がfieldとします。$0\ne b\in B$ の最小次数のmonic relationを取ると、そのconstant termは非零です。そうでなければdomainで $b$ をcancelして次数を下げられます。従ってrelationを $b$ で割って解けば $b^{-1}\in B$ です。
逆に $B$ がfieldなら、$0\ne a\in A$ に対し $a^{-1}\in B$ は $A$ 上integralです。
$$
(a^{-1})^n+c_{n-1}(a^{-1})^{n-1}+\cdots+c_0=0
$$
へ $a^{n-1}$ を掛けると $a^{-1}$ が $A$ の元の式で書けます。従って $A$ もfieldです。□
これはfield criterion for integral domains|integral extensionにおけるfield判定です。
$A\subseteq B$ をintegral extensionとする。任意のprime ideal $\mathfrak p\subseteq A$ に対し
$$
\mathfrak q\cap A=\mathfrak p
$$
となるprime ideal $\mathfrak q\subseteq B$ が存在する。
$S=A\setminus\mathfrak p$ で局所化します。$S^{-1}B$ は $A_{\mathfrak p}$ 上integralです。$S^{-1}B$ のmaximal ideal $\mathfrak n$ を一つ取ります。そのcontraction
$$
\mathfrak m=\mathfrak n\cap A_{\mathfrak p}
$$
はmaximalです。
これを確認します。商
$$
A_{\mathfrak p}/\mathfrak m
\subseteq
S^{-1}B/\mathfrak n
$$
はdomainsのintegral extensionで、右辺はfieldです。直前の補題から左辺もfieldなので $\mathfrak m$ はmaximalです。$A_{\mathfrak p}$ は唯一のmaximal ideal $\mathfrak pA_{\mathfrak p}$ を持つため
$$
\mathfrak m=\mathfrak pA_{\mathfrak p}.
$$
$B\to S^{-1}B$ による $\mathfrak n$ のcontractionを $\mathfrak q$ とします。localizationのprime対応から $\mathfrak q$ はprimeで、その $A$ へのcontractionは $\mathfrak p$ です。□
これはlying-over theorem|lying-over theoremです。integral mapではbaseのprime pointが上で消えません。
$k$ をalgebraically closed fieldとする。finite morphism
$$
\varphi:X\to Y
$$
はZariski closed mapである。さらに
$$
\varphi(X)=V_Y(\ker\varphi^*).
$$
$A=k[Y]$、$B=k[X]$ とします。まず $X$ 自身の像を考えます。$\varphi^*:A\to B$ のkernelを $K$ とすると、像の全点では $K$ が消えるので
$$
\varphi(X)\subseteq V_Y(K).
$$
$y\in V_Y(K)$ に対応するmaximal ideal $\mathfrak m_y\supseteq K$ を取ります。$A/K$ は $B$ の部分環とみなせ、$B$ はその上integralです。lying-overにより $\mathfrak m_y/K$ の上にprime ideal $\mathfrak q\subseteq B$ があります。integral extensionでmaximal idealの上のprimeはmaximalです。実際商domainsのfield criterionを使えば従います。弱零点定理から $\mathfrak q$ はある点 $x\in X$ に対応し、そのcontractionが $\mathfrak m_y$ なので $\varphi(x)=y$ です。従って像は $V_Y(K)$ です。
一般のclosed subset $Z\subseteq X$ に対し、制限 $Z\to Y$ の座標環は $B/J$ です。これは $A$ 上module-finiteな $B$ のquotientなのでmodule-finiteです。今証明した像の公式から $\varphi(Z)$ はclosedです。□
これはfinite morphisms are closed|finite morphismの閉写像性です。特に $\varphi^*$ がinjectiveならfinite morphismはsurjectiveです。
最後の帰結をfinite morphism surjectivity criterion|finite morphismのsurjectivity判定と呼びます。
点 $y\in Y$ に対応するmaximal idealを $\mathfrak m_y$ とします。
finite morphism $\varphi:X\to Y$ のset-theoretic fiber $\varphi^{-1}(y)$ の方程式は $\mathfrak m_yB$ で与えられ、そのscheme的coordinate algebraは
$$
B\otimes_A\kappa(y)
\cong B/\mathfrak m_yB.
$$
代数閉体上のclosed pointでは $\kappa(y)=k$ である。
$x\in X$ が $y$ へ写ることは、全ての $f\in\mathfrak m_y$ について
$$
(\varphi^*f)(x)=f(\varphi(x))=f(y)=0
$$
となることと同値です。従ってfiberの点集合は $V_X(\mathfrak m_yB)$ です。
一般のmodule恒等式
$$
B\otimes_A A/\mathfrak m_y\cong B/\mathfrak m_yB
$$
を使います。写像 $b\otimes\overline a\mapsto\overline{ab}$ はbalancedで全射です。逆写像 $\overline b\mapsto b\otimes1$ は $\mathfrak m_yB$ を0へ送るのでwell-definedで、両合成は恒等です。$\kappa(y)=A/\mathfrak m_y$ から主張が従います。□
これはcoordinate algebra of a fiber|fiberのcoordinate algebraです。
finite morphismの各closed fiberは有限集合である。
$B$ が有限生成$A$-moduleなら
$$
B/\mathfrak m_yB
$$
は有限次元$\kappa(y)$-vector spaceです。代数閉体上では有限次元$k$-algebra $C$ のclosed pointsはmaximal idealsに対応します。
異なるmaximal ideals $\mathfrak n_1,\ldots,\mathfrak n_N$ はpairwise comaximalです。Chinese remainder theoremから
$$
C\longrightarrow\prod_{i=1}^N C/\mathfrak n_i\cong k^N
$$
はsurjectiveです。従って
$$
N\le\dim_kC.
