整数を $n$ で割った余りへ送る写像や、多項式へ数を代入する写像は、和と積を保ちます。その写像で0へ潰れる元を集めると、単なる部分環より強い「外から掛けても閉じる」部分集合が現れます。これがイデアルです。
本章以降、特に断らない限り環は単位元をもつ可換環で、環準同型は単位元を単位元へ送るものとします。
環 $R,S$ の間の写像 $\varphi:R\to S$ が任意の $a,b\in R$ に対して
$$
\varphi(a+b)=\varphi(a)+\varphi(b),
$$
$$
\varphi(ab)=\varphi(a)\varphi(b),
\qquad
\varphi(1_R)=1_S
$$
を満たすとき、$\varphi$ を環準同型という。
加法について群準同型なので、環準同型は自動的に
$$
\varphi(0_R)=0_S,
\qquad
\varphi(-a)=-\varphi(a)
$$
を満たします。また帰納法により
$$
\varphi(a^n)=\varphi(a)^n
$$
です。
典型例は次の三つです。
像は $S$ の部分環です。核は加法については部分群ですが、通常は $R$ と同じ1を含まないので部分環ではありません。その代わり、核には次の閉性があります。
環 $R$ の部分集合 $I$ が次を満たすとき、$I$ を $R$ のイデアルといい $I\triangleleft R$ と書く。
最初の二条件は $(I,+)$ が加法群の部分群であることを表します。第三条件は、$I$ の元へ環の外側の任意の元を掛けても $I$ に留まる「吸収性」です。
環準同型 $\varphi:R\to S$ に対して、$\ker\varphi$ は $R$ のイデアル、$\operatorname{im}\varphi$ は $S$ の部分環である。
$\varphi(0)=0$ なので $0\in\ker\varphi$。$a,b\in\ker\varphi$ なら
$$
\varphi(a-b)=\varphi(a)-\varphi(b)=0-0=0,
$$
よって $a-b\in\ker\varphi$。さらに $r\in R,a\in\ker\varphi$ なら
$$
\varphi(ra)=\varphi(r)\varphi(a)=\varphi(r)0=0,
$$
従って $ra\in\ker\varphi$。よって核はイデアルです。
像は $\varphi(0)=0$ と $\varphi(1)=1$ を含みます。$x=\varphi(a),y=\varphi(b)$ なら
$$
x-y=\varphi(a-b),
\qquad xy=\varphi(ab)
$$
も像に入るので、像は部分環です。□
環準同型が単射であることと核が $\{0\}$ であることは同値です。これは加法群の準同型としての単射判定から従います。
$a\in R$ に対し
$$
(a)=Ra=\{ra:r\in R\}
$$
はイデアルです。これを $a$ が生成する単項イデアルといいます。より一般に $a_1,\ldots,a_m\in R$ に対し
$$
(a_1,\ldots,a_m)
=\{r_1a_1+\cdots+r_ma_m:r_i\in R\}
$$
は $a_1,\ldots,a_m$ を含む最小のイデアルです。
$(a_1,\ldots,a_m)$ は $a_1,\ldots,a_m$ を含むイデアルであり、それらを含む任意のイデアル $J$ に対して
$$
(a_1,\ldots,a_m)\subset J
$$
となる。
二つの有限和の差は再び同じ形の有限和で、外から $r\in R$ を掛けても係数を $rr_i$ に替えるだけなので、$(a_1,\ldots,a_m)$ はイデアルです。各 $a_i$ は係数 $r_i=1$、他の係数0とすれば含まれます。
$J$ が全 $a_i$ を含むなら、吸収性から $r_ia_i\in J$。加法について閉じるので、その有限和も $J$ に入ります。従って生成イデアル全体が $J$ に含まれます。□
すべてのイデアルが一元で生成される環を主イデアル環といいます。$\mathbb Z$ と体上の一変数多項式環 $K[x]$ が基本例です。
$\mathbb Z$ の任意のイデアル $I$ は、ただ一つの $n\ge0$ により
$$
I=n\mathbb Z=(n)
$$
と書ける。
$I=\{0\}$ なら $n=0$ とすればよい。$I\ne\{0\}$ なら、$I$ は非零元 $a$ とその逆元 $-a$ を含むので正整数を含みます。$I$ に属する正整数のうち最小のものを $n$ とします。
任意の $a\in I$ を除法算法で
$$
a=qn+r,
\qquad0\le r< n
$$
と書きます。$a,n\in I$ なので $r=a-qn\in I$。$n$ の最小性から $r=0$。従って $a\in n\mathbb Z$ で $I\subset n\mathbb Z$。逆に $n\in I$ と吸収性から全 $qn$ が $I$ に入るため $n\mathbb Z\subset I$。よって等号です。
$m\mathbb Z=n\mathbb Z$ で $m,n\ge0$ なら、正の生成元がある場合は互いに割り切るので $m=n$。零の場合も一致します。□
体 $K$ と $c\in K$ に対して評価写像
$$
\operatorname{ev}_c:K[x]\to K
$$
を考えます。因数定理から
$$
f(c)=0\quad\Longleftrightarrow\quad(x-c)\mid f(x).
$$
従って
$$
\ker(\operatorname{ev}_c)=(x-c).
$$
抽象的な核が、「$c$ を根にもつ多項式全体」という具体的な条件を一つの生成元へ圧縮しています。
イデアル $I$ が $R$ 全体でないとき真のイデアルといいます。
イデアル $I\triangleleft R$ に対し、次は同値である。
$I=R$ なら $1\in I$。$1$ は単元なので2から3。単元 $u\in I$ があれば、吸収性から
$$
1=u^{-1}u\in I.
$$
さらに $1\in I$ なら任意の $r\in R$ について $r=r1\in I$ なので $I=R$。□
$\mathbb Z$ で $(12,18)=(6)$ を示せ。
任意の $12a+18b$ は6の倍数なので $(12,18)\subset(6)$。逆に
$$
6=18-12
$$
は $(12,18)$ に属します。生成イデアルの最小性または吸収性から、6の全倍数が $(12,18)$ に入り $(6)\subset(12,18)$。従って等号です。□
$\operatorname{ev}_2:\mathbb Q[x]\to\mathbb Q$ の核と像を求めよ。
因数定理から $f(2)=0$ と $(x-2)\mid f$ は同値なので
$$
\ker(\operatorname{ev}_2)=(x-2).
$$
任意の $q\in\mathbb Q$ は定数多項式 $q$ の像なので、評価写像は全射で
$$
\operatorname{im}(\operatorname{ev}_2)=\mathbb Q.
$$
□
$\mathbb Z$ が $\mathbb Q$ の部分環ではあるがイデアルではないことを示せ。
$\mathbb Z$ は $0,1$ を含み、差と積で閉じるので $\mathbb Q$ の部分環です。しかし $1\in\mathbb Z$ と $1/2\in\mathbb Q$ に対し
$$
\frac12\cdot1=\frac12\notin\mathbb Z.
$$
外部の元による吸収性を満たさないため、イデアルではありません。□
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