$$
任意の有限部分集合に同じ上界があるため、maximal ideals全体も有限です。よってfiberの点は有限個です。□
これはfinite morphisms have finite fibers|finite morphismの有限fiber定理です。fiber algebraにnilpotentがあれば、点の個数だけでなく重複度も記録します。
このnilpotentを含む情報をfiber multiplicity of a finite morphism|finite morphismのfiber重複度と呼びます。
$$
\pi:\mathbb A^1\to\mathbb A^1,\qquad t\mapsto t^2
$$
では $k[t]$ は $k[x]$ 上 $1,t$ で生成されるのでfiniteです。点 $a$ のfiber algebraは
$$
k[t]/(t^2-a).
$$
$a\ne0$ かつcharacteristic not 2なら二つのreduced points、$a=0$ なら
$$
k[t]/(t^2)
$$
となり一点にnilpotentな重複度が残ります。
cusp
$$
C=V(y^2-x^3)
$$
への写像
$$
\nu:\mathbb A^1\to C,\qquad t\mapsto(t^2,t^3)
$$
を考えます。座標環写像は
$$
k[x,y]/(y^2-x^3)\longrightarrow k[t],
\qquad x\mapsto t^2,\quad y\mapsto t^3.
$$
像を $A=k[t^2,t^3]$ と書くと、$t$ は $T^2-t^2=0$ を満たすのでintegralです。また
$$
k[t]=A+At
$$
なので $\nu$ はfiniteです。
$\nu$ は点集合上bijectiveです。$t\ne0$ なら $t=y/x$ で復元でき、原点のpreimageは $t=0$ だけです。しかし同型ではありません。もし同型なら逆写像に対応する $t$ が $A=k[t^2,t^3]$ に入るはずですが、$A$ のnonconstant monomialの次数は2以上であり $t$ は作れません。
これはfinite bijective morphism not an isomorphism|finiteかつbijectiveだが同型でない射であり、cusp normalization|cuspのnormalizationの基本例です。finite morphismは位相的な点だけでなく、local ringの欠損も運びます。
$A\subseteq B$ がmodule-finiteで、$B\subseteq C$ がmodule-finiteなら $C$ がmodule-finite $A$-algebraであることを生成元から証明せよ。
$B=\sum_iAb_i$、$C=\sum_jBc_j$ とします。任意の $c\in C$ は
$$
c=\sum_j\beta_jc_j,\qquad\beta_j=\sum_i a_{ij}b_i
$$
と書けるので
$$
c=\sum_{i,j}a_{ij}b_ic_j.
$$
有限個の $b_ic_j$ が $C$ を $A$-moduleとして生成します。□
写像 $\mathbb A^1\to\mathbb A^1$, $t\mapsto t^n$ がfiniteであることを示し、点 $a$ のfiber algebraを書け。
座標環写像は $k[x]\to k[t]$, $x\mapsto t^n$ です。$t$ はmonic方程式 $T^n-x=0$ を満たし、
$$
k[t]=k[x]+k[x]t+\cdots+k[x]t^{n-1}.
$$
従ってfiniteです。fiber algebraは
$$
k[t]\otimes_{k[x]}k[x]/(x-a)
\cong k[t]/(t^n-a).
$$
□
finite morphism $\varphi:X\to Y$ とclosed subset $Z\subseteq X$ に対し、restriction $Z\to Y$ がfiniteであることをmodule生成元から示せ。
$A=k[Y]$、$B=k[X]$、$k[Z]=B/J$ とします。$B$ が $b_1,\ldots,b_m$ で $A$-moduleとして生成されるなら、そのclasses $\overline b_i$ が $B/J$ を生成します。従って $A\to B/J$ はmodule-finiteで、restrictionはfiniteです。□
cusp normalizationの原点fiber algebraを計算せよ。
cusp原点のmaximal idealは $(x,y)$ です。$k[t]$ への像は $(t^2,t^3)=(t^2)$ なのでfiber algebraは
$$
k[t]/(t^2,t^3)\cong k[t]/(t^2).
$$
点集合としてfiberは一点ですが、長さ2のnilpotent構造を持ちます。これは原点で写像が単純な一対一対応以上の情報を持つことを示します。□
finite morphism $\varphi:X\to Y$ のpullbackがinjectiveなら $\varphi$ がsurjectiveであることを、closed image theoremから証明せよ。
closed image theoremから
$$
\varphi(X)=V_Y(\ker\varphi^*).
$$
injectivityによりkernelは0です。$V_Y(0)$ は $Y$ 全体なので
$$
\varphi(X)=Y.
$$
従って $\varphi$ はsurjectiveです。□
finite morphismは座標環がmodule-finiteになるaffine morphismです。整性によりprime idealsはlying overし、finite morphismの像とclosed subsetの像はclosedになります。各fiberのcoordinate algebraは有限次元なので点は有限個で、nilpotentが重複度を保持します。
次の頁では任意の有限生成domainを多項式環上module-finiteにするNoether normalizationを証明します。これにより一般のaffine varietyからaffine spaceへのfinite surjective morphismが得られ、dimensionを座標の個数として測れるようになります。
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